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有关高等流体力学教学模式及方法的探索
摘要：结合高等流体力学的课程特征，对课程教学现状进行深入分析，以上海电力大学“动力工程与工程热物理”一级学科课程建设为契机，对高等流体力学教学模式与方法进行论述，以期提高该课程的教学效果，为更好的人才培养提供源动力。
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流动现象在人们的日常生活中随处可见，也遍布在工业生产领域的角角落落，掌握分析流动的能力，探寻流动中蕴含的规律，对于培养能源动力方面的人才至关重要[1]。“高等流体力学”是“动力工程及工程热物理”学科重要的学位课程之一，其重要性不言而喻。对于学生来讲，学好“高等流体力学”课程中蕴含的理论、方法和思想，将有助于其在未来的研究或工作领域领悟和运用流动规律，甚至帮助其总结发现新的流动现象。而作为教师，根据学生特点，因势利导，将学生领入“流体力学”进阶的大门有着责无旁贷的职责。本文以上海电力大学“动力工程与工程热物理”一级学科课程建设为契机，对“高等流体力学”的教学方法进行了研究和探讨。
一、课程特征
流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体受力后平衡或运动时流体运动参数之间存在的内在关系及其应用，是大机械领域的重要基础学科之一。“高等流体力学”是“流体力学”课程的延伸和拓展，侧重于用理论分析的方法研究流体受力运动时的平衡关系，以及流体与外界之间的相互作用，以通过对流动控制体守恒方程的建立和求解、发现和掌握流动规律为线索，帮助学习者形成解决流动问题的思路，对于学生要求更高，知识点更深更难。由此，该课程具有以下特征：
1. 理论性强。高等流体力学以质量守恒、动量守恒这两大守恒定律为依据，对流体流动建立方程，然后再寻求方法加以求解。这种解决流动问题的思维特点和分析方法的特点是以数学知识为基础推进问题解决的过程，过程严谨，环环相扣，理论性强。
2. 工程应用性强。尽管高等流体力学理论性强，但其落脚点仍然是帮助解决工程实际问题。面对生产实践中形形色色的流动现象，“高等工程热力学”又将流动问题层层分类，譬如：无旋流动和涡旋流动、不可压缩流动和可压缩流动、层流流动和小雷诺数流动乃至紊流流动等，脉络分支多，其目的就是要能解决实际问题。
3. 与其他课程的关联性强。由于流动现象无处不在，高等流体力学也就与其他课程之间存在着很强的关联性。首先，流动的流体是一种物质，其物性的差异会导致流动的不同，流动的不同反过来也会影响流体的状态和物性，因此高等流体力学和涉及物性研究的高等工程热力学密不可分。其次，流动现象是很多现象的基础，比如传热现象、燃烧现象等，因此高等流体力学为高等传热学、高等燃烧学、数值传热学的学习奠定了基础。此外，其他研究生的专业方向课程也无形中都会运用高等流体力学的知识点。因此，高等流体力学较强的关联性也决定了其在研究生课程中具有重要的地位。
二、课程教学现状
在教材选用方面，高等流体力学是经典的学科，市面上不乏经典的教材，上海电力大学“动力工程及工程热物理”一级学科选用的由张鸣远编著的《高等流体力学》[2]（西安交通大学出版）具有很好的普适性及足够的理论深度，在内容编排上具有完善的理论体系。但是，其不具有鲜明的专业特色，比如对于电力生产、化工等相关专业，需要在教学中及时补充相关的工程应用实例。高等流体力学理论性强的特点决定了其对学生的数学功底要求高。而另一方面，工科学生数学功底往往不够扎实，增大了学习难度，容易产生挫败感和畏难情绪。再加上现在的研究生已经是“90后”的独生子女，无危机意识，学习方法不科学，缺乏钻研精神，导致学习效果不佳的现象出现。此外，课程学习也存在一定的功利性。学生在程学习时不知道学习该门课程有何用处，因此兴趣不高，而日后在论文课题的研究过程中用到了这门课程的知识，才恍然大悟，再回去翻课本学习，甚至是找任课教师咨询，大大地降低了课程的学习效率。
三、课程内容的组织
高等流体力学涵盖的内容丰富，含有的课程信息量也巨大，要想在有限的课时内清晰完整地向研究生传达这些信息，组织“高等流体力学”课程教学内容时，就要结合研究生培养的特点，既照顾到经典流体力学的通用知识，又重视课程知识的针对性、行业应用的特殊性、学生学习的兴趣以及与其他研究生课程的关联性。
1. 奠定扎实基础。“高等流体力学”是一门系统性、逻辑性较强的课程，作为硕士研究生的学位课，在加深学生对流动所伴随的物理现象的认识、概念的建立及规律分析的同时，还应努力加深学生学科知识分析和研究问题的基本思想和方法的理解和掌握，提高分析和解决流体力学问题的水平及能力。
2. 注重课程的关联性和完整性。在关联性方面，首先与本科阶段的教学内容要有恰当的分工和衔接，其次要避免与其他相关课程之间缺乏衔接；在自身内容体系的完整性方面，既要注意到对数学知识回顾和补充的必要性，又要对工程中不常见的复杂流动概念的介绍有所兼顾。考虑到以上几个方面，将教学内容梳理成五部分：第一部分安排了“矢量运算分析”、“场论知识”的回顾以及曲线坐标、张量分析知识的补充；第二部分“流体力学的基本方程”主要介绍流体力学的基本概念、流体力学的控制方程组以及一些相关的重要定理；第三部分“理想不可压缩流体的流动”介绍平面势流、空间轴对称势流和理想流体中的旋涡运动，其中对平面势流里的复位势、叠加法、镜像法和保角变换法做重点讲解；第四部分“黏性不可压缩流体的流动”中介绍纳维—斯托克斯方程的精确解、小雷诺数流动、层流边界层流动和紊流，其中对工程中应用较多的层流边界层流动和紊流做重点讲解；第五部分“理想可压缩流体的流动”分别介绍一维流动和平面流动，其中对一维流动做重点讲解。
3. 突出电力生产特色。针对我校研究生的专业背景和学科研究方向，强调本学科与电力生产流程和设备的结合，强化学生应用流体力学知识，认识并解决相关电力工程问题的能力。教学内容应注重理论与实践相结合，保持基础理论知识与工程应用知识的相对平衡。
四、教学方法的探讨
教学效果的关键之一在于是课堂教学，而课堂教学的中心是使用合理的教学方法组织课堂教学。这就需要教师不断积累经验，进行教学方法的探讨，调动学生学习的主动性和积极性。
1. 教学手段。“高等流体力学”的基础理论内容较多，涉及的公式推导也比较多，传统的“黑板板书”对教学信息的呈现不够多元，也减慢了教学进度。多媒体教学的引入对“黑板板书”起到了很好的辅助作用，“黑板板书”注重讲思路、讲方法，多媒体侧重展示推导过程，也便于学生课后再学习巩固。经过实践证明，这种教学方法有利于学生理解并掌握复杂的基本理论。
2. 教学模式。满堂灌的“填鸭式”教学模式已不再适应大学课堂，提高课堂教学的“波动”性，以提高学生学习兴趣和主动性，势在必行。比如，在运用数学知识解决问题时，抛出数学公式与物理概念之间有何结合点的问题，借此强调物理概念的数学表示和数学内容的物理解释；再如，在进行理论推导后，询问学生是否可以用自己精简的话语来对整个过程进行总结；还有，在对某个知识点讲述时，不经意地运用前面的知识从另一个角度或思路来讲述该知识点，以活跃学生的思维和关联能力，也让学生不断反思自己的学习效果。如此的教学“波动”会时不时地在学生的学习过程中激起“涟漪”，有助于听课效果的提升。
3. 案例教学。“只学不用”往往事倍功半，结合任课教师的科研积累，提炼工程案例，在教学中实时引入案例教学，有助于解除学生“如何用”的疑惑和迷茫[3]。通过案例的讨论和分析，首先引导学生发现问题和提出问题，然后带领他们运用所学知识解决问题，让学生了解所学的知识可以解决什么问题，由此引导他们思考导师课题组的课题可能会用到哪些流体力学知识，带着需求学习，增强了学生运用理论知识分析并解决工程实际问题的能力。
五、结束语
高等流体力学的教学工作任重而道远，只有在教学中不断总结经验，与时俱进，因势利导，改进教学方法，才能提高该课程的教学效果，更好地为为人才培养服务。
参考文献：
[1]张永学,师志成,董守平等.高等流体力学课程改革与实践[J].中国现代教育装备,2010,(17):66-68.
[2]张鸣远.高等工程流体力学[M].西安:西安交通大学出版社,2006.
[3]郭忠兴.案例教学过程优化研究[J].中国大学教学,2010,(1):59-61.
张莉,刘江,付在国.高等流体力学教学方法探讨[J].教育教学论坛,2019(41):183-184.
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在网络信息发达、繁杂的时代背景下，青年大学生极易接触到不良的思潮和价值观，存在急功近利的价值取向，缺乏家国情怀，集体责任感以及坚定的社会主义人生理想信念。大学生在校期间的绝大多数时间是在非思政类课程学习中度过。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调指出“要用好课堂教学这个主渠道。
2020-12-15
腐蚀是普遍存在于国民经济和生产生活中的重要破坏因素，学者们针对材料腐蚀现象进行了众多研究，其中，静态环境下的腐蚀研究已较为丰富。在流动体系中，流体对材料表面及腐蚀产物膜的力学冲刷作用、对腐蚀性离子的传质促进作用以及对界面反应过程的影响使得流动环境下的腐蚀问题更加严重和复杂。
2020-12-03
在核反应堆中，控制棒驱动机构是反应堆控制和保护系统中重要的伺服机构，控制棒驱动机构是驱动控制棒组件运动、实现准确调节反应堆内反应性变化的重要部件，控制棒驱动机构具有实现反应堆启动、提升功率、保持功率、负荷跟踪、正常停堆和紧急事故停堆等重要的安全功能。
2020-11-27
腐蚀是普遍存在于国民经济和生产生活中的重要破坏因素，学者们针对材料腐蚀现象进行了众多研究，其中，静态环境下的腐蚀研究已较为丰富。在流动体系中，流体对材料表面及腐蚀产物膜的力学冲刷作用、对腐蚀性离子的传质促进作用以及对界面反应过程的影响使得流动环境下的腐蚀问题更加严重和复杂。
2020-11-17
房间内污染物来源包括:煤气泄漏、一氧化碳泄漏、室内装修后残留的甲醛等污染物。其中煤气和天然气、CO等污染物通过管道或者开关未关闭泄露至空间中，而室内装修残留物则主要为家具或者地板等使用的材料超出规定指标而不断残留在房间中。本文主要采用CFD的方法进行结构合理性的验证。
2020-11-17
为研究一种高减压比组合式空气减压阀的流场特征,基于计算流体动力学(CFD)方法,建立减压阀数值计算模型,针对两级阀体特征参数组合的典型工况进行仿真计算,研究减压阀流场参数分布,分析柱阀间隙和引气位置对流动状态和减压比影响。计算结果表明,组合式减压阀流场状态复杂,第一级柱阀间隙对于流动损失和局部参数分布有重要影响,两级阀分别通过总压损失和流速变化实现减压过程,通过合理的特征参数组合可获得较大减压比及其调节范围。
2020-11-16
气体在液体中的运动广泛存在于自然界和工程领域中,如发动机水下排气、水下爆炸引起的气泡运动、石油开采.其中的动力学过程在一个多世纪以来一直受到人们的关注[1,2].数值模拟是研究气体在液体中运动的一种有效方法[3,4].由于液体与气体之间的密度比一般远大于重液体与轻液体之间的密度比,所以气液相界面的捕捉一直是数值模拟的重点与难点.
2020-08-10
理论和实践证明，环量控制[1]方法可以通过产生射流在后缘形成Coanda效应[2]来改变环量，从而产生高升力[3]。国内外一些学者针对环量控制参数的影响都进行了研究：Englar[3]、Liu等[4]经研究得出在小攻角、小动量系数下环量控制可产生较大升力的结论；张艳华等[5]通过计算流体力学数值仿真方法（CFD）研究了动量系数和攻角对NASA超临界翼型的升阻特性和附面层分离特性的影响规律。
2020-08-10
流体力学是研究流体在静止和运动状态下的运动规律及流体与固壁相互作用力的一门学科，在机械、能源、汽车、化工、航空、航天等诸多领域有着极广泛的应用[1]。该课程是力学、机械等专业本科生的专业基础课程。由于其涉及数学、物理、力学等内容，概念多，公式推导繁琐，理论性强，实际应用广，对学生综合利用知识的要求较高，是普遍公认的教师难教、学生难学的课程之一[2]。
2020-08-10
在漫长的地质构造运动中,层状岩体中力学性质较弱的岩层或结构面在剪切作用下易成为厚度不一、间距不等的软弱夹层。在荷载及渗流作用下软弱夹层常产生较大变形,成为影响岩体结构稳定的主结构面,对水利水电工程中岩体工程安全有着较大影响。
2020-08-10
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期刊名称：应用数学和力学
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主管单位：重庆交通大学
主办单位：重庆交通大学
出版地方：重庆
专业分类：科学
国际刊号：1000-0887
国内刊号：50-1060/O3
邮发代号：78-21
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
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2020-02-26
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