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有关流体力学的现象范文1
关键词 血压测量；流体静力学；创新实验
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2014）06-0112-02
1 引言
流体力学是高校工科专业的基础理论课程，流体力学实验对于流体力学的课程教学起到十分重要的作用。国内90%左右的工科高校都采用浙江大学力学基地所研制的流体力学实验仪器。为了直观流动现象，流体力学实验装置多数采用透明的有机玻璃材料，非常容易损坏，而且装置体积大，占用了实验室内较大的空间。北方地区高校为了避免水结冰，装置胀裂，每年冬季会将大量的实验用水放掉，水资源浪费严重。通过改进使用血压测量计，将人体血液循环和血压测量相结合开发流体静力学演示实验，创新教学方式，提高实验效率，增强教学质量，服务社会公益，可以取得良好的教学效果和社会公益效果。
血压的测量原理 如图1所示，在测量血压时，在手臂上束紧袖带1，袖带1通过一根橡胶管2与一个小型气泵3（通过反复捏挤给气袋充气）相连，通过气泵给袖袋充气而不断挤压手臂上的动脉，这时用听诊器4可以听到血管中由于血液流动对管壁冲击而发出的声音；然后不断束紧袖带1来挤压手臂上的血管，当压力达到一定程度时，手臂上大动脉的血液流动将会完全停止，这时听诊器4听不到原来有规律的脉搏声；然后通过橡皮管2上的一个阀门慢慢把臂带中的空气释放出来，袖带对手臂大动脉的压力也会慢慢降低，当下降到一定程度时大动脉中的血液又开始恢复流动，听诊器中就又可以听到脉搏声。此时血液对动脉壁的压力和臂带对手臂的压力值是相等的，是心肌收缩时血液对动脉的压力，称收缩压；当放出更多的空气，臂带的压力进一步减少，当压力降到某点，臂带对于血管的压力不会对肱动脉内血液的流动产生影响，此时的压力称为为舒张压。在将人体血液循环系统应用到流体力学的实验中时，应尽量保持血管的正常流通状态，而不会因为测量的过程中外界的压力作用而改变血管的形状。因此，要使血管内的血液保持舒张压的流通状态，利用血压计对人体血液循环系统进行流体力学实验。
血压测量与流体静力学实验 血压的测量过程简单方便，作为一种人体健康的检查手段，医生乃至普通人只需按照上述操作读出水银柱的高度即可知血压是否正常，而且人体血液循环系统具有类似于实际管路流通的流体运动特点的组成结构，借助血压测量计来实现流体力学的实验验证，具有简单方便而且高效的优势。本文探讨的是：在大学工学专业流体力学课程教学活动中如何利用血压的测量过程解读流体力学知识。
??公式P=P0+ρgh是流体静力学方程的延伸形式，是平衡（静止和相对静止）流体中压力分布的普遍规律，也是流体静力学最基本的实验内容。但在流体力学教学中讲课与实验是不同的，通常实验滞后于课程。因此，公式的解读让学生感觉枯燥、片面且印象不深，难以产生理想的教学效果。为此，借助血压测量计来实现流体力学的实验验证，对血压测量过程进行拓展，设计了图2所示的基于人体血压测量的流体静力学演示实验。图2中所示的实验装置主要有：由袖带1、小型气泵2及其他测量装置组成的血压计3，在连接血压计的橡胶管上连接另一条橡胶管并与玻璃导管4连接，接触处安有阀门5，导管分别与两个U型玻璃管6、7相连接，共同固定在带有相同均匀刻度的木板8上，U型管中装有密度不同的液体（如酒精、水等），其次是听诊器9。
在实验过程中，按照上述方法对人体的血压进行测量，待调整为舒张压后打开阀门5，即可看到血压计3、U型管6与U型管7有着不同的液柱高度差h。按照等压原理，所测的部位血液作用于血管的压力与袖带内气体的压力大小是相同的，袖带外压力通过气体进行传输，一直传输到U型管中测量液体的表面。此时作用于三只U型管液体表面的气压P（即所测血压）是相同的，对U型管左侧液体施加压力，液体通过U型管向右侧流动，U型管右端与空气相连，使得U型管中右侧液柱高度高于左侧，形成高度差h。此时所测量的血压值P等于标准大气压P0与高度为h的测量液柱的压强ρgh之和，即：P=P0+ρgh。其中，ρ为液柱密度，g为重力加速度。因此，U型管中液体的密度不同，液柱高度h也不同，以此对流体静力学方程进行了很好的实验验证。
2 结论
本文首次提出以“人体血液循环”作为流体力学实验系统，对血压仪进行拓展，开展实验，实验设备简单，实验操作易行；可以很好地实现跟随课堂教学，提高课堂的学习效率，加深学生的对流体力学的理解和认识，增强学生的学习兴趣，实现更高水平的教学。同时在创新实验的过程中学习到的流体力学知识得以强化，以生动形象的方式为流体力学教学服务。作为一种全新的工科流体力学实验教学模式，基于血液循环的流体力学实验教学资源还有待进一步拓展。
参考文献
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[关键词]工程流体力学 教学方法 改革 工程实践
一、提炼课程核心思想、调整教学内容
近几年来，随着我国及上海市海洋战略布局和海洋经济的发展，上海海洋大学作为一所以海洋、水产和食品为特色的高校，在学科和专业建设方面取得了较大进步，《工程流体力学》作为一门专业基础理论课，其地位愈来愈显得重要。其中海洋学院、食品学院和工程学院几十年来在本科和研究生教育中，一直将《工程流体力学》和《高等流体力学》作为一门相当重要的专业基础课。特别是，工程学院的机制专业将《工程流体力学》作为该专业学生的一门必修课，随着学校的发展，这门课程必将渗透到生命学院的水产、水生物、设施渔业、水环境等专业和方向中。目前根据已定的教学计划，每学年有近650名学生学习这门课，由于各专业对其内容眼球的不同，需要结合各专业的特点，提炼课程核心思想、调整教学内容，通过不同的模块组合，确实提高学生的学习兴趣，促进教学质量的提高。
上海海洋大学《工程流体力学》任课教师根据多年的教学大纲及要求编写了“工程流体力学”教材，同时完成了配套教材的ppt电子教案，要求学生掌握流体力学的基本知识、原理和计算方法，主要包括：静平衡微分方程、流体对固壁的总压力、流体运动的描述、伯努利方程、动量（矩）方程、量纲分析、相似原理、绕流阻力等。在弄清概念，掌握理论的基础上，能够学会运用基本理论分析解决实际问题，并掌握基本的实验技能，为从事专业工作、科研和其他专业课的学习打下基础。为了便于学生的自主学习，又出版了配套教材的“工程流体力学习题解析”一书。同时根据实际工程需要，将《工程流体力学》的教学内容分为3个层次，即流体力学的基础理论、流体力学知识与进展、流体力学应用与实践， 克服了以往过分重视理论知识的介绍，轻视其应用的弊端。此外，还相继开出了流体力学独立实验课、计算流体力学等。
同时，根据不同专业的具体需求，在课程设置、教学内容上都作了许多相应的调整。例如在全校新开了“工程流体力学的应用”课程，受到了学生们的欢迎，选修这门课的学生相当多，容量达95%以上。并设计了不同的模块组合，对机械专业的学生，在已完成《工程流体力学》教材的二版修订中，在第8章中增加了明渠流动内容，增加了水波理论等内容；针对食品专业的需要，增加了气体及热力学类内容，并补充五套自测题供学生选用，确实提高了学生的学习兴趣，并促进了教学质量的提高。
二、改进教学手段，优化教学过程，加强教学互动
由流体力学团队编写的《工程流体力学》教材，于2006年由上海交通大学出版社出版，同时出版了与之配套的“工程流体力学习题解析”，为了便于教师教学，同时制作了与本教材配套的制作精美、图文并貌的CAI课件，生动地描述了流体力学的一些理论及现象，大大减轻了流体力学理论的学习难度，提高了学生学习的兴趣和效率。这些系列教材的出版，对该课程的建设和质量提升，起到了非常重要的作用。不但受到了本校学生的好评，同时还受到陕西理工大学、中国民航大学、浙江海洋学院及天津城市建设管理职业技术学院等许多学校的欢迎，这些学校对系列教材给予了充分肯定。图书发行突破2万本，出版方已无库存。
充分利用网络资源，将课堂理论教学教案、主讲教师课堂教学的部分录像进行网上共享，使用录像片、流体力学演示实验教学片、电子教材等多媒体教学手段，使学生感到难以接受的流动力学概念变得十分生动具体，加深对教材内容的理解，提高教学质量。使学生能够随时复习、预习相应的课堂教学内容。同时充分利用上海海洋大学的E-Class网络平台，进行网络实时习题、例题解答，以及课后答疑网络资源及软硬件的建设，形成师生交流的互动平台，真正提高网络教学的实用性。强调计算机在流体力学教学中的应用
在充分利用现代教学手段的同时，不能忽视传统教学方法的作用。本课程采用多媒体与板书相结合的教学模式，充分利用多媒体教学信息量大,图像清晰生动的特点, 结合传统板书讲解复杂理论推导的优点，不仅直观清晰，一目了然，而且对重点部分又能反复讲解，以达到学生基本理解并具有一定想象能力。例如在讲解研究流体运动的两种方法：质点法和空间点法时，多媒体上会出现公交车客流量观察方法的动画，使学生既易于分清这两种方法的不同，同时又强调一个相同的目的。又如在讲到流体的漩涡运动时，有龙卷风作强烈旋转运动的画面；讲到伯努利方程时，有踢任意球进球门的画面。理论教学上严谨，但是动画及多媒体生动、形象，使得学生在学习时既不感到枯燥，同时又能加强对基本理论的理解。由于学生数很多，教学上采用大班课的形式（基本上每个教学班有近100名学生），多媒体教学发挥了很大的作用。它使繁冗的公式推导成为一个简单的讲解过程，将复杂的流体运动生动形象地表现出来，同时对重点和难点反复在黑板上演示讲解。这两个方法相辅相承，取得了很好的教学效果。这种授课方式既有利于避免研究生因长时间精力高度集中而产生疲劳,又有利于他们理解并掌握复杂的流体力学基本理论。
2008年“工程流体力学”教材获上海海洋大学教学成果一等奖。作为普通高校重点教材建设项目之一，2009年被上海市教委评为优秀教材三等奖，2011年获得上海市教委重点课程建设项目（沪教委高〔2011〕48号），极大地提高了上海海洋大学来在流体力学行业的影响力。
三、完善实验教学条件，形成完整的教学实验体系
在注重理论教学的同时，加强实验教学环节，2011年3月由上海海洋大学主编的《力学基础实验指导-理论力学、材料力学、流体力学》，由同济大学出版社正式出版发行，其中的流体力学部分（第三大部分），从根本上解决了实验指导书与实验仪器不配套的问题，有效提高了流体力学实验教学质量。2009年下半年新添置了多功能流体力学实验装置、动量定理实验仪、流动图形显示仪、毕托管测速实验仪、虹吸管实验仪、势流叠加仪、空化实验仪等流体力学实验设备，新开设了大量的设计型和创新型流体力学实验，使学生、教师互动，用实验数据来验证理论，来观察抽象的流体运动；用理论知识解释一些流体现象，发现新的现象。这种教学手段提高了教学效果。同时在互动中，将有关科研上对于流体力学的一些热点问题以讨论的形式引入教学，充分地调动了学生的学习热情。通过实验验证加强感性认识：在许多重点和难点的地方，基本上有配套的实验，从实验中学习，既能培养学生从实践中发现问题并进行深入分析的思维习惯，激发他们的学习热情，同时也是加强印象、加深理解、克服难点的手段之一。
针对个别专业的特殊需要，开设了流体力学独立实验课。实际的流体运动非常复杂，因此通过流体力学实验是揭示流体运动规律的一种重要手段，为了帮助学生加深对所学理论的理解，更好的用所学理论解决生产实际中的问题，经过多方筹建，2009年我校海洋环境专业开设流体力学独立实验课，共16学时，实验内容主要包括：能量方程实验、雷诺实验、动量定律实验、沿程水头损失实验、局部水头损失实验、毕托管测速实验、管道测流量实验、流动显示实验、虹吸实验及势流叠加实验等；针对食品专业的需要，开设了气体及热力学类实验。
四、实现教学和科研的互动
在任课教师积极参加各类相关的学习与培训的同时，强化任课教师的科研观念，以科研带动教学，以教学促进科研，进行有效的纵、横向科研联合。任课教师积极参与各类教学改革和科研项目，如深水网箱水动力研究、渔船螺旋桨软件系统设计、人工鱼礁流场分析、海洋结构物的流固偶合分析、海洋波浪能的研究开发等。通过这些项目的研究，加深了对流体力学在海洋科学中实际应用和最新进展的了解。在毕业设计环节，每年选作以流体力学基础理论及其工程应用为毕业论文课题的本科学生20余人，研究生10人。取得多项教学改革和教学研究成果，并在生产实践中得到应用，如流体力学团队教师编制的“渔船螺旋桨系统设计软件”获得2007年上海海洋大学科技成果三等奖，该软件目前已被潍坊柴油机厂、玉林柴油机厂等国内主要柴油机生产厂家广泛应用。我校工程学院羊晓晟、侯淑荣、马利娜、沈小青同学的“一种新型海洋波浪能发电装置”项目，参加2011年由、中国科协、教育部、全国学联和地方政府共同主办的、在大连理工大学举行的第十二届“挑战杯”终审决赛，在全国1935所高校选送的16976件作品中突颍而出，获得“全国竞赛三等奖”。该项目由流体力学老师指导，并突破了波浪及流固耦合理论，极大地激发了学生对本课程的学习热情。今后，本课程将在大学生科技创新中发挥更大的作用。
五、教学效果的考核
《工程流体力学》课程具有理论性强、公式多、数理基础要求高的特点,为帮助学生的学习,仅仅通过教材讲解还远远不够,需要配套必要的习题。在现有基础上，更新试题内容，完善试题库建设，考虑到我校研究生教学的特点, 团队根据新编著教材的主要内容, 以章节为单位,精心筛选和编写了典型习题集,力图做到其中的习题一定要具有典型性。习题的数量不能多,更不能类似和重复,学生通过习题练习,能有效地掌握教材中的基本知识。提高试题质量，真正做到教考分离，促进教学质量的提高。该试题库具有以下功能：平台提供自动组卷、手动组卷、互动组卷，条件设定灵活全面；试卷自动转换成WORD文档，方便打印输出；自定义追加试题入库，采用WORD文档格式编辑批量入库。
在考核中，平时成绩、实验课成绩和期末成绩比例为15%、20%和65%。实践证明，该考核方法取得了很好的效果。
六、结语
总之，对于《工程流体力学》课程教学内容改革的初步探索分析，可以促进教学观念的改变，按此目标授课，对教师提出了更高的要求。同时，还可以促进教材建设、实验室建设及其仪器设备的更新，提高学生的动手能力及科研能力，从而实现“学有所用”，“教学相长”。
高等教育教学改革，特别是专业基础课程体系及教学内容的改革，是一个系统和长期艰巨的实践过程，专业教师任重而道远。只要不断努力和探索实践，就可以开拓出一条符合各个专业需求的、更加富有成效的新途径，取得更好的教改成果。
本文受“2011年度上海市教委重点课程建设项目（沪教委高〔2011〕48号）”资助
[参考文献]
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关键词：计算流体力学；求解；基本原理；化学工程；应用
化学工程在我国具有较长的研究与应用历程，并在实际的生产与生活中取得到巨大的应用成效，不仅能够供给正常的生活需求，同时根据新材料的开发，能够满足现代型环保材料的使用。在化学工程中，较多的反映环境和反应机制都是在溶液中进行的，具有质量守恒和热量守恒定律的应用。而这种质量与能量的关系正是计算流体力学的主要原理。通过对实际应用环境和原理的分析，能够优化工程设计和工艺改进，提高化学工程的生产效率。
1计算流体力学在化学工程中的基本原理
计算流体力学简称CFD，是通过数值计算方法来求解化工中几何形状空间内的动量、热量、质量方程等流动主控方程，从而发现化工领域中各种流体的流动现象和规律，其主要以化学方程式中的动量守恒定律、能量守恒定律及质量守恒方程为基础。一般情况下，计算流体力学的数值计算方法主要包括数值差分法、数值有限元法及数值有限体积法，其也是一门多门学科交叉的科目，计算流体力学不仅要掌握流体力学的知识，也要掌握计算几何学和数值分析等学科知识，其涉及面广。针对计算流体力学的真实模拟，其主要目的是对流体流动进行预测，以获得流体流动的信息，从而有效控制化工领域中的流体流动。随着信息技术的发展，市场上也出现了计算流体力学软件，其具有对流场进行分析、计算、预测的功能，计算流体力学软件操作简单，界面直观形象，有利于化学工程师对流体进行准确的计算。
2计算流体力学砸你化学工程中的实际应用
2.1在搅拌中的应用分析
在搅拌的化学反应中，反映介质之间的流动性比较复杂，依据传统的计算形式根本无法解决，并在化学试剂在搅拌中存在不均匀扩散的特点，在湍流的形式中能量的分布状况也存在着空间特点。若是依据实验手段测得反映中物质、能量和质量的变化规律，其得出的结构往往存在较差时效性，实验骗差加大。通过对二维计算流体力学的应用，能够对搅拌中流体的形式进行模拟，并进行质量、能量等数据的验证。但是流体的变化，不仅与化学试剂的浓度、减半速度有关，还与时间、容器的形状等有着之间的联系，需要建立三维空间模拟形式进行计算流行力学。随着科学技术和研究水平的提高，在通过借助多普勒激光测速仪后，已经对三维计算形式有了较大的突破，这对于化工工程中原料的有效应用和工程成本的减低具有促进的作用，但是在三维计算流体力学中还存在一定的缺陷，需要在今后的研究中不断的完善。
2.2CFD在化学工程换热器中的应用分析
换热器是化学工程中主要的应用设备，通过管式等换热器、板式换热器、冷却塔和再沸器等的应用，能够有效的控制化学试剂在反应中的温度变化。其中根据换热器的形式不同，计算流体力学的方式也就不同。在管式换热器中主要是通过流体湍流速度的改变，增加换热速率的。在板式换热器中是通过加大流体的接触面积，提高换热效率的。而在冷却塔和再沸器中，热量交换的形式更为复杂，但是却群在重复性换热的特点，增加了换热的时间，提高了换热的效果。从总体上分析，计算流量力学中，需要对温度变化、流体的速度变化、热交换面积变化和时间变化进行分析。通过CFD计算流体力学的应用，能够计算出不同设备的热交换效果，并根据生产的实际需求进行换热器的选择使用。
2.3在精馏塔中的应用
CFD已成为研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具,通过CFD模拟可获得塔内气液两相微观的流动状况。在板式塔板上的气液传质方面,Vi-tankar等应用低雷诺数的k-ε模型对鼓泡塔反应器的持液量和速度分布进行了模拟,在塔气相负荷、塔径、塔高和气液系统的参数大范围变化的情况下,模拟结果和现实的数据能够较好的吻合。Vivek等以欧拉-欧拉方法为基础,充分考虑了塔壁对塔内流体的影响,用CFD商用软件FLUENT模拟计算了矩形鼓泡塔内气液相的分散性能,以及气泡数量、大小和气相速度之间的关系,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一种用塔内典型微型单元(REU)的流体力学性质来预测整塔的流体力学性质的方法,对每一个单元用FLUENT进行了模拟计算,发现塔内的主要能量损失来自于填料内的流体喷溅和流体与塔壁之间的碰撞,且用此方法预测了整塔的压降。Larachi等发现流体在REU的能量损失(包括流体在填料层与层之间碰撞、与填料壁的碰撞引起的能量损失等)以及流体返混现象是影响填料效率的主要因素,而它们都和填料的几何性质相关,因此用CFD模拟计算了单相流在几种形状不同的填料中流动产生的压降,为改进填料提供了理论依据。CFD模拟精馏塔内流体流动也存在一些不足,如CFD模拟规整填料塔内流体流动的结果与实验值还有一定的偏差。这是由于对于许多问题所应用的数学模型还不够精确,还需要加强流体力学的理论分析和实验研究。
2.4CFD在化学反应工程中的应用研究
在化学反应工程中，反应物和生成物的化学反应速率与反应器、温度和压力等有着较大的联系，在实际的反应中可以利用计算流体力学进行数据的获取。但是这数据的获取具有一定的温度限制，当反应中温度过大，就会造成分子的剧烈运动，其运动轨迹的变化规律就会异常，在利用计算流体力学的模型计算中，计算数据与实际情况会发生较大的偏差。由于高温中分子的运动轨迹和运动速度难以获取，在计算流体力学的实际计算中，就要借助FLUENT进行三维建型，并利用测速反应器进行速度的测量，通过综合的比较分析，利用限元法进行数据的计算。可以得出不同环境下的反应器的流线、反应器内部的浓度梯度及温度梯度。通过CFD软件预测反应器的速度、温度及压力场，可以更进一步理解化学反应工程中的聚合过程，详细、准确的数据可以优化化学反应中的操作参数。
3结束语
计算流体力学对于化学工程的应用具有实际意义，并在经济效益的提高上具有重要的价值，在近几年，化学工程技术人员不断的计算流体力学中展开研究，以二维空间计算和模拟为基础，不断的完善三维空间的流量计算，并得出了一系列的流体流动规律。根据计算流体力学在化学工程中的广泛应用，在今后的化学工程发展中，应加强此类学科的教学与延伸，提供出更有效的反应设备和工艺操作。
参考文献
[1]余金伟,冯晓锋.计算流体力学发展综述[J].现代制造技术与装备,2013(06).
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Abstract: Engineering fluid mechanics course is an important professional basic course for petro related majors with a strong in theory, logic and applicability which provides a broad space for developing students' innovation thinking and creativity. In the course teaching, the innovation thinking teaching is promoted and many teaching methods such as inquiry learning, self discussion learning, problem environment learning, topic study type and comprehensive practice type are adopted to cultivate students' innovation thinking and plays an important role for training students' innovation thinking ability.
关键词：工程流体力学；创新教育；创新思维；教学法
Key words: engineering fluid mechanics; innovation education; innovation thinking; didactics
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0208-02
0 引言
钻井、采油工艺、炼油设备、油品储存和运输，都离不开管、罐、泵的设计与使用，这就涉及到流体力学的许多方面，诸如分析流体在管道内的流体规律，压力、阻力、流速和输量的关系，据以设计管径，校核管材强度，布置管线以及选择泵的大小和类型，设计泵的安装位置等；我们也需要用流体力学原理分析校核油罐或其他储液容器的结构强度；估计容器、油罐车、油罐的装卸时间；解释有关气蚀、水击等现象；以及了解计量用的水力仪表的原理等。有时还会遇到输送“三高”原油、增粘或降粘剂以及某些化工产品，这就涉及到非牛顿流体的力学原理。所有这些，都要求从事石油工艺技术的科学工作者必须具备工程流体力学的知识，以便在工程的建设和管理中，更好地发挥作用。因此，如何能使“工程流体力学”的基础理论知识及实际工程应用被学生更好地掌握，是授课教师面临的问题。
1 在“工程流体力学”课程中推行创新思维教学法的必要性
“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不歇动力。”时代呼唤创新性人才，而创新型人才的关键在于创新教育。创新教育是指以创新人才的培养为核心，以创新思维的激发为实施手段，以培养学生的创新意识、创新精神和创新能力，促进学生全面发展为主要特点的素质教育。
思维是人类区别于其他动物的本质特征，但若是仅有普通的感性认识和感性思维，人类就不可能取得如此绚烂多彩的发明创造。可以说，人类社会方方面面的发展进步，无不是人类创新思维的结果，无不是人类智慧的结晶。所谓创新思维就是超越固有的常态思维模式，多角度、多侧面地思考事物的特性，并通过各种实践活动积极发现问题，在发现中科学思考问题，使感性认识上升到理性认识，然后又在理性认识指导下开展活动、发现和思考。这种形式循环往复，使认识不断深化，创新意识、创新思维在活动、发现、思考中不断形成，创新成果不断涌现。
“工程流体力学”课程属于力学的一个分支。它研究流体的平衡和运动的基本规律，以及流体与固体的互相作用的力学特点，用以分析解决工程设计和使用的实际问题，是一门既有丰富理论知识，又包含大量实践经验的课程，所以在“工程流体力学”教学中推行“创新思维教学法”是本课程自身特点决定的，是本课程教学要求的需要，是新时期我国培养高素质石油工程人才的需要。
2 在“工程流体力学”课程中推行创新思维教学法的主要做法
在课程教学中，我们灵活采用了探究发现式、自学研讨式、问题情景式、综合实践式等各种教学法，以培养学生的创新思维意识，训练学生创新思维能力。
2.1 探究发现式教学 现代教育理论认为，教师的职责主要不是在于“教”，而在于指导学生“学”；不能满足于学生“学会”，更要引导学生“会学”；对学生不只是传授知识，而更重要的是激活思维，变“教”为“导”，要启发学生善于学习，勤于思考，勇于创新。由于学生的思维尚处于不成熟向成熟发展的阶段，所以教师有促进学生发展的责任，特别是促进学生积极进取、勇于探索、有所创新的发展。创新教育强调的是“发现”知识的过程，而不是简单地获取结果，强调的是创造性解决问题的方法和形成探究的精神。如对于应用型的内容，包括孔口出流及管嘴出流、有压管道流动、明渠流动问题。为了帮助学生既加深对基本概念、基本理论的理解，又能掌握解决实际问题的能力，教师应选取具有工程实际背景的典型例题作为研究内容，充分调动学生的学习积极性，引导学生通过查阅资料、课堂集体讨论等形式解决问题，并找出最合理的解答。又比如圆管层流的研究不外乎采用两种方法，一种是分布参数法，以N-S方程为基础，求其偏微分方程组的特解；另一种是集中参数法，以受力平衡法来讨论。对这两种方法来说若研究的圆管放置的位置不同，又可分为任意倾斜放置及水平放置。这样一来，实际采用的研究方法就有四种。一种为N-S方程，管道倾斜放置；二种为N-S方程，管道水平放置；三种为力平衡方程，管道倾斜放置；四种为力平衡方程，管道水平放置。让学生自己分析比较各种不同方法特征，让学生自己去探究发现不同方法的特点、规律，进而才能有全面正确深刻的理解。
2.2 自学研讨式教学法 为发挥学生的主体作用和培养学生的自主创新学习精神，我们根据课程不同教学内容的特点和要求，在适当时机安排学生自主学习，开展研讨，并在自学研讨中，注重引导学生把抽象思维训练与形象思维训练、发散思维训练与收敛思维训练、逆向思维训练与正确思维训练与正向思维等有机结合起来，从而达到创新思维训练的目的。同时，我们在课程教授的各个环节，还注重构建多维互动的创新性课程教学模式，把接受性、主动性、活动性、问题探究性等自主创新性教学模式有机结合，改变过去教师独占课堂、学生被动接受的单一教学信息传递方式，促使师生间、学生间的多向和谐互动，达到互相学习、教学相长、共同进步的目的。
在安排自学过程中，教师要注意避免学员出现“自学不学，学而不思，思而不动”等现象，有效的措施之一就是采用“任务驱动法”，即在安排自学内容时，同时给学生布置任务，用完成这个任务作为动力，让学生在完成任务的过程中达到自主学习和掌握知识的目的。比如，在讲授堰流时，宽顶堰溢流、薄壁堰溢流和实用堰溢流它们的流量计算公式都是相同的，只是公式中不同情况下的流量系数不同而已。在讲授粘性流体运动微分方程、紊流速度分布公式等内容时，只需要从物理概念上作简要说明即可，这样处理让学生有了更多的独立思考和自学的机会。
2.3 问题情景式教学法 创新教学方法，就是要改变过去的传统教法，努力创造设问题的情景与和谐宽松的学习氛围，培养学生的创新意识和能力，训练学生的创造思维，使学生通过生疑、质疑、解疑等活动提高发现、分析和解决问题的能力，充分挖掘学生的创造潜能。“学起于思，思起于疑”，疑则诱发探索，从而发现真理。为此，我们特别注重教学活动策略的选择和运用，充分借助各种教学手段，巧设问题情景，把情景创设策略、多向互动策略与问题策略结合运用，综合发挥教学策略的整体效应，促使学生主动思考探究、质疑问难、自我归纳辨析习惯的养成，达到学生能力培养、发展思维的目的。比如，在讲流体表面张力特性时，向学生提问“旧常生活中我们可以看到什么现象能表明流体的表面张力特性？”此时学生都会非常积极的思考，随后向大家举例,比如说我们常常看到的水滴悬挂在水龙头出口处，水银在平滑表面上成球形滚动等现象。通过这样的提问与回答，可以把学生的注意力完全集中在你所讲述的内容上，充分调动起学生学习的积极性。在说明课程所要掌握和了解的内容时，先提出许多与实际密切相关的问题，诸如：在讲解水坝的闸门会承受多大的力，高尔夫球表面为什么要做成凹凸不平的，暖气管道应如何设计，等等。通过这些问题的提出,学生可以知道学习这门课以后，能够运用所学的相关知识解决哪些实际问题，学生带着问题学习，就不会盲目地学，并且在学过相关章节后，教师再次提出问题并给予答案或让学生自己解答，从而不仅增强了学生解决问题的能力，同时也大力激发了学生学习这门课程的兴趣。在这门课程的一开始，学生学习的主动性与积极性就被充分调动起来了。
2.4 课题研究式教学法 现代认知心理学把知识分为陈述性知识和程序性知识。陈述性知识如食物的名称、概念、事实等，通过教师讲解可以掌握或记忆；程序性知识主要涉及原理、规则、定律等的理解与应用以及解决问题的技能、方法与策略的形成、情感体验等，这类知识不能单凭传授，还要求学生通过自主研究探索、亲身体验等具体活动才能内化和占有。“工程流体力学”中既有经典成熟的理论知识、技术方法，又有许多需要进一步完善发展、深入探寻研究的地方，尤其适宜于在教学中针对性开展专题研究，以培养学生的创新思维和创造能力。比如，在讲授“水力摩阻”时，针对钢质管线水力摩阻较大的特点，开展“水力减阻技术”研究；在讲授“压力管路水力计算及工艺设计”有关内容时，针对其涉及大量公式、过程复杂、手工计算效率低、误差大等情况，让学生编制“工艺计算软件”，等等。此外，我们在课程综合设计中，改变了过去一年同一题目，人人同一题目的传统做法，而根据不同学生的特点、特长，并结合专业发展前沿，设置多个题目，让学生自由选择，自由组合，采取“分层互促、小组合作”的形式，促使学生自己动手、自主创新、团结合作精神的培养和训练。
2.5 综合实践式教学法 如何让学生牢固并灵活、创造性地运用所学知识，我们认为仅凭课堂教学、课程设计、实验室演示等传统教学模式和方法远远不够。例如：在讲授描述流体运动的两种方法――拉格朗日法和欧拉法时，可以带学生到公园划船，在船上讲清拉格朗日法； 到水文站，在水文站上讲清欧拉法。在讲动量方程的应用时可以到有关的水文站或水泵站现场，实测镇墩的受力，与理论计算作比较。在计算曲面的静水压力的竖向分力时，需要建立压力体概念，而在有些复杂情况下，如何画出压力体，以及如何判断压力体的虚实比较困难，这就需要借助于光盘，利用电教中心的多媒体教室作动态的演示。
3 结语
《工程流体力学》课程是面向工程应用人才的课程，所以教学核心始终是学生知识应用能力的养成。为此，在课程教学中，我们始终坚持推行创新思维教学法，注重开发学生的创造力，引导学生对理论、公式等进行质疑研究、探索研究，把学生创新能力的培养融于课程教学的各个环节；应用创新教育先进的理念和思想，转变教育观、学习观、人才观，始终把培养学生创新情感、创新心理、创新个性，训练学生的问题意识、创新思维、创新技法放在首位。
参考文献：
[1]李著信.创造力开发与培养[M].第二版.北京：科学技术文献出版社，2003.
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关键词 工程力学 环境科学 综合应用
中图分类号：X-019 文献标识码：A
1 工程力学与环境科学的学科交叉理论
工程力学是20世纪50年代末出现的。首先提出这一名称并对这个学科做了开创性工作的是中国学者钱学森。
在20世纪50年代，出现了一些极端条件下的工程技术问题，所涉及的温度高达几千度到几百万度，压力达几万到几百万大气压，应变率达百万分之一～亿分之一秒等。在这样的条件下，介质和材料的性质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作，需要用微观分析的方法阐明介质和材料的性质；在一些力学问题中，出现了特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况，因而必须从微观结构分析入手处理宏观问题；出现一些远离平衡态的力学问题，必须从微观分析出发，以求了解耗散过程的高阶项；由于对新材料的需求以及大批新型材料的出现，要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。在这样的背景条件下，促使了工程力学的建立。工程力学之所以出现，一方面是迫切要求能有一种有效地手段，预知介质和材料在极端条件下的性质及其随状态参量变化的规律；另一方面是近代科学的发展，特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展，物质的微观结构及其运动规律已经比较清楚，为从微观状态推算出宏观特性提供了基础和可能。
总的来说，工程力学具有现代工程与理论相结合的特点，有很大的知识面和灵活性，对国家现代化建设具有重大意义。
2工程力学理论在环境科学中的发展
2.1环境与力学的学科特点
工程力学虽然还处在萌芽阶段，很不成熟，而且继承有关老学科的地方较多，但作为力学的一个新分支，确有一些独具的特点。工程力学着重于分析问题的机理，并借助建立理论模型来解决具体问题。只有在进行机理分析而感到资料不够时，才求助于新的实验。
工程力学注重从微观到宏观，以往的技术科学和绝大多数的基础科学，都是或从宏观到宏观，或从宏观到微观，或从微观到微观，而工程力学则建立在近代物理和近代化学成就之上，运用这些成就，建立起物质宏观性质的微观理论，这也是工程力学建立的主导思想和根本目的。
虽然工程力学引用了近代物理和近代化学的许多结果，但它并不完全是统计物理或者物理化学的一个分支，因为无论是近代物理还是近代化学，都不能完全解决工程技术里所提出的各种具体问题。工程力学所面临的问题往往要比基础学科里所提出的问题复杂得多，它不能单靠简单的推演方法或者只借助于某一单一学科的成就，而必须尽可能结合实验和运用多学科的成果。
2.2研究内容和方向
工程力学主要研究平衡现象，如气体、液体、固体的状态方程，各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题，工程力学主要借助统计力学的方法。
工程力学的研究工作，目前主要集中三个方面：高温气体性质，研究气体在高温下的热力学平衡性质（包括状态方程）、输运性质、辐射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象；稠密流体性质，主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质（包括状态方程）、输运性质以及相变行为等；固体材料性质，利用微观理论研究材料的弹性、塑性、强度以及本构关系等。
工程力学研究方向主要有：非线性力学与工程、工程稳定性分析及控制技术、应力与变形测量理论和破坏检测技术、数值分析方法与工程应用、工程材料物理力学性质、工程动力学与爆破。
3工程力学理论在环境科学中的应用
3.1材料力学与环境
材料力学在生活中的应用十分广泛。大到机械中的各种机器，建筑中的各个结构，小到生活中的塑料食品包装，很小的日用品。各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作，所以材料力学就显得尤为重要。
利用材料力学中卸载与在加载规律得出冷作硬化现象，工程中常利用其原理以提高材料的承载能力，例如建筑用的钢筋与起重的链条，但冷作硬化使材料变硬、变脆，是加工发生困难，且易产生裂纹，这时应采用退火处理，部分或全部地材料的冷作硬化效应。
3.2固体力学与环境
自然界中存在着大至天体，小至粒子的固态物体和各种固体力学问题。人所共知的山崩地裂、沧海桑田都与固体力学有关。现代工程中，无论是飞行器、船舶、坦克，还是房屋、桥梁、水坝、原子反应堆以及日用家具，其结构设计都应用了固体力学的原理。
固体力学研究的内容既有弹性问题，又有塑性问题；既有线性问题，又有非线性问题。在固体力学的早期研究中，一般多假设物体是均匀连续介质，但近年来发展起来的复合材料力学和断裂力学扩大了研究范围，它们分别研究非均匀连续体和含有裂纹的非连续体。
固体力学的研究对象按照物体形状可分为杆件、板壳、空间体、薄壁杆件四类。薄壁杆件是指长宽厚尺寸都不是同量级的固体物件。在飞行器、船舶和建筑等工程结构中都广泛采用了薄壁杆件。
3.3流体力学与环境
流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定理和质量守恒定理，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识。
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化学的学科发展，可以提到许多方面，如飞秒化学。化学向生物学和医学、材料设计、能源、大气和环境化学、国家安全与个人安全等领域的拓展等。在本文中，要着重说的是：化学与化学工程的重新融合。
20世纪初，化学工程从应用化学中脱胎而出，经历了单元操作和三传一反，形成了化学工程学，从以经验为主过渡到有一定预测功能的较完整的理论，从而导致化学与化学工程的分离。这种情况在20世纪90年生了变化，基础化学研究与化学工程之间发生了空前的交叠和渗透。化学家越来越多地介入复杂系统的构造、分析和使用中，这些自然而然与工程学中的系统方法有关。化学工程师正日益进入越来越多的化学基础领域，在一些情况下甚至处于领导地位。在2003年美国出版的《超越分子前沿――化学与化学工程面临的挑战》一书中，开始使用化学科学来代表所有化学家和化学工程师的工作范围。
化学是一个多尺度的科学。微观尺度是从电子和原子核到分子，例如分子设计。宏观尺度，例如实验室合成、生产装置、化学和物理操作、产品包装和运输。现在大家更关注介观尺度。从化学方面来说，人们关注超越分子的层次，进入超分子、分子集团、大分子、活性中心、器件的作用域，可以说从微观跨越到介观以至宏观层次。从化学工程来说。人们也不再满足于宏观的三传一反，而是逐步深入到颗粒、液滴、气泡、微孔、界面等介观行为，并对微观的机理也表现了浓厚的兴趣。化学由底向上，化学工程由顶向下，在介观层次相遇，互相借鉴，对于化学科学及其理论的发展，形成了巨大的推动。
二、介观尺度的研究
通常化学以量子力学或量子化学为理论基础，用以研究物质的微观结构、化学键和对称等，现在正逐步重视随时间发展的动态演变。在唯象地说明宏观现象时，则应用热力学。进入介观层次后，要采用平衡态和非平衡态的统计力学，后者需要综合应用流体力学的原理。
化学工程通常以流体力学和热力学为理论基础，特别重视湍流理论、多相流和不可逆过程的热力学。计算流体力学有很大的发展。在研究湍流的强相关机理以及涉及介观层次时，统计力学原理起着重要的作用。而在为特征参数找出规律时，则需要量子力学的帮助。
化学科学理论的发展，进入到综合运用量子力学、统计力学、热力学和流体力学的时代，目标是解决多尺度时空结构与宏观平衡和速率的关系。
进行多尺度时空结构研究，有两个重要方面：一是由下向上的预测。从分子结构逐级预测介观层次的各种结构及其随时间的演变，并进而预测宏观层次的结构、反应和分离的特性，以至在反应器和分离装置中的行为，目标是形成无缝的从微观到宏观的链接。要做到这一点，先要搞清楚各个相邻层次的时空结构是如何相互关联的。研究这种关联，首先要有实验的观察，总结经验的规律，然后是理论的建立和推导，作为过渡步骤，也常常是采用模型的半经验方法。二是由上向下的控制。用宏观的手段，逐级控制各级时空结构的形成。这两个方面有着紧密的联系，有相辅相成的关系。
三、对化学教学的启示
为了适应不断变化的新形势，化学教学要做好以下几点：
第一要打好基础。最重要的是，对于本学科的框架结构，通过教学，应使学生有一个系统的完整的初步认识。新的现象、规律和方法不断出现，要善于在学科的框架结构中找到它的位置。
对于物理化学，我们认识到的学科框架包括：
两大类研究对象：平衡和速率。
三个层次：宏观层次，由微观到宏观的过渡层次，微观层次。
两个方面：普遍规律和物质特性。两者结合，可以解决实际问题。
三种方法：研究物质特性，有实验方法、半经验方法和理论方法。从理论上研究物质特性，将进入下一个更深的层次。
例如生物膜中的促进传递和耦合传递。属于宏观层次的速率过程，具体来说是界面中的速率过程。对于普遍规律，要学教材中“传递过程”的内容(当然还有些特殊的地方)。为得到某一个生物膜的传递特性，要采用实验测定，或半经验方法。而要从理论上得到这种特性，必须应用统计力学。
又如耗散颗粒动态学DPD，它是一种介观层次的模拟，实质上它就是分子动态学模拟MD，属于从微观到宏观的过渡层次的普遍规律范畴。特殊之处是应用了粗粒化，引入更低的介观层次，相应还采用了耗散力和随机力。
第二要强调开放。框架是开放的，可以不断更新和充实。内容是开放的，可以经常介绍新的进展。
对于如此丰富的介观层次，上述框架的精神依旧。微观和宏观之间，可以加入各种由低到高的介观层次之间的过渡层次。研究某一介观层次的特性，仍然有实验、半经验、理论这三种方法。理论方法主要采用平衡态和非平衡态的统计力学，相应进入了下一个层次，即从更低的介观层次到该介观层次的过渡层次。
第三要善用类比。类比永远不会完美，却几乎常常有用。物理学是一个由于类比而兴旺的领域，例如，基于借自超导的概念，我们可以至少部分理解超流的氦。物理化学中类比于由理想气体到实际气体，在研究混合物时，我们由理想混合物到实际混合物。
上面提到的耦合传递，可以和耦合反应进行类比。又如密度泛函理论DFT，则是以密度分布p(r)代替传统的位能函数ε(r)为基本变量构筑泛函。变分原理则等价于最概然分布原理或熵最大原理。
当前的薄弱环节是：从微观到宏观的过渡层次；传递速率；进展。
要加强教学资源建设，包括教材、系列参考书、电子教材、网站建设等。
四、教学方法
