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流体力学的现象范文1
[论文摘要]结合学习主体所处的时代环境变化和流体力学知识体系的学科跨度大以及对数学基础知识要求很高的特点,分析了流体力学教学中存在的问题和难点,提出大量采用实验模型和实例教学以加强流体流动现象的观察理解对提高流体力学教学效果的必要性和重要性。
前言
流体无固定形状,即使受到的剪切力再小,只要持续存在,其变形便会随时间持续增大,不像固体那样,一定的受力只能产生一定的变形。流体力学的基本理论非常严密,描述流体流动现象的数学方程非常复杂,高度非线性[1],因此学生对流体力学敬而远之的现象比较严重。此外由于因特网及电子计算机的普及,各种虚拟现象泛滥,在这样的环境下成长的学生接触和感受实际发生的各种流体流动现象的机会大大减少,对自然现象的观察和理解能力很弱。很多学生在接受流体力学教育之前所受的应试教育的影响下[2],学习只是为了在短时间内对给出的试题做出接近正解的答案获得高分,这种教育具有多大的意义,近年来许多学者从教育学的角度提出了疑问[2]。只有直面实际的流体流动现象,抓住问题的本质,才能诞生真正的学问和研究。笔者基于对本科和研究生的流体学教学中存在的难点和问题,指出了重视流体流动现象的观察和理解对提高流体力学的教学效果的必要性和重要性。
一、流体力学教学面临的问题
(一)新形势下学生所处的社会环境变化
学生从小利用电脑打电子游戏的玩耍时间和机会大大超过了自己亲自动手制作道具及模型的体感玩耍时间,通过体感玩耍接触和观察自然现象的机会大大减少。
因特网的普及使得在短时间内获得大量的信息或实时获得信息成为可能,近年来出现学生过度依赖因特网的倾向,疏远了纸质图书及相关文献这些知识比较系统逻辑性也有保证的传统信息载体。但因特网上除了正确的信息外,还有很多不准确甚至错误的信息,即使是正确的信息,各信息段之间也缺乏系统性,因此学生仅通过因特网难以建立系统的知识体系的。
手机在学生中的普及也使得学生们在实际问题时,不是自己独立分析问题,找出问题发生的原因,而是直接利用手机询问他人求得答案,这样很难培养独立制定计划,对可能事态进行预测,独立进行解决问题的能力。这恰恰是对一个未来走向社会成为一个优秀的技术人员的必经的磨砺之道。
(二)流体力学教学面临的问题
流体流动的力学模型及其运动的物理意义难以理解[3]。流体粘性产生的模型与牛顿粘性定律之间的对应关系就是最好的一个例证。大多数学生虽然能够使用牛顿粘性定律进行计算,但对运动的流体为何会产生粘性却不能正确的理解。的确,对于涉及到流体力学的某些技术或产品设计,只要懂得一定的计算即可,但是对于开发和设计全新的产品,如不能准确把握所涉及到的相关流体流动的物理本质,有时会产生完全错误的设计结果。
流体的运动状态繁多,流体力学融合领域广,要求学生掌握更多的学科预备知识,尤其对数学知识的要求更高,使部分学生觉得流体力学是难以接近的一门课。同一流动现象常常可以从多个角度进行解释,容易使学生产生混乱。比如对翼型的流体力学工作原理,可以从流体流动的动量变化、伯努利方程、压力积分、流线的曲率变化等几个方面进行解释,解释方法之多反而会使学生产生混乱,但每一种解释方法都是正确的,解释的都是一个本质,只有完全理解各种解释方法所依据的理论,才可以解除认识上的混乱,将学到的知识条理化、系统化。
描述流体流动的数学方程高度非线性化,数学上求解比较困难。描述流体流动的纳维斯方程和能量方程是否可以求解以及数学解的唯一性的证明需要微分方程、偏微分方程、多元积分等很深的数学功底,但近年来学生的数学和力学基础存在下降的趋势。
学生在进入大学前所接受的应试教育的影响很大,以考试成绩自评学习效果的认识根深蒂固[4]。实际的流体流动现象往往没有单纯的标准答案,有时甚至存在多个解,重要的是抓住流动现象的物理本质,系统的理解流体力学的基本原理。
二、教学方法对应
解决上述问题的根本方法,笔者认为只有从流体力学教学上,直面涉及流体的各种现象,使学生准确的把握物理本质。为此在流体力学课堂上,广泛采用流体模型教学和实例教学,增加学生观察理解各种流动现象的机会,唤起他们对本门课的兴趣的同时,让他们形成为探究流动现象背后的物理本质进行思考的习惯,这对解决流体力学教学所面临的问题至关重要。
使用电吹风斜向上吹一个让学生事先准备好的气球模型,没经验的学生会意外的发现气球会向斜上方飘起。这一流体流动现象可从风从气球上部通过时,由于气球表面的影响风的流向会产生变化,也就是流线产生弯曲,根据风的动量变化必然产生使得气球浮起的升力得到解释,还可以从物体绕流边界层效应得到解释。从这一简单的模型教学,还可以解释飞机的机翼通过改变空气的流向进而获得升力的流体力学上的工作原理。
在一个装满水的塑料瓶内分别放入密度大于水和小于水的钢球和泡沫小球,然后放在一个可移动桌面上,使桌面等直线加速运动,可发现钢球运动较慢留在瓶底,而泡沫球运动较快停在瓶嘴附近。观察这一个现象引导学生:泡沫球运动得较快是因为等加速运动瓶内流体的静压在运动方向上递减形成压力梯度,小球的前进方向的压力大于等加速运动产生的惯性力,因此小球相对于塑料瓶向前运动;而作用于钢球的前进方向的静压力虽然与泡沫小球相同,但惯性力大于前进方向的静压力,因此钢球相对于塑料瓶向后移动。这一模型教学比一般教科书上关于流体等加速直线运动流体的静压分布的例题更容易使学生抓住问题本质,且能培养学生独立思考之习惯,使学生体会到透过流体流动现象来正确观察和理解把握流体力学基本规律的乐趣。
经常使用立式洗衣机的人都知道,洗完衣服后,衣兜总要被翻过来,假如原来兜里装有硬币等硬物,也会被掏出来[5]。把这个实例在课堂上讲出后,学生们甚有兴趣,追问其中的奥秘,当教师根据伯努利定律做出解释并介绍伯努利这位集物理学家、数学家、力学家及医学家于一身的瑞士的大科学家的基本情况后,学生们顿时对这位科学家充满了崇敬之情,通过大量这种实验模型及实例教学,学生们对学习流体力学这门课更有了兴趣和信心,教学效果的提高自不待言。
三、结语
本文详尽的分析了计算机、因特网、手机等现代化通讯工具普及后对学生产生的影响,由于流体力学课程知识体系的特点,这种影响产生的负面问题很多,尤其是教授成长在应试教育体制下走入大学的学生,更需要转换认识,改变教学观念,在课堂教学中广泛植入实验模型教学和实例教学,让学生直面实际存在的各种流体流动现象,通过实际的流体流动现象的观察和理解,达到生动及形象的把握这些流动现象背后的流体力学的基本定理,有效提升教学效果的同时,通过简单实验模型的制作还可提高学生的动手能力,这对学生走向社会成为一个具有创造性思维能力、独立思考的优秀技术人员也是一个必不可少的雏形磨砺。
[参考文献]
[1]黄卫星.工程流体力学[M].北京:化学工业出版社,2008.
[2]李丹,杨斯瑞.应试教育与创造性人才的培养[J].继续教育研究, 2009, 25(2): 180-185
[3]向文英,程光均.流体力学教学与实验创新[J].重庆大学学报(社会科学版),2003,18(4): 21-26.
流体力学的现象范文2
关键词 应用型大学 流体力学 教学改 革CFD
应用型教育是以培养知识和能力全面发展,面向生产实践一线的应用型人才为目标的高等教育。流体力学作为我校理论与应用力学专业的一门重要的专业基础课,非常广泛地应用在实际工程中,如管道水力计算以及城市管网设计等。流体力学基本概念多、公式复杂、内容抽象,有较强理论性和较强工程实际意义。然而作者在多年的流体力学教学过程中发现学生普遍感觉该课程比较枯燥难学,学习积极性不高,期末考试及格率较低,应用性不。因此,在我校向“应用型特色科技大学”转型的大背景下,如何适应“应用型本科教育”的要求,是流体力学教学及实践中必须面对的问题。
1目前,我校流体力学课程教学存在的问题
(1)教材内容设计偏重理论推导。目前我校使用的流体力学教材主要强调课程的完整性和系统性,偏重于理论推导,选用的例题和练习题的设计过于理想化,与实际应用相脱离,应用性设计不够突出,偏重于介绍流体力学可以解决工程问题这一点,造成学生刚接触工程问题时就手足无措,这与应用型大学的培养要求不相适应。
(2)课堂教学效果不好。作者在流体力学课堂教学中发现,通过绪论课的大量工程实例以及视频教学能调动学生学习的积极性,开学初期,教学效果相对较好,而随着课程的进行、课程难度的加深,学生的学习积极性越来越低。主要原因有:①学生对流体力学涉及的高等数学、理论力学等课程的知识掌握不尽如意;②流体力学理论性较强,公式推导多,与实际应用相脱节。
(3)缺乏计算流体力学仿真软件实践教学。计算流体力学(CFD)技术作为一种数值模拟方法,在实际工程中的应用越来越广泛,借助CFD技术,可以得到流动细节,如速度、压力、能量损失、湍动量、漩涡等,从而在产品结构设计和优化方面发挥重要的作用。这就要求技术人员掌握流体力学分析、数值模拟及优化设计的能力。而现阶段我校的流体力学教学中并未引入CFD技术,仅安排了一次课来介绍计算流体力学的内容,且完全进行理论教学,学生学了一大堆理论公式,但拿到实际工程问题却无从下手。
2教学目标和内容设计
针对上述问题,作者在结合本校“应用型特色科技大学”的发展方向下对流体力学课程课堂教学方式及实践环节进行改革。从课程教学内容,教学方式方法,实践环节等方面进行设计,解决学生学习兴趣低,课堂教学效果较差,理论与应用相脱离的问题。同时,通过借助CFD丰富教学内容,增强实用性,使学生会用仿真软件求解工程问题。具体改革内容:
2.1突出应用性教学
以培养应用型人才为教学目标,结合流体力学的课程特点,将教学内容分为基础理论教学部分和考虑应用的专题教学部分。
基础理论教学内容包括流体力学基本概念、基本原理和基本方程,这是应用的基础,要求学生重点掌握。授课过程中强调对基本概念的理解和基本理论的应用,而弱化对方程的数学推导,但应明确方程的意义、适用条件以及如何应用方程解决实际问题。专题教学以实际工程问题为切入点,例如以均质液体对平壁和曲壁的总压力为例,从为什么对平壁和曲壁总压力进行计算(压力容器,水坝,潜艇等结构安全),引申出相关知识点(平壁和曲壁总压力的大小、作用点、压力体等)和基本理论(流体静力学基本方程、欧拉平衡方程等),以此加强学生解决实际工程问题的能力。
2.2课堂教学方法设计具有针对性
课堂教学方法也是影响教学效果的重要因素。传统教学方法以教师主讲为主,缺乏与学生的有效互动和交流,教学效果较差。本课程采用师生互动的方式进行教学,对理论教学部分采用教师主讲和提问、学生回答的方式;对专题教学的课后练习,集中安排一次课进行分组上讲台汇报,学生自己当评委,自己打分,锻炼学生主动思考和动手能力,增强对课程应用性的理解。同时,采用多媒体授课,图片和视频能形象直观地表现文字和语言不能描述的现象,如雷诺实验、卡门涡街等。在成绩的构成上除课后作业和专题汇报外,还布置一个课外小任务一观察生活中的流体力学,例如空调挂机安装位置问题,让学生发现生活中的流体力学现象,并结合课堂所学理论知识进行分析,增强学生发现问题、解决问题的能力。
2.3将CFD技术引入课堂教学
在理论教学和专题教学完成后将CFD技术应用于教学之中,做到数值仿真计算与理论推导相结合,增强流体力学的应用性。
(1)授课时对流体力学商用数值仿真软件Fluent的操作步骤做简要介绍,结合我校的数值仿真中心,完成代表性例题的数值分析计算,将数值仿真结果与理论解进行对比。
(2)将工程实际问题引入流体力学教学,提高学生面对具体问题的实际操作能力。每学期邀请两位具有丰富工程实际问题经验的校外人员来校给学生做一次报告,向学生介绍其建立工程问题的简化模型和简化过程,以及采用Fluent求解过程和结果,让学生学会面对工程问题时准确建立力学模型的能力,同时开阔学生的视野,提高学习积极性。
3主要特色
(1)突出实用性。在流体力学课程教育中调整教学内容,添加CFD技术的实践,同时邀请经验丰富的校外人员进课堂,为学生讲解企业中的实际问题,教会学生学以致用,学生通过课程教学掌握该工具之后能更好地跟进企业工作并提高就业质量。(2)主次明确。强调实用性的同时,也不完全放弃对公式推导能力的教学,采取理论联与工程实际相结合的方式,在提高学习主动性的同时,增强对基础理论的认知。
流体力学的现象范文3
关键词:多媒体教学;工程流体力学;教学效果
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1673-291X(2010)03-0247-01
一、前言
随着计算机技术的普及和网络技术的迅速发展,多媒体教学已被高等院校广泛采用,并深受广大师生的欢迎。因此,利用多媒体教学手段开发学习资源,构建新的教学模式,达到最佳教学效果,成为国内外提高教学质量、改革教学方式的重要手段。
本文通过工程流体力学教学实践,探讨多媒体教学在授课过程中产生的效果。提出了在工程流体力学教学活动中将多媒体技术与传统教学手段相结合,活跃课堂气氛,提高学生学习的积极性和主动性。达到优化教学效果的目标。
二、传统教学模式的利与弊
传统教学模式历史悠久,教育理论成熟,已经积累了丰富的经验。在传统教学中,通过教师的形象、生动的讲述,学生易于接受,师生之间可以面对面地探讨疑难问题。对于工程流体力学而言,教学内容不可避免地会涉及到数学公式的推导,传统的板书教学方式即可以留给学生更多的思考时间,同时又可以加深学生对公式推导过程的理解,加强记忆。然而传统式教学主要依靠粉笔与黑板的教学条件,是以教师为主体的教学模式,从而大大降低了教学效率,也扼杀了学生个性的发挥和创意的产生。
三、多媒体教学的特点
多媒体教学以其鲜明的教学特点,丰富的教学内容,形象生动的教学情景,在教学过程中发挥了重要的作用:
第一,激发学习兴趣,有利于提高课堂效率。兴趣是学生获取知识、拓宽视野、丰富心理活动最主要的推动力。多媒体技术综合应用文字、图片、动画和视频等资料来进行教学活动,激发学生的学习兴趣,从根本上改变了传统教学模式的单调性。而且多媒体教学可以充分发挥学生听觉、视觉等器官对信息的接收,对学生的眼、耳等器官进行多重刺激,从而活跃学生的思维,增强学生记忆力,提高课堂效率。第二,直观、易懂,有利于提高教学质量。流体力学是从力学的观点出发,主要研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间的相互作用规律的科学,在日常生活和各种工程实际中具有广泛的应用领域,是动力工程和流体机械专业一门重要的专业基础课。与固体的运动规律相比,流体在运动过程中存在诸如激波、接触面间断、两相流体之间相互掺混等复杂现象。多媒体教学手段能够通过图片、动画和视频资料等直观、清晰地观看复杂的流动现象,使学生较容易地掌握相关内容,提高教学质量。第三,增加教学容量,节约空间和时间。工程流体力学研究内容较多,涉及范围较广,在有限的课时内传授给学生的信息量较大。传统教学中知识的传播主要靠教师的口授与黑板板书,在一定程度上限制了课堂信息的含量,多媒体教学充分地利用了电脑能够存贮大量信息的优势,授课的信息量明显增多,教学内容更加丰富,使学生在有限的时间内接收更多的知识,开阔了学生视野,增加课堂知识的容量,提高了教学的效率。
四、多媒体教学手段与传统教学方式相结合
多媒体教学的发展并不意味着摒弃一切传统的教学方法和手段,而是将多媒体教学与传统教学方式相结合,扬长避短,发挥各自的优势,更好地服务于教学工作。
工程流体力学教学内容主要包括两大部分,理论教学和流体力学实验教学。
工程流体力学理论教学部分包含大量流体力学的基本概念、基本方程和一些复杂的流动现象。例如在教学过程中,流体静力学基本方程的推导过程依然使用传统教学中的板书,这样既可以留给学生足够的思考时间,又可以加深学生对公式推导过程的理解,加强学生的记忆能力。而对于某些基本概念和特定的流动现象,可以通过多媒体教学手段,加深学生对基本概念和流动现象的理解。
流体力学实验是流体力学教学中的重要组成部分之一,贯穿于课程始终。现行流体力学教学实验多为验证性实验,实验方法单一,同时,还受实验老师较少、实验课时有限以及设备等多种因素的影响,学生选择的范围极小,在很大程度上制约了学生思考问题、分析问题、解决问题的能力,不能很好地达到流体力学实验教学的要求。然而引入多媒体教学手段以后,学生可以灵活地改变实验条件,演示各种实验现象。
参考文献:
流体力学的现象范文4
关键词:行业类高校;高等流体力学;电力特色
作者简介:张莉(1973-),女,河南商丘人,上海电力学院能源与机械工程学院,教授;李永光(1957-),男,湖南长沙人,上海电力学院科研处处长,教授。(上海 200090)
基金项目:本文系上海电力学院研究生学位课程建设项目(项目编号:YKJ-2012004)的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)04-0086-02
2007年,上海电力学院(以下简称“我校”)热能工程二级学科首次招生,“高等流体力学”首次开课,授课人数20余人,随后几年间授课人数逐年增长。2012年我校动力工程与工程热物理一级学科又增设了工程热物理、动力机械及工程两个二级学科,“高等流体力学”授课范围扩大的同时,授课人数也增加到60余人。但是鉴于我校研究生数量较少、研究生培养历史较短以及师资力量相对薄弱等方面的原因,课程教学的教材只能选用已有的教材。在组织教学内容的过程中发现,大多数教材普遍存在一些问题,如过于强调基本理论、对数学知识的要求偏高、工程应用方面涉猎很少,或者有些工程学科专业的相关研究生教材又往往缺乏理论深度,工程应用背景针对性强,有的强调高速气动、有的强调水动叶栅流动、有的强调涡动力学等等。鉴于此,作为行业类非重点高校,在“高等流体力学”课程的教学中有必要结合我校电力特色进行教学内容和教学模式的研究和探讨。
一、课程教材的调研
为了能更好地做好此次教学研究工作,课程组首先对高校相关研究生专业的“高等流体力学”教材进行了调研,分别对清华大学、西安交通大学、上海交通大学、浙江大学、东南大学、华中科技大学、华北电力大学、东北电力大学等国内若干所大学相关课程的教材及内容做了简单分析。
从调研情况看,所有高校都对流体力学的基本理论很重视,主要教学内容均包括了流动的基本概念和基本方程、流体运动学、势流理论、涡旋流动、理想流体流动、粘性流体流动等,目的是使研究生通过学习流体的运动规律,掌握研究流动的方法进而分析解决实际的工程流动问题。同时,各高校的教材和主要教学参考书还注重与自身学科研究方向的结合,课程的某些重点内容与培养方向相接轨,突出了自身的特色。通过调研发现,“高等流体力学”作为研究生学位课,其教学内容在注重理论基础的同时,还必须要与自身的相关学科研究方向相结合,在注重通用理论的基础上,形成自己的特色。
二、我校授课对象的情况分析
做好此次的教学研究工作,还必须对我校的授课对象有一个清楚的认识。目前,“高等流体力学”已列为本校工程热物理、热能工程、动力机械及工程三个二级学科的研究生学位课程。尽管上述三个二级学科涉及能源、动力、机械等宽广的工程领域,但结合我校的电力特色,这三个二级学科主要是为电力行业培养高级的专业人才,而在电力行业中流动现象多存在于流体机械、动力机械、换热设备、容器、管道等部件,因此,在教学内容上应在透彻讲解流体力学微分方程组的基础上,注重联系工程实际,偏重于讲解流体在上述部件中的流动以及与这些部件间的相互作用。
研究生生源的实际情况也是教学过程中需要考虑的因素。到目前为止,我校共招收6届研究生,通过向历届学生了解发现有以下情况存在:部分同学跨专业(如:数学专业、电力系统及其自动化专业、计算机与信息专业等)考入学校,本科阶段没有学习过“工程流体力学”课程;即使是研究生与本科专业背景相同的同学,他们也普遍认为”工程流体力学”较难,硕士入学考试时,大都不选考“工程流体力学”,这也使得他们可能在大三、甚至大二学完以后,再也没有系统地梳理过流体力学知识。由于各高校专业方向的侧重点不同,大部分同学对电力行业内的流体知识也不是特别了解;考入学校的学生多数为调剂生,入学成绩整体不高。这些情况都表明,我校硕士研究生入学时的流体力学知识基础相对比较薄弱,需要在授课过程中讲授深层次新知识的同时,及时地对基础知识进行回顾和提醒。
三、教学内容的组织
基于以上的调研和分析,课程组首先对教材进行了选取,对教学内容进行了组织。
1.教学目标的明确
“高等流体力学”是为工程热物理、热能工程以及动力机械与工程专业研究生设置的专业学位课程。根据专业人才培养的需要,结合长期本科教学的经验,确定了课程的教学目标:通过对流体力学的基本概念、基本方程、理想不可压缩流体的流动、粘性不可压缩流体的流动、层流边界层与紊流流动、理想可压缩流体等内容的学习,深化学生对流体力学基本内容的理解,提高学生的理论水平,为相关专业课程的学习、课题的研究及论文的撰写打好理论基础。
2.教材的选用
“高等流体力学”是动力工程及工程热物理学科的一门传统课程,有很多课程教材可供选用。通过调研比较,西安交通大学有关电力生产的学科研究方向与我校的研究方向比较吻合,其在“动力工程及工程热物理”一级学科中的学位课 “高等流体力学”选择了西安交通大学出版社出版、张鸣远等编著的《高等流体力学》一书作为教材,课程组通过对该书内容的分析,也一致认为张鸣远等编著的《高等流体力学》比较适合我校侧重于电力人才培养的需求,因此决定选用该书作为本校“高等流体力学”课程的教材。与此同时,将调研中搜寻到的各有特点的教材作为参考书目推荐给学生供他们参考使用。
3.教学内容的组织
在进行“高等流体力学”课程教学内容的组织时,结合我校研究生培养方案和学科建设,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学校其他研究生课程的关联性。课程内容的组织主要从以下几个方面考虑:
(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)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。
(3)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。
考虑以上几个方面,课程组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“粘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。
四、教学模式的探讨
学生的学习情况在不断地发生变化,这就需要教师不断根据实际情况,进行教学模式的探讨,充分调动学生学习的主动性和积极性,使他们在有限的学习时间中学习好内容繁多的“流体力学”。
1.教学方法
“高等流体力学”是一门基础课,基本概念和基础理论部分内容较多,涉及的公式推导也比较多,传统的“黑板板书”的教学手段对教学信息的处理和呈现都比较单一,造成学生对于传热学内容的理解和掌握有一定的难度。为此,课程组以教材为蓝本编制了电子课件,教学中采用板书与多媒体相结合的教学模式,突出传统板书中能够清晰讲解复杂理论推导的优点,充分利用多媒体教学信息量大、图像清晰生动的特点。经过一段时间的尝试,这种教学方法既达到了避免研究生在课堂上因长时间精力高度集中而产生疲劳的问题,又有利于他们理解并掌握复杂的流体力学基本理论的教学效果。
2.教学手段
尽管本课程以课堂讲授教学方式为主,但要避免“填鸭式”的讲授,要注重以启发式讲授为主的多种教学方法的综合应用,提高课堂教学的趣味性,以提高学生学习兴趣和主动性。课程组结合本科“工程流体力学”多年的教学经验,在教学过程中注意做到几个注重:注重物理概念与数学方法的有机结合,强调物理含义的数学表示以及数学内容的物理解释;既注意严格的理论推导,又注意叙述的深入浅出;注重教学思路,教学方法,在引进概念介绍方法时,突出解决问题的思维方法及推理要点;注重从与教材不同的角度或思路来讲述同一教材内容,以丰富学生思维和联想能力;注重引导学生围绕课程内容,发现问题、提出问题、解决问题,同时再结合课程组教师的科研积累,搜集并提炼出了大量与电力生产紧密关联的工程案例,通过案例的讨论和分析,增强学生学习理论知识的兴趣,提升课堂教学的互动效果,增强学生运用理论知识分析并解决工程实际问题的能力。
3.辅助教学
仅仅通过课堂上对教材的学习是远远不够的,还必须配套地做大量的习题,才能较好地使学生掌握具有理论性强、公式多、数理基础要求高的“高等流体力学”课程。考虑到我校研究生教学的特点,课程组根据教材的主要内容编写了典型习题集。习题集力图做到习题具有典型性,能够对应教学内容的各个知识点,学生通过习题的练习,能有效地掌握教材中的基本知识。此外,习题集中的习题也尽可能地结合电力生产中的流动问题,帮助学生对专业关联工程问题进行认识和思考,培养学生应用知识的能力。
4.课程考核
课程考核成绩应该能够较为客观地反映学生对课程的整体学习情况。为了全面地反映学生的全程学习过程和最终的学习效果,课程组经讨论明确了课程的总评成绩由平时成绩和期末考试成绩综合评定得出,平时成绩与期末考试成绩的分配比例是2∶8。平时成绩包含作业、考勤、课堂表现等几部分。期末考试采用笔试形式,考试试卷从建立的试卷库中随机抽取。
期末考试是课程考核的重头戏,为了提高学生的学习积极性,同时也为了增强教师的工作责任心,实行考、教分离是一个较好的督促办法。为此,2012年课程组根据课程的教学要求组织编写了试卷库。试卷库中的试题符合教学大纲的要求,内容丰富、形式多样、题型一致,试题表述清楚,要求明确,无偏题、怪题,难易得当,考核的知识点覆盖面宽,能考核学生掌握知识以及应用知识进行综合分析能力的情况。此次编写的试卷库共包含试卷6份,至少够三年使用,随着试卷库的使用,课程组还拟将对试卷库进行不断扩充。
五、结束语
“高等流体力学”的日常教学工作一个任重而道远,为了适应高等流体力学服务于日新月异的学科发展的需求,提高该学位课程的教学效果,更好地为本校研究生人才培养服务,课程组将把教学研究工作不断地持续进行下去,搜集最新最前沿的相关信息以补充教学内容,探讨教学模式以提高教学效果,及时对习题库和试卷题库进行更新。相信只要教师多花一点时间,多动一点脑筋,多找一些教育学生的切入点,因材施教,一定能取得好的教育效果。
参考文献:
[1]张鸣远.高等流体力学[M].西安:西安交通大学出版社,2006.
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流体力学的现象范文5
[关键词]流体力学 教学方法 生活常识
一、前言
《工程流体力学》是机械类各专业的一门重要技术基础课,该课程主要讲述流体力学的基本原理及其在工程中的应用。它是为学生后面专业课的学习的基础,对学生的要求较高,但由于该课程对学生的高等数学、大学物理、工程力学以及综合分析和处理问题的能力的要求较高,因此学生普遍反映是一门难学的课程。为了让学生较好地学习这门课程,任课应该做到以下几点。
二、方法
1.上好绪论课
绪论课不仅仅是指《工程流体力学》课程教学的开始,同时也应该是每一章的前言介绍。
在绪论课的教学上,教师应该把握以下三点:(1)树立学生学习该课程的信心。由于上新课的学生可能从各种渠道了解的流体力学是一门难学的课程,从而对该课程产生畏惧感,学生就会带着一种逃避心理去学习,仅仅接受课堂上的知识,而自己不去钻研思考,这样是学不好该课程的。教师要让学生感觉到,这门课程并不难学,其实我们在中学的时候已经接触到了其中的很多内容,只是现在表述发生了变化或者增添了新的内容,使该学科体系更加完善、合理;(2)教师需要激发学生的学习兴趣。兴趣是学习的最大动力,教师应该让学生直观形象地了解工程流体力学的广泛应用性以及内容的趣味性,将一些学生感兴趣的与日常生活或生产实际有关的例子介绍给学生;(3)突出课程的重要意义和实践价值。教师应在绪论课中做到精心组织策划,让学生了解该学科体系的研究对象和研究方法,让学生知道为什么要学习该课程,在今后的学习中应该用什么样的方法去学习。
在大多数的教材中,在每一章之前,都会有一段比较简短的文字介绍,告诉学生本章的知识点以及相应的学习方法,这是比较重要的一个部分,能够使学生站在一定的高度把握整章的内容,知道各知识体系之间的相互结构,但是学生在阅读的时候往往会忽略的,以至于学完课程之后,只能对简单的问题进行分析处理,遇到复杂的问题就不知道从哪个地方着手,因此需要教师在讲课时加以强调。
2.及时对所学内容进行总结
工程流体力学是以流体作为研究对象的,所涉及的概念比较多,容易让学生产生混淆。如果及时的对所学内容进行总结,就会加深学生对概念的理解和记忆。例如,流体力学中有几个比较重要概念,理想流体、定常流动、不可压缩、平面流动、无旋运动等等,在任何一本教材中,这些概念都不是同时出现的,学生可能会对某些概念产生遗忘,或者是知道概念,但不知道具体该如何去应用,因此在相关概念介绍完之后,可以建立如下的表1,使个概念的物理含义,数学表达式一目了然。由于目前流体力学教材大多按照由浅入深的原则编写,即先讲静力学后讲动力学;先讲一元流动后讲平面流动;先讲理想流体后讲粘性流体。各章的内容分得比较细,每一章都有许多公式和理论,各公式的得出也分别采取了不同的方法,给人以流体力学的理论模型和公式非常之多难于掌握的感觉。实际上,这些理论和公式大多是交叉重复的,因此对于教材中出现的流体静止的微分方程、理想流体的运动方程以及N-S方程也可以放在一起加以总结。
另外,在有些时候,学生学完了一章的内容,却不清楚这一章到底在研究一个什么问题,这就更需要教师在上课时进行总结。以文献[1]的第四章为例,在前面的及格小节中介绍了流体运动状态、紊流的分布状况等等,学生学完之后往往会产生疑惑:为什么要研究这些东西?其中哪些是重点?作为教师应该及时告诉学生,这一章研究的是如何计算粘性流体的流动损失,其中关键的是沿程阻力系数的计算,而沿程阻力系数与流体流动的状态有关,层流可以有定解,而紊流中影响沿程阻力系数的因素过多,大多数用半理论半试验的方法求解,前面的内容是为后面做铺垫的,主要讲述了研究流体的一种思路,这样学生才能够站在一定的高度去学习和思考。
表1 物理概念和表达式的对应关系表
3.将流体力学知识与中学知识和生活联系起来
学生在学习的时候,往往会把自己新学到的知识和原有知识进行联系,同时做出比较。教师应该掌握学生的学习心理,积极引导学生进行学习。例如在讲解伯努力方程时,为了加深学生对公式的记忆和理解,可以将方程两边同乘以mg,所得到的结果类似于中学所学到的机械能守衡,首先使学生了解到伯努力方程的实质是能量守衡;但是与机械能守衡相比多出来pm/ρ=pV一项,可以解释成因为流体的流动性,整个流体不是一个整体,流体之间还存在压力能的作用,让学生进一步理解的流体的流动性所产生的影响;最后可以使学生清楚地理解每一项的含义:位置水头、速度水头以及压力水头。同样的,在学习静止液体的压强分布是可以和中学的压强计算公式联系起来,学习动量方程的时候可以和中学的冲量定律联系起来等等。
流体力学的理论性较强,公式较多,学生的理解比较困难,也缺乏相应的学习兴趣,需要教师在讲课过程中不断和生活相联系。需要教师在课程的讲解过程中,多穿插一些实际生活中的现象,与课本中的理论结合起来讲,可大大提高学生的学习兴趣。例如,在讲流体的粘性时,可以让学生比较水的粘性和糖浆的粘性;在讲解流体流动的两种状态的时候,可以让学生回想轻轻打开水龙头时的现象:开始水流是一非常细的层流细流,随着水流下降,在重力加速度作用下,速度逐渐加快,水滴开始飘动,水流由层流转化为紊流;在在讲解因边界层分离而产生的压差阻力,可以谈谈现实中的克服压差阻力的方法,一是将物体表面做成流线型(如汽车),二是增大物体表面的粗糙度,增大紊流度(如垒球),从而推迟边界层的分离。
4.注重对学生学习方法的培养
“授人以鱼,不如授人以渔”。《工程流体力学》不同于其它力学,所用的研究方法――欧拉法――是学生首次遇到的,让学生掌握方法显得尤为重要。另外,由于课堂教学时间的限制,教师不可能把每一个问题都讲透彻,就需要学生自己课后去领悟。例如,在讲解水击的形成、音速以及激波的时候,为了满足定常的条件,都用到了相同的坐标建立方法和分析方法,教师在课程上只需要讲清楚一个问题,剩下的只需要强调几个物理现象之间的区别以及由此产生不同的结论就可以了,这样既提高了了学生学习学习方法的能力,又节约了课堂教学时间。同样的还有流体运动方程的推导、相似准则数表达式的推导等等。
三、结束语
综上所述,上好绪论课、及时对所学内容进行总结、将流体力学知识与中学知识和生活联系起来以及让学生注重对学习方法的学习是教师在讲授《工程流体力学》课程中需要注意的几个方面,这四个方面在实际讲课中并没有明显的界线,是相互联系的:上好绪论课是课程前的准备,及时对所学内容进行总结是课程后的复习,而将流体力学知识与中学知识和生活联系起来以及让学生注重对学习方法的学习是方法和手段。如何提高《工程流体力学》课程的教学水平是一个十分广泛而复杂的课题,以上只是笔者在教学改革中的一些体会和认识,其中许多问题尚需进一步探索和研究。
参考文献:
[1]莫乃榕. 工程流体力学[M].华中科技大学出版社,2000.
[2]高殿荣,吴晓明.工程流体力学[M].机械工业出版社,1999.
[3]W.F.休斯, J.A.布赖顿.流体动力学[M].科学出版社,2002.
[4]李文科.流体力学与流体机械课程教学改革与实践[J].安徽工业大学学报(社会科学版).
流体力学的现象范文6
根据流体力学课程的性质、特点,结合自身的工程实践经历和教学体会,文章从优化教材内容、提炼讲授方法、发挥传统教学模式优势、挖掘多媒体教学潜力、培养学生科研能力等方面,探讨了流体力学课程教学改革的具体措施和成效,提出了有益于学生理解流体力学重点内容的教学方法。此研究对改善流体力学课程的教学效果、探索大专业背景下的专业基础课教学模式有一定的参考意义。
关键词:流体力学; 教学改革; 实践教学; 创新能力
中图分类号:G420 文献标志码:A 文章编号:
10052909(2013)04004103
流体力学是关于流体机械运动规律及其应用的一门学科,是力学的一个分支。中国各高校的土木工程、流体机械、农林、石油化工等专业均开设了流体力学课程,它属于专业基础课。
该门课所涉及的基本原理和基础理论对专业课的学习、课程设计、毕业设计以至解决工程实际问题等起着非常重要的理论支撑作用和指导意义。尤其对于工科学生,他们毕业后大部分在生产一线从事技术管理工作,必须具备一定的专业基础、技术应用和现场协调能力。这就要求流体力学课程教学将理论知识与实践能力培养相结合,将课堂教学与实践教学相结合,不断改进教学方法,积极探索适应工科学生专业设置和就业主导方向的课程教学新模式。兰州交通大学在土木工程、环境工程、市政工程、建筑环境与设备工程、热能动力工程等专业均开设了流体力学课,在长期的教学实践中积累了一些该课程的教学体会。
一、优化教材内容,课堂讲解力求深入浅出
流体力学课程体系的主要内容包括基本理论和实验两大部分。由于流体力学学科的快速发展以及社会对各专业学生知识结构要求的不断变化,有些在用教材已不能满足教学要求。因此,教师在备课时要尽可能多地参阅质量高、实用性强的教材,力求对同一个问题进行多角度分析。教学中应将不同教材版本的不同提法告诉学生,让学生课后独立思考并提出自己的见解。在制定教学计划时,应该从课程内容的系统性和完整性出发,将教材原有章节顺序重新调整,便于学生对相关知识的理解。比如,在讲解流体运动学基础、动
力学基础时,先从粘性流体三维不可压缩流动的运动微分
方程(即N-S方程)入手,对实际流体的流动特征进行描述,学生就可获得流体动力学的基本轮廓,进而了解只要该方程中粘性力项为零就可得到理想流体运动微分方程。在此基础上,再令加速度项为零(即流体处于静止状态或相对平衡状态),就可得到流体平衡微分方程(即欧拉方程)。通过这一调整,省去了许多推导过程,而且也能让学生对流体质点运动的力学机制有更明晰的认识。
在课堂讲解上,教师要力求做到深入浅出。流体力学中的一些公式或方程的推导过程很繁杂,教师过多地罗列推导内容会导致学生的厌学情绪,甚至有些听不懂的干脆就放弃学习。比如,在讲解流体微团运动分析时,可以将多数学生儿时玩的“泥球沿坡面下滚”游戏作为例子来讲解,因为大部分学生有过这样的亲身体验,他们很容易理解泥球在滚动的同时将伴随变形和旋转,这样后面的推导就容易被学生接受了。在讲解管嘴出流时,可以学生每天接触的水龙头用水的例子。比如在12∶00-13∶00期间用水,12∶00时流出水龙头的水流速度很大,随着锅筒内水位的逐渐下降,到接近13∶00时用水,在同样的水龙头开度下,水龙头内的水流速度明显要比12∶00时的流速小,学生由此很容易理解有效作用水头与排水量的关系。
二、发挥传统教学模式的优势
传统教学模式即教师以讲解、板书的形式将知识传授给学生的一种教学方法。该方法在不同层次的教学活动中发挥了积极的作用。教师生动、形象的描述以及肢体语言能使学生有身临其境之感,这种教学模式有利于教师主导作用的发挥,教师可以根据课堂上学生的反应来适时调整讲解速度和思路,并以板书的形式突出重点和难点。流体力课程中有相当一部分内容是力学知识和数学知识的综合,只有通过严密推导或作图才能比较透彻地讲清其基本原理。比如连续性方程、能量方程、动量方程、(N-S)方程等是流体力学中的经典理论,也是难点所在。只有通过板书推导,学生才能理解其物理事实,明确其解决工程问题的一般思路和步骤。流体微团运动分析一节是运动学中的核心内容,许多学生很难理解流体微团能同时具有“平动、变形(线变形和角变形)、旋转”三种运动趋势。这就要求教师从介绍速度分解定理入手,通过理论推导和对流体微团运动变形的图示两种方法来讲解。水击现象中伴随管道中压力和流速交替变化从而引起压力波的“顺向”及“逆向”传播过程,如果不通过在黑板上逐步图示的方法,学生很难明白水击发生的物理实质。另外,传统教学方法也能展示教师的板书和绘图功底。如果教师的书法很漂亮,徒手绘图效果好,能增加学生对教师的敬重感,从而激发他们对流体力学课程的学习兴趣。
三、深挖多媒体教学潜力
随着科技的飞速发展和国家对教学投资力度的加大,现代化的教学手段在提高课程教学质量上发挥了重要作用。在流体力学课程教学中,通过播放课件、视频、教学片等,能让学生很直观地理解流体流动的具体特征。比如,漩涡的形成、管嘴出流时真空区的形成、两个相邻局部阻碍之间的干扰等现象,这些内容用枯燥的文字描述是很难理解的,但利用多媒体演示,学生从动态的、形象逼真的图像中就很容易理解流体力学现象。紊流是一种高度复杂的三维非稳态、有旋流动。对其流动规律的研究一直是流体力学学科领域的热点和难点。紊流中,存在高流速层的流体质点进入低流速层,并与低流速层质点发生动量交换,以及低流速层流体质点进入高流速层与高流速层质点发生动量交换的过程。过去教师通过板书图示讲解之后,仍有近70%的学生不理解雷诺应力与紊流脉动的因果关系。但是,通过动漫形式显示具有不同初速度的流体质点进入另一流层后对两个流体质点速度在不同方向的影响过程,使这一复杂问题简单化,学生也容易接受。另外,利用教学录像,学生对流体力学现象尤其是大海的潮起潮落、龙卷风运动、桥墩后尾流变化,以及1940年美国塔科马海峡大桥由于风振而坍塌的整个过程印象深刻。多年的经验表明:多媒体在教学中的运用对于激发学生学习流体力学的兴趣、增强求知欲、开阔视野起到了积极的作用。但是,多媒体教学潜力的开发取决于教师的前期投入,也就是说,授课前教师必须投入大量的精力制作多媒体课件,使其包含丰富的教学内容,同时还能调动学生积极的参与意识[1]。只有这样,作为传统教学方法辅助手段的多媒体教学,才能在帮助学生理解难点、掌握重点、提高学习效率上发挥越来越重要的作用。
四、加强科研实训,开阔学生视野
引导学生参与科研活动,在科学研究中增长学生的专业知识,开阔学生的学术视野。教师在完成课堂教学任务之后,就课内某一知识点引导学生查阅相关文献,开展科学研究,培养学生的科研意识,提高其认知水平。学生以书面形式定期反映自己在查阅文献和学习研究中的收获。教师根据学生书面总结的完成情况给予评价。此外,教师也鼓励学生主动参与校内外的科研活动,并定期写出自己的体会交指导教师评定[2-3]。学生参与的科研内容即使与其所学专业的学科领域有一定距离,也将得到支持,因为参与科研活动对学生能起到开阔视野、激发科研热情、训练科研思维的作用[4]。同时还将进一步密切科学研究与专业学习之间的关系,为学生进入更高层次的学习和工作打下坚实的基础[3]。
流体力学是一门系统性和理论性都较强的课程,它既体现了经典力学的基本思想,也反映了数学、物理、机械等多学科在现代工程中的交叉应用。在学分制教学管理体制和大专业背景下的人才培养模式,根据学生的基础和专业培养目标来寻求合适的教学方法,构建有创新特色的流体力学课程教学改革体系,是一个艰难而漫长的过程,还需要在今后的教学工作中作出更多的努力。
参考文献:
[1] 杨小林, 杨开明, 严敬,等.流体力学课程教学改革探析[J].高等教育研究, 2006, 22(2):47-48.
[2] 王烨, 孙三祥, 张济世.《水泵及水泵站》课程设计教学新模式研究[J].高等建筑教育, 2010, 19(3): 117-119.
[3] 王烨, 陈焕新.《水泵及水泵站》课程设计教学改革[J].高等建筑教育, 2011, 20(3): 91-94.
[4] 马宝峰,李岩, 郭辉,等.基于科研问题的力学综合实验教学研究与实践[J].力学与实践, 2012,34(1): 103-105.
Investigation and practice on multiangle teaching method of fluid mechanics
WANG Yea, LI Yaningb
(a. School of Environmental and Municipal Engineering; b. School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Gansu 730070, P. R. China)
Abstract: