流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題和教學(xué)方法上的對應論文

　　[論文摘要]結合學(xué)習主體所處的時(shí)代環(huán)境變化和流體力學(xué)知識體系的學(xué)科跨度大以及對數學(xué)基礎知識要求很高的特點(diǎn)，分析了流體力學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn)，提出大量采用實(shí)驗模型和實(shí)例教學(xué)以加強流體流動(dòng)現象的觀(guān)察理解對提高流體力學(xué)教學(xué)效果的必要性和重要性。

　　[論文關(guān)鍵詞]流體力學(xué) 流動(dòng)現象觀(guān)察 教學(xué)效果

　　前言

　　流體無(wú)固定形狀，即使受到的剪切力再小，只要持續存在，其變形便會(huì )隨時(shí)間持續增大，不像固體那樣，一定的受力只能產(chǎn)生一定的變形。流體力學(xué)的基本理論非常嚴密，描述流體流動(dòng)現象的數學(xué)方程非常復雜，高度非線(xiàn)性[1]，因此學(xué)生對流體力學(xué)敬而遠之的現象比較嚴重。

　　此外由于因特網(wǎng)及電子計算機的普及，各種虛擬現象泛濫，在這樣的環(huán)境下成長(cháng)的學(xué)生接觸和感受實(shí)際發(fā)生的各種流體流動(dòng)現象的機會(huì )大大減少，對自然現象的觀(guān)察和理解能力很弱。很多學(xué)生在接受流體力學(xué)教育之前所受的應試教育的影響下[2]，學(xué)習只是為了在短時(shí)間內對給出的試題做出接近正解的答案獲得高分，這種教育具有多大的意義，近年來(lái)許多學(xué)者從教育學(xué)的角度提出了疑問(wèn)[2]。只有直面實(shí)際的流體流動(dòng)現象，抓住問(wèn)題的本質(zhì)，才能誕生真正的學(xué)問(wèn)和研究。筆者基于對本科和研究生的流體學(xué)教學(xué)中存在的難點(diǎn)和問(wèn)題，指出了重視流體流動(dòng)現象的觀(guān)察和理解對提高流體力學(xué)的教學(xué)效果的必要性和重要性。

　　一、流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題

　�。ㄒ唬┬滦蝿菹聦W(xué)生所處的社會(huì )環(huán)境變化

　　學(xué)生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時(shí)間和機會(huì )大大超過(guò)了自己親自動(dòng)手制作道具及模型的體感玩耍時(shí)間，通過(guò)體感玩耍接觸和觀(guān)察自然現象的機會(huì )大大減少。

　　因特網(wǎng)的普及使得在短時(shí)間內獲得大量的信息或實(shí)時(shí)獲得信息成為可能，近年來(lái)出現學(xué)生過(guò)度依賴(lài)因特網(wǎng)的傾向，疏遠了紙質(zhì)圖書(shū)及相關(guān)文獻這些知識比較系統邏輯性也有保證的傳統信息載體。但因特網(wǎng)上除了正確的信息外，還有很多不準確甚至錯誤的信息，即使是正確的信息，各信息段之間也缺乏系統性，因此學(xué)生僅通過(guò)因特網(wǎng)難以建立系統的知識體系的。

　　手機在學(xué)生中的普及也使得學(xué)生們在實(shí)際問(wèn)題時(shí)，不是自己獨立分析問(wèn)題，找出問(wèn)題發(fā)生的原因，而是直接利用手機詢(xún)問(wèn)他人求得答案，這樣很難培養獨立制定計劃，對可能事態(tài)進(jìn)行預測，獨立進(jìn)行解決問(wèn)題的能力。這恰恰是對一個(gè)未來(lái)走向社會(huì )成為一個(gè)優(yōu)秀的技術(shù)人員的必經(jīng)的磨礪之道。

　�。ǘ�）流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題

　　流體流動(dòng)的力學(xué)模型及其運動(dòng)的物理意義難以理解[3]。流體粘性產(chǎn)生的模型與牛頓粘性定律之間的對應關(guān)系就是最好的一個(gè)例證。大多數學(xué)生雖然能夠使用牛頓粘性定律進(jìn)行計算，但對運動(dòng)的流體為何會(huì )產(chǎn)生粘性卻不能正確的理解。的確，對于涉及到流體力學(xué)的某些技術(shù)或產(chǎn)品設計，只要懂得一定的計算即可，但是對于開(kāi)發(fā)和設計全新的產(chǎn)品，如不能準確把握所涉及到的相關(guān)流體流動(dòng)的物理本質(zhì)，有時(shí)會(huì )產(chǎn)生完全錯誤的設計結果。

　　流體的運動(dòng)狀態(tài)繁多，流體力學(xué)融合領(lǐng)域廣，要求學(xué)生掌握更多的學(xué)科預備知識，尤其對數學(xué)知識的要求更高，使部分學(xué)生覺(jué)得流體力學(xué)是難以接近的一門(mén)課。同一流動(dòng)現象常�？梢詮亩鄠�(gè)角度進(jìn)行解釋?zhuān)�容易使學(xué)生產(chǎn)生混亂。比如對翼型的流體力學(xué)工作原理，可以從流體流動(dòng)的動(dòng)量變化、伯努利方程、壓力積分、流線(xiàn)的曲率變化等幾個(gè)方面進(jìn)行解釋?zhuān)�解釋方法之多反而�?huì )使學(xué)生產(chǎn)生混亂，但每一種解釋方法都是正確的，解釋的都是一個(gè)本質(zhì)，只有完全理解各種解釋方法所依據的理論，才可以解除認識上的混亂，將學(xué)到的知識條理化、系統化。

　　描述流體流動(dòng)的數學(xué)方程高度非線(xiàn)性化，數學(xué)上求解比較困難。描述流體流動(dòng)的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數學(xué)解的唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數學(xué)功底，但近年來(lái)學(xué)生的數學(xué)和力學(xué)基礎存在下降的趨勢。

　　學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)前所接受的應試教育的影響很大，以考試成績(jì)自評學(xué)習效果的認識根深蒂固[4]。實(shí)際的流體流動(dòng)現象往往沒(méi)有單純的標準答案，有時(shí)甚至存在多個(gè)解，重要的是抓住流動(dòng)現象的物理本質(zhì)，系統的理解流體力學(xué)的基本原理。

　　二、教學(xué)方法對應

　　解決上述問(wèn)題的根本方法，筆者認為只有從流體力學(xué)教學(xué)上，直面涉及流體的各種現象，使學(xué)生準確的把握物理本質(zhì)。為此在流體力學(xué)課堂上，廣泛采用流體模型教學(xué)和實(shí)例教學(xué)，增加學(xué)生觀(guān)察理解各種流動(dòng)現象的機會(huì )，喚起他們對本門(mén)課的興趣的同時(shí)，讓他們形成為探究流動(dòng)現象背后的物理本質(zhì)進(jìn)行思考的習慣，這對解決流體力學(xué)教學(xué)所面臨的問(wèn)題至關(guān)重要。

　　使用電吹風(fēng)斜向上吹一個(gè)讓學(xué)生事先準備好的氣球模型，沒(méi)經(jīng)驗的學(xué)生會(huì )意外的發(fā)現氣球會(huì )向斜上方飄起。這一流體流動(dòng)現象可從風(fēng)從氣球上部通過(guò)時(shí)，由于氣球表面的影響風(fēng)的流向會(huì )產(chǎn)生變化，也就是流線(xiàn)產(chǎn)生彎曲，根據風(fēng)的動(dòng)量變化必然產(chǎn)生使得氣球浮起的升力得到解釋?zhuān)�還可以從物體繞流邊界層效應得到解釋。從這一簡(jiǎn)單的模型教學(xué)，還可以解釋飛機的機翼通過(guò)改變空氣的流向進(jìn)而獲得升力的流體力學(xué)上的工作原理。

　　在一個(gè)裝滿(mǎn)水的塑料瓶?jì)确謩e放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球，然后放在一個(gè)可移動(dòng)桌面上，使桌面等直線(xiàn)加速運動(dòng)，可發(fā)現鋼球運動(dòng)較慢留在瓶底，而泡沫球運動(dòng)較快停在瓶嘴附近。觀(guān)察這一個(gè)現象引導學(xué)生：泡沫球運動(dòng)得較快是因為等加速運動(dòng)瓶?jì)攘黧w的靜壓在運動(dòng)方向上遞減形成壓力梯度，小球的前進(jìn)方向的壓力大于等加速運動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，因此小球相對于塑料瓶向前運動(dòng)；而作用于鋼球的前進(jìn)方向的靜壓力雖然與泡沫小球相同，但慣性力大于前進(jìn)方向的靜壓力，因此鋼球相對于塑料瓶向后移動(dòng)。這一模型教學(xué)比一般教科書(shū)上關(guān)于流體等加速直線(xiàn)運動(dòng)流體的靜壓分布的例題更容易使學(xué)生抓住問(wèn)題本質(zhì)，且能培養學(xué)生獨立思考之習慣，使學(xué)生體會(huì )到透過(guò)流體流動(dòng)現象來(lái)正確觀(guān)察和理解把握流體力學(xué)基本規律的樂(lè )趣。

　　經(jīng)常使用立式洗衣機的人都知道，洗完衣服后，衣兜總要被翻過(guò)來(lái)，假如原來(lái)兜里裝有硬幣等硬物，也會(huì )被掏出來(lái)[5]。把這個(gè)實(shí)例在課堂上講出后，學(xué)生們甚有興趣，追問(wèn)其中的奧秘，當教師根據伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物理學(xué)家、數學(xué)家、力學(xué)家及醫學(xué)家于一身的瑞士的大科學(xué)家的基本情況后，學(xué)生們頓時(shí)對這位科學(xué)家充滿(mǎn)了崇敬之情，通過(guò)大量這種實(shí)驗模型及實(shí)例教學(xué)，學(xué)生們對學(xué)習流體力學(xué)這門(mén)課更有了興趣和信心，教學(xué)效果的提高自不待言。

　　三、結語(yǔ)

　　本文詳盡的分析了計算機、因特網(wǎng)、手機等現代化通訊工具普及后對學(xué)生產(chǎn)生的影響，由于流體力學(xué)課程知識體系的特點(diǎn)，這種影響產(chǎn)生的負面問(wèn)題很多，尤其是教授成長(cháng)在應試教育體制下走入大學(xué)的學(xué)生，更需要轉換認識，改變教學(xué)觀(guān)念，在課堂教學(xué)中廣泛植入實(shí)驗模型教學(xué)和實(shí)例教學(xué)，讓學(xué)生直面實(shí)際存在的各種流體流動(dòng)現象，通過(guò)實(shí)際的流體流動(dòng)現象的觀(guān)察和理解，達到生動(dòng)及形象的把握這些流動(dòng)現象背后的流體力學(xué)的基本定理，有效提升教學(xué)效果的同時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)驗模型的制作還可提高學(xué)生的動(dòng)手能力，這對學(xué)生走向社會(huì )成為一個(gè)具有創(chuàng )造性思維能力、獨立思考的優(yōu)秀技術(shù)人員也是一個(gè)必不可少的雛形磨礪。

　　[參考文獻]

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