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淺談流體力學(xué)教學(xué)面臨的問題和教學(xué)方法上的對應(yīng)
[論文關(guān)鍵詞]流體力學(xué) 流動現(xiàn)象觀察 教學(xué)效果
[論文摘要]結(jié)合學(xué)習(xí)主體所處的時代變化和流體力學(xué)知識體系的學(xué)科跨度大以及對基礎(chǔ)知識要求很高的特點，分析了流體力學(xué)教學(xué)中存在的問題和難點，提出大量采用實驗?zāi)Ｐ秃蛯嵗虒W(xué)以加強(qiáng)流體流動現(xiàn)象的觀察理解對提高流體力學(xué)教學(xué)效果的必要性和重要性。
前言
流體無固定形狀，即使受到的剪切力再小，只要持續(xù)存在，其變形便會隨時間持續(xù)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(yán)密，描述流體流動現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程非常復(fù)雜，高度非線性[1]，因此學(xué)生對流體力學(xué)敬而遠(yuǎn)之的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。此外由于因特網(wǎng)及的普及，各種虛擬現(xiàn)象泛濫，在這樣的環(huán)境下成長的學(xué)生接觸和感受實際發(fā)生的各種流體流動現(xiàn)象的機(jī)會大大減少，對自然現(xiàn)象的觀察和理解能力很弱。很多學(xué)生在接受流體力學(xué)之前所受的應(yīng)試教育的影響下[2]，學(xué)習(xí)只是為了在短時間內(nèi)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，近年來許多學(xué)者從教育學(xué)的角度提出了疑問[2]。只有直面實際的流體流動現(xiàn)象，抓住問題的本質(zhì)，才能誕生真正的學(xué)問和研究。筆者基于對本科和研究生的流體學(xué)教學(xué)中存在的難點和問題，指出了重視流體流動現(xiàn)象的觀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)面臨的問題
（一）新形勢下學(xué)生所處的環(huán)境變化
學(xué)生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時間和機(jī)會大大超過了自己親自動手制作道具及模型的體感玩耍時間，通過體感玩耍接觸和觀察自然現(xiàn)象的機(jī)會大大減少。
因特網(wǎng)的普及使得在短時間內(nèi)獲得大量的信息或?qū)崟r獲得信息成為可能，近年來出現(xiàn)學(xué)生過度依賴因特網(wǎng)的傾向，疏遠(yuǎn)了紙質(zhì)圖書及相關(guān)文獻(xiàn)這些知識比較系統(tǒng)性也有保證的傳統(tǒng)信息載體。但因特網(wǎng)上除了正確的信息外，還有很多不準(zhǔn)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(tǒng)性，因此學(xué)生僅通過因特網(wǎng)難以建立系統(tǒng)的知識體系的。
手機(jī)在學(xué)生中的普及也使得學(xué)生們在實際問題時，不是自己獨立分析問題，找出問題發(fā)生的原因，而是直接利用手機(jī)詢問他人求得答案，這樣很難培養(yǎng)獨立制定計劃，對可能事態(tài)進(jìn)行預(yù)測，獨立進(jìn)行解決問題的能力。這恰恰是對一個未來走向社會成為一個優(yōu)秀的技術(shù)人員的必經(jīng)的磨礪之道。
�。ǘ┝黧w力學(xué)教學(xué)面臨的問題
流體流動的力學(xué)模型及其運動的意義難以理解[3]。流體粘性產(chǎn)生的模型與牛頓粘性定律之間的對應(yīng)關(guān)系就是最好的一個例證。大多數(shù)學(xué)生雖然能夠使用牛頓粘性定律進(jìn)行計算，但對運動的流體為何會產(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(shè)計，只要懂得一定的計算即可，但是對于開發(fā)和設(shè)計全新的產(chǎn)品，如不能準(zhǔn)確把握所涉及到的相關(guān)流體流動的物理本質(zhì)，有時會產(chǎn)生完全錯誤的設(shè)計結(jié)果。
流體的運動狀態(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(yù)備知識，尤其對數(shù)學(xué)知識的要求更高，使部分學(xué)生覺得流體力學(xué)是難以接近的一門課。同一流動現(xiàn)象常�？梢詮亩鄠�角度進(jìn)行解釋，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，可以從流體流動的動量變化、伯努利方程、壓力積分、流線的曲率變化等幾個方面進(jìn)行解釋，解釋方法之多反而會使學(xué)生產(chǎn)生混亂，但每一種解釋方法都是正確的，解釋的都是一個本質(zhì)，只有完全理解各種解釋方法所依據(jù)的理論，才可以解除認(rèn)識上的混亂，將學(xué)到的知識條理化、系統(tǒng)化。
描述流體流動的數(shù)學(xué)方程高度非線性化，數(shù)學(xué)上求解比較困難。描述流體流動的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數(shù)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(shù)學(xué)功底，但近年來學(xué)生的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)存在下降的趨勢。
學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)前所接受的應(yīng)試教育的影響很大，以考試成績自評學(xué)習(xí)效果的認(rèn)識根深蒂固[4]。實際的流體流動現(xiàn)象往往沒有單純的標(biāo)準(zhǔn)答案，有時甚至存在多個解，重要的是抓住流動現(xiàn)象的物理本質(zhì)，系統(tǒng)的理解流體力學(xué)的基本原理。
二、教學(xué)方法對應(yīng)
解決上述問題的根本方法，筆者認(rèn)為只有從流體力學(xué)教學(xué)上，直面涉及流體的各種現(xiàn)象，使學(xué)生準(zhǔn)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)和實例教學(xué)，增加學(xué)生觀察理解各種流動現(xiàn)象的機(jī)會，喚起他們對本門課的興趣的同時，讓他們形成為探究流動現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)進(jìn)行思考的習(xí)慣，這對解決流體力學(xué)教學(xué)所面臨的問題至關(guān)重要。
使用電吹風(fēng)斜向上吹一個讓學(xué)生事先準(zhǔn)備好的氣球模型，沒經(jīng)驗的學(xué)生會意外的發(fā)現(xiàn)氣球會向斜上方飄起。這一流體流動現(xiàn)象可從風(fēng)從氣球上部通過時，由于氣球表面的影響風(fēng)的流向會產(chǎn)生變化，也就是流線產(chǎn)生彎曲，根據(jù)風(fēng)的動量變化必然產(chǎn)生使得氣球浮起的升力得到解釋，還可以從物體繞流邊界層效應(yīng)得到解釋。從這一簡單的模型教學(xué)，還可以解釋飛機(jī)的機(jī)翼通過改變空氣的流向進(jìn)而獲得升力的流體力學(xué)上的工作原理。
在一個裝滿水的塑料瓶內(nèi)分別放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球，然后放在一個可移動桌面上，使桌面等直線加速運動，可發(fā)現(xiàn)鋼球運動較慢留在瓶底，而泡沫球運動較快停在瓶嘴附近。觀察這一個現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生：泡沫球運動得較快是因為等加速運動瓶內(nèi)流體的靜壓在運動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產(chǎn)生的慣性力，因此小球相對于塑料瓶向前運動；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。這一模型教學(xué)比一般教科書上關(guān)于流體等加速直線運動流體的靜壓分布的例題更容易使學(xué)生抓住問題本質(zhì)，且能培養(yǎng)學(xué)生獨立思考之習(xí)慣，使學(xué)生體會到透過流體流動現(xiàn)象來正確觀察和理解把握流體力學(xué)基本規(guī)律的樂趣。
經(jīng)常使用立式洗衣機(jī)的人都知道，洗完衣服后，衣兜總要被翻過來，假如原來兜里裝有硬幣等硬物，也會被掏出來[5]。把這個實例在課堂上講出后，學(xué)生們甚有興趣，追問其中的奧秘，當(dāng)教師根據(jù)伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物家、數(shù)學(xué)家、力學(xué)家及家于一身的瑞士的大科學(xué)家的基本情況后，學(xué)生們頓時對這位科學(xué)家充滿了崇敬之情，通過大量這種實驗?zāi)Ｐ图皩嵗虒W(xué)，學(xué)生們對學(xué)習(xí)流體力學(xué)這門課更有了興趣和信心，教學(xué)效果的提高自不待言。
三、結(jié)語
本文詳盡的分析了計算機(jī)、因特網(wǎng)、手機(jī)等現(xiàn)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，這種影響產(chǎn)生的負(fù)面問題很多，尤其是教授成長在應(yīng)試教育體制下走入大學(xué)的學(xué)生，更需要轉(zhuǎn)換認(rèn)識，改變教學(xué)觀念，在課堂教學(xué)中廣泛植入實驗?zāi)Ｐ徒虒W(xué)和實例教學(xué)，讓學(xué)生直面實際存在的各種流體流動現(xiàn)象，通過實際的流體流動現(xiàn)象的觀察和理解，達(dá)到生動及形象的把握這些流動現(xiàn)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，通過簡單實驗?zāi)Ｐ偷闹谱鬟�可提高學(xué)生的動手能力，這對學(xué)生走向社會成為一個具有創(chuàng)造性思維能力、獨立思考的優(yōu)秀技術(shù)人員也是一個必不可少的雛形磨礪。
[參考文獻(xiàn)]
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[3]向文英,程光均.流體力學(xué)教學(xué)與實驗創(chuàng)新[J].重慶大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2003,18(4): 21-26.
[4]徐文娟,趙存友,候清泉.工程流體力學(xué)精品課程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式設(shè)計與實踐[J].高教論壇,2009,15(2):50-53.
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