流体力学教学中科研思想和学习兴趣的培养

2022-12-27

流体力学课是建筑环境与设备工程和飞行器环境控制及生命保障工程两个本科专业的必修课。内容涉及理论力学、高等数学和流体性质诸多内容。尤其是讲课过程中的数学推导, 使大部分学生有畏难情绪, 兴趣不高。同时, 有的同学片面地认为学流体力学概念、方法用途不大, 现在有各种商业软件可以应用, 只要学会用软件就能解决问题。因此扫清学生的认识障碍, 激发学生学习兴趣是每个流体力学教师面临的首要问题。如果在讲课中, 只是泛泛举一些流体力学在工程中应用的实例, 又显得不深入, 达不到引导学生深入理解流体力学概念、掌握流体力学研究方法的意境。在与学生的交流过程中, 作者发现学生对老师从事的科研工作比较感兴趣, 充满好奇心。如何利用学生的好奇心, 使其对流体力学的基本概念、基本原理、基本方法感兴趣呢?很自然想到在讲流体力学基本概念、方法、原理的同时, 讲这些概念、方法在自己从事的科研工作上的应用, 并加以提炼, 总结出科研思想, 这样, 既能激发学生学习兴趣, 又使学生学了流体力学知识和科研思想, 可谓“一举三得”。下面谈一下本人在教学实践中如何贯彻这一教学思想的。

1 利用科研背景上好第一堂课

教师在学生面前的第一次亮相对学生的学习兴趣培养很重要, 教师要充分利用第一堂课展示自己。心理学[1]所说的“名片效应”说的就是这个道理。我在第一堂课向学生介绍了我自己的科研经历和研究内容。用比较通俗易懂的话介绍了这个研究的意义, 里面涉及到什么问题。如研究服装内热湿传递过程涉及到湿空气在多孔织物里面的扩散问题, 纤维对水蒸汽吸附/解吸过程, 水-汽相变过程, 水分蒸发-凝结、液态水的毛细传递过程等[2], 说明这些问题都是流体力学问题。使学生对我的研究方向有一个初步了解, 便于以后讲课涉及到相关概念时引用, 同时也能激起学生想学好流体力学这门课解决实际问题的兴趣。接着, 介绍流体力学的研究内容、研究方法以及在其它领域中的应用等, 使学生对流体力学这门课有更进一步认识。

2 利用科研内容讲好基本概念

流体力学课概念比较多, 学生掌握起来有一定难度。我在教学实践过程中常举一些我在科研中应用流体力学基本概念解决实际问题的例子, 激发学生学习兴趣。比如, 在讲流体力学中连续介质假设时, 提到把流体看成连续介质来研究必须是有条件的, 即组成流体的流体微团 (质点) 必须满足“宏观上足够小;微观上足够大”。[3]这样处理的好处是可以使物理参数连续, 便于应用数学方法。除了举几个不适合应用连续介质假设的反例外, 我和学生讲了我在科研中如何应用这些条件, 采取连续介质假设建立服装传热、传湿模型的, 学生感觉收获很大, 不仅掌握了连续介质这一假定, 而且学会了搞研究的思想。再如, 在讲源和汇的概念时, 我给学生讲了我是如何利用“源”和“汇”的概念处理水坝渗流问题的排水沟的, 还举了我在研究服装传热、传湿模型时, 如何把纤维对水蒸汽吸附过程看做“汇”、把吸湿放热看成“热源”的。学生普遍反应, 用老师科研实例讲解概念及引申应用, 可以加强对概念理解、学会了科研思想方法、培养了学习兴趣。

3 利用科研内容讲好基本方法

流体力学处理问题的方法是很多科研领域处理问题的通用方法, 比如流体力学基本方程的推导过程中的微元体积分析方法。我在给学生讲这部分内容时, 首先讲了对流体如何进行分析, 接着我启发学生, 如果不是流体是固体这么处理是否可以?然后给学生讲了我在科研中如何利用微元体积分析法建立服装热、湿传递基本方程的。使学生觉得学会这种处理问题的方法太重要了。再比如, 在讲圆管中层流流动时, 除了讲了利用微元分析法建立了基本方程外, 我给学生讲了如果管道足够细, 要考虑毛细效应, 提到我在处理服装内液态水传递时就考虑了这种毛细芯吸作用。学生觉得这样讲流体力学方法, 不仅可以使他们学会方法本身、更是给他们指明了科学研究的思想方法, 很是受益。

4 利用科研过程明确基本原理应用

所谓流体力学基本原理, 也就是流体力学的三大方程:质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。对于大学三年级的本科生来讲, 他们对于微分形式的基本方程感觉很难, 而对于积分形式的方程很容易接受, 在讲课过程中我采取了先易后难的原则, 调整了教材的讲述次序, 首先根据三大守恒定律, 推导出了积分形式的方程。推导过程中强调用了哪些假设, 最后总结简化方程的适用条件。然后举了和科研密切相关的例题, 给学生讲如何应用这些基本原理。这些原理简单易记, 大部分同学很快就掌握了。对于微分形式的基本方程, 在推导之前先跟学生讲清楚微分形式方程在研究流场中的局部压力、速度时很管用, 积分形式的方程处理局部问题存在困难。使学生明确学微分方程的意义。由于推导过程比较繁琐, 许多学生容易望而却步。所以在推导之前讲清楚这部分内容的要求, 要求大家了解推导过程, 理解方程各项的物理意义就可以了, 并强调说明, 不要求大家掌握所有方程的推导过程, 但一定要掌握微元体积分析方法, 这对以后从事科研工作非常有用, 举了我在科研工作中的例子。这样一来, 使不同层次的同学, 都不会因为这部分难而丧失学习流体力学兴趣。讲完微分方程的封闭条件以后, 我给学生举了一个我在科研中处理服装热湿传递过程的例子。从最基本的考虑讲起, 从物理模型考虑到利用微元体积分析法建立数学方程, 然后讲了如何考虑边界条件和初始条件, 最后简要地讲了处理流体力学微分方程的数值计算方法, 给出了模拟结果的彩色云图。学生感觉这个微分形式的方程不再是原来想象的那么抽象了, 它有丰富的实际背景, 极大激发了学习兴趣。

5 结语

以上从基本概念、基本方法、基本原理几个角度讲了作者在教学实践中如何利用自己的科研内容激发学生学习兴趣。学生普遍感觉在讲课中强调科研思想, 多讲一些教师的科研实例对激发学生学习兴趣, 培养今后的科研能力是有帮助的。在2007~2008年度, 南京航空航天大学教务处组织的本科教学评估中, 学生对这门课的评价为“优秀”。

摘要：流体力学是一门专业基础课, 学生对该课程掌握程度很大程度上取决于学习兴趣。在教授学生基本概念、基本原理、基本方法的同时注重总结提炼科研思想, 举一些科研中的实例, 可以极大地激发学生学习兴趣。在流体力学教学实践中, 本文作者结合自己的科研内容, 给学生阐释了流体力学的一些基本思想在科研中的应用, 取得了很好的效果。

关键词：流体力学,教学,科研思想,兴趣