以流体粘性为例探讨《流体力学》教学方法

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　　摘   要：针对流体力学理论性强不易理解和实践性强与生活息息相关的特点，为提高流体力学教学效果，在教学内容选取上强调与实践密切结合的相关知识点，侧重流体力学相关原理推理与延伸。在教学方法运用多种教学方法，根据流体力学知识逻辑结构建构由现象到本质的讲授过程，以通俗易懂的语言讲授公式的本质及物理含义。并以流体的粘性为例探讨适用于土木工程专业的流体力学教学方法。
　　关键词：流体力学  流体的粘性  教学方法
　　中图分类号：O357-4                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0223-02
　　Abstract： Hydrodynamics is a theoretical and practical science course. In order to improve teaching effect， combination of knowledge and practice is be focused on in teaching. The knowledge logic structure is built， the teaching process from phenomenon to essence is adopted， and the essence and physical meaning of formulas are taught in plain and understandable language， thus weakening the pure mathematical derivation. Taking fluid viscosity as an example， the teaching method of fluid mechanics being suitable for civil engineering is discussed.
　　Key Words： Hydrodynamics;The viscosity of the fluids;Teaching methods
　　流體力学是土木工程专业的专业基础课。从培养体系上，其前修课程为高等数学、普通物理、理论力学等，后续应用到流体力学的课程有桥涵水文、土力学、建筑设备等。从流体力学与土木工程专业的关系来看，流体力学知识广泛应用于土木工程的实践中，例如结构风工程、桥梁风工程等，研究解决风对高耸建筑物的荷载作用和风振问题，要以流体力学为理论基础，进行基坑排水、地基抗渗稳定处理、桥涵孔径设计、桥墩设计、水闸、堤坝等水工建筑物设计等都有赖于水力分析和计算[1-2]。而从流体力学自身看，作为讲授物理理论的一门课程，其理论性强、专业术语多、数学推导繁琐，学生较难理解和掌握。另一方面，由于流体力学是研究自然规律的科学，其来源及表征较直观，与现实结合紧密，实践性强。
　　因此，在教学过程中，针对土木工程专业对流体力学课程的教学要求，为提高教学效果，充分调动学生的学习兴趣和主观能动性，在教学内容选取、教学方法运用及知识逻辑结构建构上：采取由现象到本质的讲授过程，强调知识点与实践的结合，侧重规律，以通俗易懂的语言讲授公式的本质及物理含义，而避免纯数学推导。并以流体的粘性为例探讨适用于土木工程专业的流体力学教学方法。
　　1  教学目标
　　通过本课程的学习，使学生掌握流体力学的基本概念、基本规律、基本的计算方法和实验技能，同时结合课后的习题练习和实验操作，学会熟练应用这些基本公式流体力学实验的基本操作技能，为以后从事相应的科学研究、工程应用和实际操作提高分析问题和解决问题的能力，提供坚实的理论基础。
　　1.1 知识目标
　　掌握流体力学中的相关概念、基本规律、计算分析方法，例如掌握“流体的粘性”的概念，了解流体粘性的变化规律，加深对流体特性的理解。为后续学习牛顿粘性定律等流体力学等后续知识打下基础。
　　1.2 能力目标
　　具备透过现象分析问题的能力，能够把现象与理论结合起来，以流体粘性为例，具备将流体粘性的知识应用到实践中的能力。
　　1.3 素质目标
　　形成水文化概念，具备探索科学真理的主动性，增强对物理原理的直觉。
　　2  以流体的粘性为例构建教学逻辑体系
　　“流体的粘性”属于《流体力学》课程第一章：流体及其物理性质中的一个重要知识点，是学生学习后续课程的基础。“流体的粘性”对于学生来讲是一个全新的概念，是流体特有的性质，同时又是一个学习的难点。学生学习粘性的前期基础是对流体的流动性、压缩性、膨胀性、连续介质模型已经掌握。教学以课堂讲授为主，根据学生的认知规律，合理设计讲授结构及方法，在讲授知识点时其逻辑结构采用实验法、对比法、演绎推理法。通过生活中的实例，使学生首先有一个在现象层面的认识，然后揭示粘性的本质，并对不同流体粘性的变化规律进行总结对比，引导学生将知识与实践相结合。同时最后采用问题的形式，调动学生的学习能动性，对所学知识进行反思，巩固对知识的理解与运用能力[3]。
　　2.1 背景知识
　　回顾已学知识点流体的流动性，提出决定物质物理性质不同的原因在于物质的物理状态气、液、固内部结构的不同，强调粘性属于物质的一种物理性质，引出将要讲授的由物理状态决定的另一物理属性：粘性。 　　2.2 引出问题并给出粘性的定义
　　列举由于粘性作用而产生的现象，例如倾倒水和蜂蜜时，流体的流动特征不同，启发学生思考现象背后的本质，给出粘性的定义。
　　2.3 理论探讨
　　探讨粘性的本质，粘性形成的原因：粘性是施加于流体的应力和由此产生的变形速率以一定的关系联系起来的流体的一种宏观属性，表现为流体的内摩擦。为加深理解，在课堂上演示流体粘性的实验视频，列举平推一本书的首页，不同页面移动距离不同的例子，并将流体的粘性与固体的摩擦力进行对比，对牛顿内摩擦定律采用板书的形式，从而使知识点更清晰，更符合学生的接受知识速度。根据粘性提出理想流体和设计流体的概念，结合粘性本质，强调粘性忽略的理想流体可以使工程计算简化的实践意义。
　　2.4 影响因素与应用
　　通过讲述粘性的变化规律，将知识点落实到应用中。讲授流体粘性随流体种类、流体温度、流体压力而变化的规律，并将气体和液体的变化规律进行对比。再次强调，之所以粘性变化规律不同是由于其物质微观结构不同，以气体为例，说明粘性形成和变化的原因，气体分子的速度是由平均速度和热运动速度两部分叠加而成，前者是气体团的宏观速度，后者决定气体的温度。若相邻两部分气体团以不同的宏观速度运动，由于它们之间有许多分子相互交换，从而带来动量的交换，使气体团的速度有平均化的趋势，这便是气体粘性的由来，由于温度升高动量交换增强，因为粘性随温度升高而升高。通过物质微观结构的动画，使讲解更生动，增强学生探索现象背后本质的主动性。最后列举生活中应用粘性的列子，将理论最终应用到实践中。
　　2.5 问题
　　讲授完成后，提出问题，啟发学生思考，巩固所学知识。
　　另外，除了课堂讲授外，引导学生合理利用课后资源，使学生以不同的角度来理解所学知识点。布置学生搜索反映流体力学现象、解释流体力学原理的图片和视频，并把有价值的结果在课堂上展示。以毕博系统为平台建立网络资源库，有效提高学生的课下学习效率，加强学生和老师的互动。
　　3  结语
　　针对流体力学理论性强同时又有科学魅力的特点，以流体的粘性为例，在教学中首先采用生活中流体粘性作用的现象来引出问题，可以引起学生的兴趣，充分调动学生探索现象背后科学真相的能动性。采用将流体和固体进行对比的方法加深学生对概念的理解。最后又将科学规律与现实结合起来，从而使学生在掌握概念的同时，又可以将理论应用到实践中。因此，在流体力学的教学中合理的构建教学逻辑结构，采用视频、动画和板书等多种教学形式，注重规律与实践的结合，可以取得更好的教学效果。
　　参考文献
　　[1] 王玉敏，余冉.对土木专业《流体力学》教学的几点体会[J].高教学刊，2016（2）.
　　[2] 肖茁良，祝鹏烽，陈露辉，等.流体力学在土木建筑中的应用[J].工程技术：引文版，2015（11）.
　　[3] 高红斌，张汝琦，孙楠，等.认知策略在“工程流体力学”教学中的应用[J].中国电力教育，2010（1）.
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