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淺談流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題和教學(xué)方法上的對(duì)應(yīng)
[論文關(guān)鍵詞]流體力學(xué) 流動(dòng)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(shí)代變化和流體力學(xué)知識(shí)體系的學(xué)科跨度大以及對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)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(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)例教學(xué)以加強(qiáng)流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察理解對(duì)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(wú)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(huì)隨時(shí)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)的學(xué)生接觸和感受實(shí)際發(fā)生的各種流體流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)大大減少，對(duì)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(shí)間內(nèi)對(duì)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(xiàn)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(duì)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(xiàn)象的觀察和理解對(duì)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�(shì)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(shí)間和機(jī)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)體感玩耍接觸和觀察自然現(xiàn)象的機(jī)會(huì)大大減少。
因特網(wǎng)的普及使得在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的信息或?qū)崟r(shí)獲得信息成為可能，近年來(lái)出現(xiàn)學(xué)生過(guò)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(shí)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(cuò)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(guò)因特網(wǎng)難以建立系統(tǒng)的知識(shí)體系的。
手機(jī)在學(xué)生中的普及也使得學(xué)生們?cè)趯?shí)際問(wèn)題時(shí)，不是自己獨(dú)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(jī)詢問(wèn)他人求得答案，這樣很難培養(yǎng)獨(dú)立制定計(jì)劃，對(duì)可能事態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，獨(dú)立進(jìn)行解決問(wèn)題的能力。這恰恰是對(duì)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┝黧w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(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系就是最好的一個(gè)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(jì)算，但對(duì)運(yùn)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(duì)于涉及到流體力學(xué)的某些技術(shù)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)，只要懂得一定的計(jì)算即可，但是對(duì)于開發(fā)和設(shè)計(jì)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(dòng)的物理本質(zhì)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)結(jié)果。
流體的運(yùn)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(yù)備知識(shí)，尤其對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的要求更高，使部分學(xué)生覺(jué)得流體力學(xué)是難以接近的一門課。同一流動(dòng)現(xiàn)象常�？梢詮亩鄠�(gè)角度進(jìn)行解釋，容易使學(xué)生產(chǎn)生混亂。比如對(duì)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、流線的曲率變化等幾個(gè)方面進(jìn)行解釋，解釋方法之多反而會(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(jù)的理論，才可以解除認(rèn)識(shí)上的混亂，將學(xué)到的知識(shí)條理化、系統(tǒng)化。
描述流體流動(dòng)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(dòng)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(lái)學(xué)生的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)存在下降的趨勢(shì)。
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(jī)自評(píng)學(xué)習(xí)效果的認(rèn)識(shí)根深蒂固[4]。實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象往往沒(méi)有單純的標(biāo)準(zhǔn)答案，有時(shí)甚至存在多個(gè)解，重要的是抓住流動(dòng)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(duì)應(yīng)
解決上述問(wèn)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(shí)例教學(xué)，增加學(xué)生觀察理解各種流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)，喚起他們對(duì)本門課的興趣的同時(shí)，讓他們形成為探究流動(dòng)現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)進(jìn)行思考的習(xí)慣，這對(duì)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(zhǔn)備好的氣球模型，沒(méi)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生會(huì)意外的發(fā)現(xiàn)氣球會(huì)向斜上方飄起。這一流體流動(dòng)現(xiàn)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，也就是流線產(chǎn)生彎曲，根據(jù)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，還可以從物體繞流邊界層效應(yīng)得到解釋。從這一簡(jiǎn)單的模型教學(xué)，還可以解釋飛機(jī)的機(jī)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)裝滿水的塑料瓶?jī)?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(gè)可移動(dòng)桌面上，使桌面等直線加速運(yùn)動(dòng)，可發(fā)現(xiàn)鋼球運(yùn)動(dòng)較慢留在瓶底，而泡沫球運(yùn)動(dòng)較快停在瓶嘴附近。觀察這一個(gè)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生：泡沫球運(yùn)動(dòng)得較快是因?yàn)榈燃铀龠\(yùn)動(dòng)瓶?jī)?nèi)流體的靜壓在運(yùn)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，因此小球相對(duì)于塑料瓶向前運(yùn)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(duì)于塑料瓶向后移動(dòng)。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(yùn)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(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考之習(xí)慣，使學(xué)生體會(huì)到透過(guò)流體流動(dòng)現(xiàn)象來(lái)正確觀察和理解把握流體力學(xué)基本規(guī)律的樂(lè)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(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(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(shí)對(duì)這位科學(xué)家充滿了崇敬之情，通過(guò)大量這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)例教學(xué)，學(xué)生們對(duì)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(yǔ)
本文詳盡的分析了計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)、手機(jī)等現(xiàn)代化通訊工具普及后對(duì)學(xué)生產(chǎn)生的影響，由于流體力學(xué)課程知識(shí)體系的特點(diǎn)，這種影響產(chǎn)生的負(fù)面問(wèn)題很多，尤其是教授成長(zhǎng)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(shí)，改變教學(xué)觀念，在課堂教學(xué)中廣泛植入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒虒W(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(xiàn)象，通過(guò)實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察和理解，達(dá)到生動(dòng)及形象的把握這些流動(dòng)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(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鬟�可提高學(xué)生的動(dòng)手能力，這對(duì)學(xué)生走向社會(huì)成為一個(gè)具有創(chuàng)造性思維能力、獨(dú)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(xiàn)]
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