交叉型教學在流體力學教學中的作用與研究(精)

1、交叉型”教學在流體力學教學中的作用與研究摘要流體力學中的概念、定理比較多,讓學生快速準確地理解 并掌握這些概念和定理并非易事,它需要正面的說明解釋,還需要從數(shù)學和物理 的角度進行類比聯(lián)系。本文研究了在流體力學教學中的引入“交叉型”教學方 法的必要性和作用,重在培養(yǎng)學生的類比和建立多學科聯(lián)系的能力,準確把握概 念及定理間的關(guān)系。關(guān)鍵詞交叉型教學 流體力學 類比“實施精英教育、 培養(yǎng)精英人才”是高等院校建設高水平研究型大學的目標和 導向。高等院校秉行“教育以育人為本,以學生為主體;辦學以人才為本,以教師 為主體”的教育理念,培養(yǎng)了大批滿足社會需求的優(yōu)秀人才。但隨著社會進步和 時代的發(fā)展,對本科教學

2、質(zhì)量和教學目標提出了更高要求,研究和實施新的教學 模式十分必要。 一、“交叉型”教學方法的必要性目前,我國高等工程教育的傳統(tǒng)模式是教師講授為主體的“知識灌輸”式,學生被動接受知識,主 動性學習不足,缺乏運用所學知識發(fā)現(xiàn)問題的能力,缺乏創(chuàng)新意識,創(chuàng)新能力不 足。不能滿足社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展對高素質(zhì)創(chuàng)新人才的現(xiàn)實要求。 多學科之 間的交叉融合成為目前學科發(fā)展的一個主要趨勢,大量原創(chuàng)性科研成果的產(chǎn)生、 新的學科增長點的培育以及優(yōu)勢學科方向的凝練,都依賴于多學科之間的相互交 叉與融合。積極推動學科的交叉融合可以為高等院校的學科發(fā)展創(chuàng)造一個良好 的機遇,并據(jù)此提供一條可行的路徑?？茖W所探討的規(guī)律是客觀存在的

3、,自然界 的規(guī)律本無學科之分,只是人為將之分為不同的門類,因此,所有的科學研究不應 當以學科作為界限。學科交叉、學術(shù)交流和團結(jié)合作是獲得創(chuàng)新性成果的必然 要求。很多諾貝爾獎的誕生都是得益于團隊合作與學科交叉,學科建設是學校事 業(yè)發(fā)展的根本,學科交叉有利于出創(chuàng)造性成果,同時,可以充分利用學校現(xiàn)有教 學、科研資源,減少資源浪費。現(xiàn)在,我們通常強調(diào)科研方面的多學科交叉,而忽 視了教學方面。在教學方面,多學科交叉同樣起著舉足輕重的作用。 二、 “交叉型”教學方法的作用 “交叉型”教學是構(gòu)建以核心課程和選修課程 相融合的教學模式,實現(xiàn)“科學無界限”的完美結(jié)合?！敖徊嫘汀苯虒W模式融理論基礎(chǔ)與專業(yè)培養(yǎng)為一體

4、,是研究型大學的基本教學模式,具有以下三個基本特 征:突出學生在教學中的主體地位;強調(diào)多學科交叉融合在教學中的重要作用;構(gòu) 建知識、能力與素質(zhì)的三維一體?！敖徊嫘汀苯虒W模式是相對于以單一性知識 傳授為主的教學模式提出的,是指教師以主講課程內(nèi)容為基礎(chǔ),融入其他相關(guān)學 科的知識加以傳授,讓學生體會多學科之間是有聯(lián)系的,不是獨立的,可以觸類旁 通,加深理解和便于掌握。專業(yè)基礎(chǔ)課教學是夯實學生專業(yè)基礎(chǔ)知識、提高學生 綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié),在專業(yè)基礎(chǔ)課教學中引入其他相關(guān)學科的知識,可以拓寬 學生視野、提高學生學習積極性、發(fā)揮學生能動性,對強化專業(yè)課教學效果,培 養(yǎng)專業(yè)知識扎實、思維活躍的創(chuàng)新型精英人才具有

5、重要意義。 三、“交叉 型”教學方法的具體實施 流體力學是工科學校主要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。學 生通過本課程學習流體力學的基本概念和基本原理,掌握一定的分析、解決本專 業(yè)中涉及流體力學問題的能力,為學習后續(xù)專業(yè)課程打好基礎(chǔ)。本課程要求學生 掌握流體的主要力學性質(zhì)、流體在靜止和相對平衡時壓強的分布規(guī)律、計算和 測量方法、理解渦動力學原理并掌握流體運動學和動力學的基本方程,理解并能應用理想流體和粘性流體的運動方程。內(nèi)容涉及:流體力學研究對象和研究方法 流體的主要物理性質(zhì),流體靜壓強及其特性;流體平衡微分方程;流體靜壓強的分 布規(guī)律;作用于平面的液體壓力;壓力作用點;作用于曲面上的液體壓力;液體的相對平

6、衡。描述流體運動的方法;流動分類;連續(xù)性方程;流體微團運動分析,無 旋運動和速度勢,不可壓流體的平面運動和流函數(shù)。理想流體的動量方程;理想 流體的能量方程;不可壓縮流體的一維流動,積分形式的動量方程和動量距方 程。流體的渦旋運動。應力張量及形變率張量之間的關(guān)系;粘性流體力學基本方 程和邊界條件;粘性流動的基本性質(zhì);精確解;相似理論和量綱分析;邊界層理 論。湍流產(chǎn)生的隨機性;湍流基本方程;湍流的半經(jīng)驗理論;湍流邊界層。課程的 重點是連續(xù)性方程,動量守恒方程,能量守恒方程。課程的難點是邊界層理論和 湍流邊界層。但作者發(fā)現(xiàn)在課程教學中若采用傳統(tǒng)的以全時段講授為主的模式,學生容易產(chǎn)生疲倦心理,課堂效果

7、并不理想,同時若單一以教學參考書為主線講 授,在教和學兩個環(huán)節(jié)對細節(jié)的把握和理解都不盡如人意。申請人前期嘗試運用 類比的方法授課,也就是在介紹流體力學的概念和定理時,與數(shù)學和物理知識相 類比,同學可以很快接受,理解也較深刻,講授課程所涉及的基礎(chǔ)知識很多與數(shù)學 和物理密切相關(guān),引導學生積極思考,主動聯(lián)系,走向前臺,取得良好的課堂效果。 舉例一:流體力學中的很重要的內(nèi)容勢流理論,在勢流理論中很 重要的概念就是勢函數(shù)的引進,這里高等數(shù)學的格林定理就有著重要的作用,兩 者密切相關(guān),所以在介紹勢流理論時,格林定理要有意識地引入和重點闡述,并且 將兩者對應起來,使學生在回想起數(shù)學重要定理的同時,對流體力學

8、的概念也更 加深刻的理解和清楚地掌握。 舉例二:在介紹激波概念時,可以借助 如下兩個圖例,圖1是通過計算在不可壓縮領(lǐng)域借助淺水波方程給出激波的圖形 圖2是通過實驗在可壓縮領(lǐng)域給出激波的圖形,在不可壓縮和可壓縮兩個情況下 激波的圖形是具有相比擬關(guān)系的,是可以類比的。同樣,水動力學的控制淺水波的方程和空氣動力學的可壓縮氣體方程形式上相似,具有比擬關(guān)系。兩個方 程的形式如下:淺水波方程:可壓縮氣體方程:形式比較復雜的 方程,通過聯(lián)想比擬,就可以通過記住淺水波方程就可以記住可壓縮方程的形 式。在流體力學教學中,有意識地引導學生與數(shù)學物理的概念和定理相聯(lián)系,可使學生更深刻地理解有關(guān)概念及定理間的關(guān)系,有助于培養(yǎng)學生的技能,并 使學生養(yǎng)成嚴格的推理、全面分析問題的能力。在流體力學教學中,和其他學科 的知識相交叉,不僅對流體力學的理解有幫助,也可以加強其他學科知識的理解 和掌握。 多學科之間可以融會貫通,觸類旁通。參考文獻: 1張兆順,崔桂香.流體力學.清華大學出版社.2Milton Van Dyke,An album of fluid motion,The parabolic