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1、流体力学教学的探索与实践Abstract Hydrodynamics is a professional basic course， which is an important branch of mechanics with strong theory. Chinese University has accumulated rich experience in this course for many years. This paper aims at the classroom instruction and the current students accept ability of i
2、mproving teaching mode， pay attention to the application of software in the actual teaching process， to enhance the teaching quality and efficiency， comprehensive training of students independent thinking ability. At last to find out a suitable teaching model in the teaching reform of continuous inn
3、ovation. Key words hydrodynamics ； finite element simulation ； practice 1 流体力学的教学现状 流体力学主要是研究流体（包含气体和液体和离子态）的现象规律和相关力学行为的科学。这门应用面广泛并且实用性强的学科是以物理、数学为基础逐步发展起来的一门专业基础课程，在相关领域占据着特殊的地位，虽然流体力学的发展历经多年，但是在该课程的建设教学中仍然存在着一些问题1-7。 目前，国内大多数院校开设的流体力学课程基本内容丰富，综合性比较强，对学生的基础知识掌握要求比较高，同时教学学时紧凑，这种方式使流体力学的理论知识学习相对变得被动
4、，学生的自主动手能力得不到培养，同时创新意识能力也得不到提高。假如不提高教学质量和学习方法，学生很容易出现厌恶学习等负面状态，使得教学的质量难以达到预期的效果。换句话说，相对单一的教学模式已经难以适应当今信息高速化的校园教学环境。因此，开展新型的、多元化的教学模块就成为当下流体力学课程学习的重要改革方式。 2 COMSOL Multiphysics仿真软件在教学中的运用思路 素质教育是以人为本、因材施教，结合当下的流体力学课程的教学现状，笔者在流体力学的课堂教学中率先使用了商用有限元仿真软件包COMSOL Multiphysics。相比较传统的教学方式，课程中相对抽象的疑难点基本能用此仿真软件
5、将知识点以举例或图像的方式展示出来，化抽象为具体，充分发挥学生的主观能动性，最大化地调动学生对流体力学课程学习的积极性，促进了教学和学习的良好循环2，3。 由于流体力学内容覆盖面较广，对学生抽象的思维要求和理论的理解能力有着较高的要求。首先，传统的讲授教学模式再穿插以COMSOL Multiphysics仿真软件的图像运用会使流体力学教学质量提高，既保证了教学任务的高水平完成，又为学生的课堂学习予以知识的诱导和启发，让学生们不再是枯燥的消磨时间而是积极地参与到课堂的教学中来；其次，书本和多媒体的结合方式直观地表达出抽象的知识在具体实践中的应用，把复杂的、疑难的问题巧妙地转变为学生容易接受的图形
6、图像，将问题简单化、直观化，让流体力学课程的学习变得既看得见又摸得着，这样方便了学生的理解和记忆，同时把知识牢记和掌握。例如，在流体力学中描述流体一维流动、二维流动和三维流动时，就可以利用COMSOL Multiphysics仿真软件来对不同维度的流体进行图像描述，通过图形来认清这些基本流动性质，对照软件的仿真图形，实现点到平面，平面到立体维度的知识点学习和掌握，帮助学生培养对图像的良好认知，为以后的软件绘图仿真打下较好的基础。 正是通过了这种把知识和多媒体结合的直观教学方法，使得学生更加深刻地理解了课本知识；将抽象的学习内容转化为直观的仿真图形又使得学生在学习的过程中更好地认识实物和理论的关
7、系，达到提升学生空间思维能力的良好教学效果，这样学生在一个相对轻松的教学环境下就能熟练掌握以前的复杂、疑难的理论知识；同时，采用软件仿真的方式可以使教学的疑难点变得生动形象，从而有效地节约教学时间，提高教学质量，增加了学生接受的信息量，拓宽了教学视野，提升了教学效率。通过对不同实例的模拟仿真来对传统书本教材的教学立体化，充分激起学生的学习兴趣并调动积极性，让学生在轻松愉快的教学氛围中不断地汲取知识，提升自己。 3 COMSOL Multiphysics软件的实践分析 流体力学这门课对抽象思维能力的要求较高，学生可能经常会遇到疑难问题，教学的难度在于学生在学习过程中产生的畏难情绪，正是这种负面影
8、响导致学生失去学习流体力学这门课程的兴趣。COMSOL Multiphysics仿真软件很好地解决了教学中遇到的不同问题，它可以较好地避免当学校资金条件不足时导致学生无法在流体力学课程学习后自己实践操作的情况4。 学生的实践能力是当今大学生需要重点培养的目标，理论的学习是为了更好地实践，流体力学这门基础课更是实际运用的重点。学生在学习了理论知识后，可以通过COMSOL Multiphysics仿真软件的使用来对掌握的知识学以致用，学生自主地练习一些实际的例子来巩固课堂上的重点内容并加以探讨，既加强了理论知识在实际运用中的可操作性，强化了学生的动手能力，又对学生逻辑思维的能力有所提升，使得学生对
9、教学的理论有了更进一步的理解，达到对所学知识熟练掌握、融会贯通。与此同时，COMSOL Multiphysics软件自身更是提供了许多经典的案例和案例的具体操作步骤，学生通过这些案例可以将学到的知识加以运用到软件的操作上，在相对轻松和自主的环境下将知识加以巩固，这些方式有利于扩大学习的知识面，增加学生对实际问题的分析能力，合理利用有限的教学课程时间，提高学生的课堂学习效率，把理论知识和实际操作结合起来，达到预期的教学效果。 4 实现教材讲授和软件仿真多元结合 流体力学是当代大学生基础课程学习的重点课程，所以，不仅要加强教材理论的讲授任务，更要将理论联系实际，在课堂上把理论知识运用到软件仿真的实
10、践环节，加强学生的感性认识，同时深化学生对不同知识点的理性思考，真正做到举一反三、学以致用，这是流体力学教改不可缺少的重要部分。教改的目标是将学生的能力培养贯彻落实到优化课堂的高效率讲授中去，这样才能让高校突出素质人才培养的教学宗旨。 随着流体力学课程讲授的逐步深入，理论知识的难度也在不断加大，运用COMSOL Multiphysics 仿真软件能够很好地对讲授知识点拓宽补充，大部分知识点能用此软件得到开展的增强新版本，适应了当代多元化发展的社会带来信息的大量化，在知识点学习之后通过图像及时地加深理解，并且模拟一些具有典型意义的实用案例，抛砖引玉拓宽学生的思路，启发学生对实际问题的深刻思考，通
11、过这种书本教材的讲授和操作软件的结合而带来新的教学方式，能够使学生从听课、模仿、思考、模拟再到创新。例如在讲授一些特定的模型时，教师最好模拟仿真的图像来为学生展示直观的概念，利用COMSOL Multiphysics的辅助功能对分析的图像做出实时的状态分析，根据不同的要求来任意改变模型的物理参数和特定的化学变化，教师通过讲授这些变化过程，让学生有个生动形象的感官体悟并深刻地理解这些理论知识，再通过对COMSOL Multiphysics仿真软件的进一步操作，使得学生在上课过程中理性思考达到强化知识记忆的教学目标，增进师生交流，提高学生主动学习的兴趣。 5 教学案例 在流体力学中，Navier-
12、Stokes方程组是必讲的偏微分方程组。其中，如何能让学生理解用Navier-Stokes方程组描述流场是讲述的难点。笔者在讲述本课程时采用的COMSOL Multiphysics优势是根据偏微分方程自主选择需要的物理场。以二维台阶流、圆柱绕流为例。 首先，利用COMSOL Multiphysics建立教学模型，流程为：选定Navier-Stokes方程组作为模型描述，软件设置如图1-A；建立几何，绘制网格，求解；后处理结果。 其次，根据结果，在后处理模块中，讲述Navier-Stokes方程组各量的含义，并在后处理结果中，分别显示出流场流线图（图1-B）和等压图（图1-C），使学生明白，通过
13、求解Navier-Stokes方程组可获得流场状态。 最后，改变模型几何，选取另一结构进行讲述，加深学生对Navier-Stokes方程组理解。本教学中，第二个模型选择为二维圆柱扰流，得到流场流线图，如图1-D。 6 小结 流体力学教学需要多方位多方式的来实施改革目标，既积极地开展书本教材的理论教授，又创新地将COMSOL Multiphysics仿真软件合理地运用到日常的教学中去。笔者从如何让学生更好地学习流体力学这门课程出发，将教学的效率和质量作为首要目标，从教学的方法和实践方式入手做了一定程度的分析，希望本文内容会对流体力学的教学起到促进作用，通过对教学方式不断的摸索实践，最终能够培养出一批批优秀的高素质人才。