新工科背景下“流体力学”课程多元化教学方法研究

2022-09-23刘凯磊施信疑王洪昌

江苏理工学院学报 2022年4期

陈宇，刘凯磊，施信疑，张陈，王洪昌

（1.江苏理工学院机械工程学院，江苏常州 213001；2.南京理工大学国际教育学院，江苏南京 210094）

随着航空工业、汽车工业及通信设备等领域的快速发展，企业对工程应用型人才的需求量迅速增长；然而，高等学校传统的理论教学模式却忽视了学生的课堂主体，教学方法单一、枯燥，无法满足培养学生分析、解决工程实际问题能力的要求。“流体力学”是机械类专业的核心课程，其既具有基础学科的性质，又具有工程应用学科的特点，课程目标是让学生掌握流体力学的基础知识及其研究方法，从而能够识别和判断流体力学在工程应用中的关键参数，并对工程实际问题进行计算与分析[1-3]。因此，在“流体力学”课程建设中建立多元化教学模式具有重要意义。

针对新工科背景下“流体力学”课程多元化教学模式建立的问题，国内外学者进行了相关研究[4-6]：颜秋艳[7]结合现代设计方法，对计算机辅助工程设计（CAE）技术在“机械设计”教学中的应用进行了研究，探究了CAE技术协调优化的实现方法；郭攀等人[8]基于线上线下相融合的教学模式，对“工程流体力学”课程教学方法进行了探索，并对学生作业完成情况开展统计、分析；杨嵩等人[9]以“沿程阻力系数测定实验”为例，开展了“流体力学”实验教学方法的研究，建立了数字教学资源，并优化了考核评价体系；戎瑞等人[10]提出了“工程流体力学”虚拟实验平台的建设方法，对传统实验平台教学进行了改进与拓展。本文基于以上研究，开展了“流体力学”课程教学多元化融合的研究，综合传统理论教学方法、实验教学特点和计算流体动力学（CFD）技术工程应用，进行多元化教学探索。在此基础上，以“管道沿程阻力损失”为例进行教学方法改革，通过优化考核评价体系，科学评价学生对知识点的掌握程度。

1 多元化教学方法设计

如图1所示，将互联网技术与计算机技术引入传统教学中，对“流体力学”课程进行多元化教学方法设计。（1）在课前预习中采取线上学习的模式，通过网络学习平台制作并上传学习视频，辅助学生对本节课程进行预习，视频中包括PPT、语音讲解以及视频动画等内容，该过程可有效增强学生对知识点的认知能力。（2）在过程学习中采用线下教学方式，通过对理论知识的讲解使学生理解、掌握本节课所学知识点，并结合所学内容完成相关实验设计，从而培养学生使用实验仪器、进行数据采集与处理的能力。（3）增加CFD的讲授，使学生掌握工程设计与计算方法，并能够对所学知识进行数值模拟。实验设计与数值模拟以分组讨论的模式进行，以加深学生对所学知识点的理解，并开展工程实际背景下的团队合作训练。课后学习过程中可采用线上、线下混合式方法，具体包括提交课后作业（建立流体力学数学模型）、实验报告（对实验产生的现象和结果进行分析）、仿真报告（对流体力学在工程应用中的问题进行识别、判断，并提出解决方案）。

图1 多元化教学方法

此外，围绕教学大纲优化考核评价体系，对每一环节中的知识点布局、难易程度进行合理性分配。采用课前监督、课堂问答与讨论、实验设计、数值模拟、期末考试等多元化考核方法，做到以考促学、以学为乐，增强学生对课程学习的兴趣，提高其参与团队合作的积极性。

2 教学案例设计

2.1 课前预习

课前预习是课程讲授的重要环节，课前通过“雨课堂”平台建立“流体力学”网络资料，将课程教学相关资料上传到课件库中。本文以“流体力学”课程中“管道沿程阻力损失”为例，进行教学案例设计。

如图2所示，课前在“雨课堂”平台上建立课件库，上传PPT课件以及微课视频等学习资源，并通过网络端口选择上课的班级，提醒学生做好课前预习。在微课视频中说明本节课的教学目标、重点（沿程阻力损失产生的原因、黏性流体的两种不同流动状态、不同流态下管道沿程损失的计算方法）与难点（圆形管道与非圆形管道当量直径的计算），并对相关知识点进行讲解。学生可以在任意时间观看、学习，并与教师进行线上交流，教师鼓励学生开展自主学习活动。

图2 课前预习网络教学资源

2.2 过程学习

过程学习是指学生线下课堂学习阶段，在过程学习中主要包括基础理论知识学习、相关实验设计以及数值模拟计算三个环节。

2.2.1 基础理论知识讲解

与理想运动状态不同，在实际流体流动过程中由于流体分子自身黏性作用的影响，流体分子之间会发生碰撞产生沿程阻力，沿程阻力的产生导致能量损失不可避免地存在于管内流动中。随着流体黏度、密度、流速等参数的变化，流体可呈现出不同的沿程阻力损失，而沿程阻力系数决定了沿程阻力损失的大小。如图3所示，为了便于分析，选取水平放置圆管内不可压缩的定常流体为研究对象，由雷诺数判断管内流体的流动状态[11-12]，表达式为：

图3 沿程阻力分析模型

式中：v为管道平均流速；d为管道内径；μ为运动黏度。

图3中，截面1-1和截面2-2分别为流体的入口和出口，点1和点2的位置高度分别为z1、z2，压强和流速分别为p1、p2、v1、v2，由连续性方程和伯努利方程[13-14]可知：

式中：ρ为流体密度；g为重力加速度；hf为能量损失。

由于流体位置高度不变，故z1=z2，由此可知：

由达西-魏斯巴赫定理可知沿程阻力系数表达式为：

式中：λ为沿程阻力系数；L为两横截面直径的距离。由此可知，沿程阻力系数与流体流动参数之间存在映射关系。

2.2.2 沿程阻力系数测定实验设计

为了加强学生对知识点的理解，基于本节内容的理论知识，进行沿程阻力损失和沿程阻力系数实验设计。针对沿程阻力系数测定的实验主要面向沿程阻力系数λ的测定以及影响参数（雷诺数Re）的分析。如图4所示，为沿程阻力系数测定实验台。实验装置由实验台、供水系统、实验管道、压差板、计量水箱以及回水管等组成。通过阀门控制水流流速，进而获得不同流速下的沿程阻力损失大小和沿程阻力系数。

图4 沿程阻力系数测定实验

学生分组开展不同流速下管道沿程阻力系数实验测试，并采用体积法测定管道中流体的流量。如图5不同流速下管道沿程阻力系数实验结果显示，流速和流体流动状态对测压管内液面高度影响较大。将测量结果代到式（6）中，可得到管道沿程阻力系数，进而获得管道沿程阻力损失大小。学生通过实验，能够深入感知流速、流动状态以及沿程阻力系数之间的关联特性。

2.2.3 数值模拟计算

为了加深学生对沿程阻力系数的认知，通过数值模拟计算的方式进行工程实例扩展训练。本文选择三通圆形管道为研究对象，对其进行流程计算和流体动力学特性分析。如图6所示，基于CFD技术对三通圆形管道的流速、管道斜度等进行参数化分析。如表1所示，为仿真参数。

表1 三通管道计算相关参数

为了保证计算结果的精度和效应，对计算模型作如下假设:（1）流体在管道内部流动，可看成不可压缩流体，且流态为定常流动；（2）流体和管道壁面之间无相对滑动，且流体的惯性力忽略不计；（3）流体流动过程中不考虑温升变化对其黏度的影响。

如图7和图8所示，为不同几何参数及不同介质对流体在管道内的流动影响。由计算结果可以看出，夹角的改变对流体压力变化产生了较大的影响，使压力值下降幅度较快。

图7 不同角度下水流管道内部压力分布图（v=0.5 m/s）

图8 不同角度下润滑油管道内部压力分布图（v=0.5 m/s）

如图9所示，为不同工况下沿程阻力系数。对于水介质来说，在管道分叉位置出现了明显的压力值变化，使压力值突变较为明显，回流和急变流特征变化明显。由不同介质流体沿程阻力系数随工况参数的变化趋势可以看出，随着进口流速的增加，流体沿程阻力系数逐渐减小，但夹角的增加会引起系数增大。这样，学生可以更加直观地了解流体与沿程阻力系数之间的映射关系。

图9 不同工况下沿程阻力系数

2.3 课后学习

课后学习包括课后作业、实验报告以及仿真分析报告三个部分。如图10所示，在“雨课堂”平台建立试卷库，试题可以包含选择题、填空题、计算题、分析题等多种类型，通过课后习题练习使学生巩固知识点。学生可直接在“雨课堂”平台答题、提交答案，查询得分和解析；班级内小组之间进行实验数据共享，学生合作撰写实验报告和数值仿真分析报告，分析数据结果，提出改进方案。通过团队合作的训练方式，培养学生运用理论知识分析、解决工程实际问题的能力。

图10 网络习题库资源

3 教学效果及评价

如图11所示，为线上教学资源和课程管理模块。在该模块中教师可以上传PPT、视频、音频等学习资源，学生可以在任意时间观看、学习，与教师进行平台互动，增加课程学习交流时间。同时，教师可以在线上上传试卷、作业和答案解析，学生在完成练习或作业后，可以自己查询知识点的掌握情况。此外，教师通过网络平台可以获知课前、课中、课后任意时间段学生的学习情况，以便对课程内容进行及时调整。

图11 线上教学资源及课程管理

如图12所示，学生可以根据自己的学习情况，在线上进行自我评价，获得更为合理的评价值。图12显示：学生课堂互动和课后作业成绩较好，这说明通过多元化教学，学生对知识点掌握程度较好；学生在实验设计与操作部分得分较高，表明“做中学，学中做”方式的引入提升了学生的理解能力和动手操作能力。在学生自我评价中，理论知识与实验能力的评分分别为83.4分和89.1分，说明学生对这两项掌握较好，教学效果显著。然而，有11.9%的学生数值模拟成绩在60～70分之间，他们的自我评价也较低。通过与学生交流，发现原因主要在于两个方面：一方面，数值模拟过程中，需要运用专业工程分析软件以及对工程实际问题进行准确分析，而过程学习中由于受到课程时长的限制，因此对于能力稍有欠缺的学生来说，学习效果不佳；另一方面，部分学生在过程学习中缺乏与教师之间的交流，影响了教学效果。调查结果还显示了学生对自身综合技能的评价（86.3分），这说明学生对多元化教学方式较为认可。