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土木工程专业流体力学教学方法

2019-09-02 08:36 来源:土木工程论文 人参与在线咨询

摘要:流体力学是土木工程专业一门重要的专业基础课,具有理论性强不易理解同时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,本文重点探索适用于土木工程专业的教学方法。首先,以产业发展为依托,确定适合土木工程专业的流体力学教学目标。其次,将知识体系与学生认知规律相结合,实现知识点的逻辑结构构建。最后,将传统教学方式与现代教学技术相结合,充分利用现代教学技术,丰富完善增强学生学习效果的方法。

关键词:流体力学;土木工程专业;教学方法

1流体力学特点及与土木工程专业的关系

在土木工程专业中有广泛应用,例如对铁路、公路隧道中压力波特性的研究是铁路、公路安全、经济运行的保证,研究解决风对高耸建筑物的荷载作用和风振等问题,要以流体力学为理论基础,流体力学中多孔介质中水的流动与土木工程实践中地下水排除的技术方法密切相关[2],随着科学的发展,防洪、河道治理、灌溉、交通运输、水力发电等都离不开流体力学的专门知识和对水流运动规律的深入认识;而在西北湿陷性黄土地区,高层房屋及地铁工程的修建更需要人们把握水的渗流机理和特性[3]。同时,“流体力学”课程涉及数学、力学、物理学等多学科,理论性较强,内容较抽象,公式繁多且其推导过程复杂,涉及高等数学相关知识较多,是一门理论性和工程实际意义都较强的课程[4]。根据上述特点,在“流体力学”的教学过程中应针对其课程本身特征,结合工程实际,开展既有趣味性、应用性又有科学特征的教学。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,在教学目标制定、教学内容选取、教学方法运用及知识逻辑结构建构上应充分考虑各相关因素,研究适合土木工程专业的流体力学教学方法。

2教学目标

2.1知识目标

通过本课程的学习,熟悉流体的特性和流体力学知识体系构成。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,为以后从事相应的科学研究、工程应用和实际操作,提供坚实的理论基础。

2.2能力目标

具备分析问题和解决问题的能力。能够将流体力学的知识应用到实践中,即运用流体力学的原理和规律解决本专业中的流体力学相关问题。

2.3素质目标

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,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。

3以流体的粘性为例构建教学逻辑体系

如何实现流体力学教学目标,知识点的选取及知识呈现的逻辑结构具有重要作用。合理的教学逻辑体系符合学生的认知规律,可以很好地保证学习效果。同时潜移默化地培养了学生的能力,实现素质教育。现以流体的粘性为例,探讨如何构建教学逻辑体系。“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。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。

3.1背景知识

背景知识的设置起到承上启下的作用,其主要作用在于采用浅显易懂的语言,生动直观的图片视频等,从已有知识出发,增强学生探索未知知识的动力,增强学习的兴趣与主观能动性。在流体粘性教学中首先回顾已学知识点流体的流动性,进一步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、固三相内部结构的不同,强调粘性属于物质的一种物理性质,并最终引出将要讲授的由物理状态决定的另一物理属性:粘性。

3.2引出问题并给出粘性的定义

为加强对知识点的理解将知识点与自然现象结合起来,并最终上升到理论高度给出知识点的定义。以粘性的教学为例,课堂中将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,从而给出粘性的定义。

3.3理论探讨

为提高学生的专业素养,充分体现流体力学内在特性,在定义的基础上开展理论探讨。例如探讨粘性的本质,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。

3.4影响因素与应用

在从现象到本质并上升到理论高度后,接下来又将所学知识与实践结合,从而增强知识的应用型。例如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。

3.5提出问题

为增强学习效果,调动学生积极性,知识讲授完成后,提出相关问题,一方面可以检验学生的学习效果,另一方面合理的问题设计将启发学生思考,巩固所学知识。

4教学方法融合

流体力学教学在内容上分为理论教学和实验教学两个板块,在教学方法上分为传统板书与多媒体网络教学等现代教学方法两种模式。实验教学相对于理论教学具有直观性、实践性、综合性、设计性与创新性[7]。传统板书形式较单一,需要学生有较好的学习自觉性,但同时对某些推导类内容较符合学生学习节奏,记忆深刻。现代教学方法可以呈现更生动的内容,借助于网络教学,可以有效调动学生的学习积极性。在教学中应充分发挥各教学方法的优势,实现各教学方法融合,从而提高学生的理论能力、创新能力和实践能力。

4.1理论教学与实验教学相互渗透

在理论教学中,播放反映流体规律的相关实验视频,从而避免理论教学的生涩枯燥,同时使学生对接下来将要进行的实验有一个认识。在实验教学中,为保证教学质量,采用小班教学的方式,实验前布置思考题,在教学过程中,实验老师可以实现充分的指导,并通过提问、演示等方式启发学生的思维,引导学生将实验与理论对应起来。同时,为激发学生的创新能力,除常规实验外,还鼓励学生设计开展创新性实验。

4.2传统教学方法与现代教学方法相结合

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包含知识点、课件、作业、试题等的网络资源库,有效提高学生的课下学习效率,加强学生和老师的互动。

5结论

结合土木工程专业和流体力学的特点,提出合理的教学目标,进行知识点逻辑结构构建,将各种教学方法融合,实践表明可以有效地提高流体力学的教学效果。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地构建教学逻辑结构,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,可以实现培养高素质工程人才的目标。

参考文献

[1]王维,贾月梅,王根伟.双一流建设背景下“流体力学”教学改革思考与探讨[J].教育现代化,2018,10(40):61-63.

[2]薛向东,陈勇民,童芸芸,汪华.基于专业认证的流体力学教学实践[J].浙江科技学院学报,2018,12,30(6).

[3]郑健.基于地域特色的大土木水力学课程建设与教学实践[J].高教学刊,2016(16)::80-84.

[4]杨闻宇.土木工程专业流体力学课程基本理论及其应用的课堂教学分析[J].教育教学论坛,2018,12(51).

[5]高等工程教育研究.“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究,2017(1):10-11.

[6]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).

[7]潘欢迎,张学海,鲁涛涛,等.对创新性实验教学的思考[J].教育教学论坛,2012(2):209-210.

作者:闫淑霞 单位:常州工学院土木与建筑工程学院

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