船舶与海洋工程流体力学教学方法的几点探讨
倪宝玉 薛彦卓 狄少丞 鞠磊
（哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001）

 
[摘  要］针对船舶与海洋工程流体力学课程的教学特点，结合船舶与海洋工程“新工科”建设特色， 从激发学生兴趣、帮助学生理解、理论联系实际和发挥学生主观能动性等方面，提出船舶与海洋工程流体力学教学方法改革的几点举措，旨在为相关人员提供一定参考。
[关键词］船舶与海洋工程，流体力学，教学方法，教学改革
[基金项目］哈尔滨工程大学教改项目(JG2019B62, JG2017Y02),国家自然科学基金 (51979051, 51639004)资助课题
[作者简介］倪宝玉（1986-），男（汉族），黑龙江哈尔滨人，教授，博导，研究方向：船舶与海洋工程流体力学教学改革等；薛彦卓（1978-），男（汉族），辽宁沈阳人，教授，博导，研究方向：极地船舶水动力学教学改革等；狄少丞（1986-）男（汉族），山西五寨人，副教授，硕导，研究方向：冰水船耦合运动学教学改革等。
［中图分类号］G642.0   ［文献标识码］A
 
 
一、 引言
船舶与海洋工程流体力学是“船舶与海洋工程”学科的两大基础力学之一，在专业培养目标中起到“承上启下”的桥梁作用，良好的流体力学知识，对于本专业的学生掌握船舶与海洋工程运动基本原理是极其重要的^[1]。以往的教学经验表明，学生普遍反映船舶与海洋工程流体力学概念抽象、理论性强，很多公式看不懂，理解不了，记住了也不知道怎么用。如何将船舶与海洋工程流体课程讲述得深入浅出，容易理解，一直是困扰该课程教学人员的一大难题。尽管关于流体力学教学方法的相关探讨和改革一直是研究人员的热点^[2-4]，但是船舶与海洋工程流体力学具有鲜明的学科特色，例如需要特别关注自由液面和表面波等问题，相关教学方法仍需进一步改革和探讨。
二、“幽默段子”进课堂，激发学生兴趣
船舶与海洋工程流体力学课程数学公式多，推导过程复杂，学生很容易失去学习兴趣。如何激发学生的学习兴趣是第一难题。借鉴新东方英语教学的不成文规定，结合当下年轻学生的兴趣点，笔者大胆地将日常生活中含有流体力学知识点的“幽默段子”引入课堂，并设置悬疑点，在知识点讲述之后揭示答案，极大地勾起了学生的学习兴趣，获得了良好的学习效果。在讲述粘性流体力学的粘性阻力和边界层知识点之前，笔者会选择网上一个很有趣的“段子”作为切入点。网上有在调侃大学的专业和以后工作没有联系的“段子”，指出“有领导问毕业生是学什么专业的，毕业生回答是学流体力学专业的，领导就说那你给我倒杯啤酒吧。”该“段子”本意想讽刺某些人所学知识与实际工作相关性不大。然而笔者将此段子作为切入点，和学生说，不要小瞧倒杯啤酒，如何倒好一杯啤酒也是充满了流体力学知识。接着会问学生，怎么样倒啤酒会降低啤酒的起沫现象（已知降低啤酒与杯底碰撞的能量，即可降低起沫现象）？学生们就会争先恐后地回答，有人说“慢慢倒”，有人说“斜着倒”，还有人说“沿着杯壁倒”等等。我说这都是对的，但是这背后的流体力学知识你们知道么？然后我就会针对学生们说的方法，解释相应的流体力学知识，例如“慢慢倒”是为了降低液体的初始动能；“斜着倒”是将液体与杯底的正碰撞改为斜碰撞；“沿着杯壁倒”是为了增加沿程阻力，但是为什么沿着杯壁倒就能增加沿程阻力呢？粘性流体的沿程阻力和哪些因素有关？对于平板或者圆管等规则形状，沿程阻力是否有解析表达式等。这些将在本章学习之后得到解释。  
可见，一个简单“段子”的切入，既激发了学生对后续流体力学课程的兴趣，又为相关知识点打下了伏笔，增加了学生掌握本章知识点的欲望。这种“幽默段子”的形式，会很大程度消除课本知识的单一和枯燥性，学生们普遍反映效果很好，屡试不爽。
三、抽象概念形象化，帮助学生理解
尽管兴趣是最好的老师，然而由于流体力学的许多知识十分抽象，仅仅有兴趣也是不够的，还需要将抽象概念形象化，帮助学生理解抽象概念。
流体力学最开始难理解的一对概念就是“拉格朗日观点”和“欧拉观点”。拉格朗日观点相对来说好理解一些，因为它与同学们高中学习的思维方式是类似的，但是欧拉观点则比较抽象，许多同学表示很难理解这一观点。为此，我选择与日常生活更接近的人群追踪和搜索为例讲解这个案例。对于拉格朗日观点，就相当于在每个人身上安装了一部追踪器，一个城市人群的动态变化可以根据追踪器的变化直接显示。如果想追踪某个特殊人（例如罪犯），直接观测他对应的追踪器即可显示他的“运动轨迹”。对于欧拉观点，则相当于在城市的每个角落安装一部摄像机，一个城市人群的动态变化需要根据摄像机的所有图像合成起来之后形成。摄像机并不关注某个个体，它仅关注进入和出去它拍摄范围的人群。如果想追踪某个特殊人（例如罪犯），相对来说比较困难，需要联合多个摄像机对进入和出去该摄像机的范围进行对接，而获得他的“运动轨迹”。通过这个案例的讲解，可以使学生更加直观地理解拉格朗日观点和欧拉观点的异同以及核心特点，形象化的案例使得学生更容易理解和接受流体力学中的观点。
四、理论实际相结合，加强学生知识应用能力
船舶与海洋工程流体力学与一般学科流体力学的区别还在于船舶与海洋工程的学科特色，船舶与海洋工程中有诸多设计及科研案例均直接与流体力学知识相关。为了让学生能将理论知识与工程实际相结合，对于特定的知识点，可选择典型科研案例作为牵引，加强学生对知识的应用能力。
在讲解水波理论的知识点时，首先给学生展示目前国际上最新的、具有商品化潜力各种波浪能捕获装置，例如振荡水柱式、振荡浮子式、推摆式、收缩波道式、筏式、鸭式和直线电机式等^[5]。其次，选择理论知识点最贴近本章知识点的筏式为代表，展示国际上比较热点的“海蛇号”。先由“海蛇号”的真实应用为例，启发学生为什么“海蛇号”随着自由表面波在上下运动就能发电呢？他的能量来自于哪里？是动能还是势能？能量大小是多少？“海蛇”质点的运动规律是什么？再次，引领学生带着这些疑问，共同建立数学模型，建立基本方程和定解条件，然后求解，获得对应的速度势和压力、能量、质点运动规律等。这些问题都讲解完之后，最后再返回到“海蛇号”，解释之前问题，同时可追加提问学生“海蛇号”波形传播的速度和能量传播的速度分别是多少？如何改进能提升“海蛇号”捕获的能量等。通过典型的、最热门的科研案例，一方面让学生深入理解所学知识点，例如表面波能量传播的规律等，另一方面教授学生如何将学习的知识应用在实际科研中。达到理论实际相结合、科研教学相结合、理论指导实际、教学相长等目的。
五、“脑洞大开”，发挥学生主观能动性
    基本知识点讲授结束后，将学生分成小组，通过小组研讨式教学，深入消化理解对应知识点。经过学生的小组讨论和教师辅导，一组组流体力学的奇思妙想脱颖而出，有试图利用卡门涡街发电的涡激振动装置；有借助伯努利方程产生低压区将蚊子捕获的多功能蚊帐；有参照高尔夫球表面形状改造的汽车车型，应用于未来高速汽车，从而降低高速形状阻力；有利用光线折射原理开发的三维波面监测装置等。
六、结论
船舶与海洋工程流体力学是船舶与海洋工程学科的两大支撑力学之一，学习好本课程对于该专业的学生具有重要意义。然而，由于本课程的内容抽象，数理知识较多，一直是学生觉得最难学的一门课之一。
参考文献：
[1] 张亮，李云波. 流体力学[M].哈尔滨工程大学出版社，2006.
[2] 张洪生，流体力学课程教学方法的几点探讨[J]，高教学刊，2017，(14):91-93.
[3] 陈庆光，张明辉，朱绪力，等.流体力学课程教学中几个基本概念的教学方法[J].力学与实践，2015，37（1）：138-141.
[4] 王亮，薛锐，蔡宁，高校工程流体力学课程教学的探索与实践[J]，教育教学论坛，2019,28:126-127.
[5] 姚琦，王世明，胡海鹏，波浪能发电装置的发展与展望[J]，海洋开发与管理，2016,(1)：86-91.