摘要：针对本科生流体力学课程的教学内容与方法的改革，利用一个典型的教学案例，阐述了开展研究型教学模式的教学思想与教学过程，对工科院校流体力学课程的教学内容与教学方法进行了改革。在将现代研究方法引入课堂的同时，对研究型创新人才的培养也进行了有益的尝试。
　　关键词：研究型教学模式；流体力学；数值模拟
　　【中图分类号】G64.25【文献标识码】A【文章编号】
　　所谓研究型教学模式是指在教学中引导学生逐步深入研究某一个问题的教学模式，是以具体的实例为研究对象，利用所学的基础理论知识，并结合现代的研究手段进行逐步的深入研究，并对结果进行分析，目的是培养学生从事科学研究的思维模式和严谨的科研态度。这是将现代科研研究方法和研究内容引入课堂的重要途径，也是达到培养研究型人才的重要过程。本文在流体力学的教学实践中进行了相关的尝试，并获得了较好的教学效果。
　　一、研究题目的选取
　　由于是课堂教学，受时间的限制，研究题目要求适当，即简单易懂、清晰明了，又有实用价值和深入研究的前景，在具体教学中选取了如下的问题。
　　结构如图1所示，阀门A固定，阀门B可上下移动，水在阀门A、B所开启的通道内流动。若阀门A入口处的来流速度为已知，试分析流域内的压力分布、速度分布，并计算阀门B所受到的合力。
　　对于这个问题，在引导学生对流动进行分析的同时，提出了如下的问题：
　　（1）水流对阀门B的作用力是促使阀门B关闭还是开启？
　　（2）水流在a、b处的流动方向如何？
　　（3）水流对阀门B的作用力与阀门开启之间的关系如何？
　　这个题目是来自于工程实践中的阀门控制问题，在进行阀门开启的自动控制设计中，要求确认阀门B的受力大小及方向。问题提出后，可要求学生根据自己对问题的理解，先猜想一下结果，然后再进行深入的计算研究加以验证，并利用流体力学基本原理进行理论的分析和解释。
　　二、研究手段应具有先进性
　　介绍先进的研究方法，把现代研究工具融入到日常教学中，是教学改革的重要内容和任务。就本问题而言，这个问题看似简单，实际是一个比较复杂的紊流流动问题。鉴于理论求解的复杂性和实验研究的局限性，采用数值模拟的方法即体现了先进的研究手段，又适合于课堂研究讨论和对问题的深入研究和引导。
　　目前流体力学的研究方法有三种，一是理论的方法，二是实验的方法，三是数值的方法。传统的流体力学教学内容与方法，基本上是基于理论的教学，并辅之以部分简单的实验。利用理论解析的方法求解流体流动问题，由于受到求解非线性方程没有成熟的数学方法的制约，研究进展缓慢，到目前为止，也只有极少数的特例得以进行理论求解。对于利用实验方法进行研究，由于受到实验的局限性，以及大量人力物力的消耗，不适于本问题的课堂教学研究和教学目的。近年来，随着计算技术的飞速发展，社会生活和科学研究方法也产生了巨大的变化，利用数值模拟计算的方法已经是当前各个研究单位的首选研究手段。
　　鉴于以上论述，在对问题进行分析的基础上，同时介绍现代的研究方法和数值模拟计算平台（例如Fluent，CFX等），即给学生深入研究提供了研究手段，又达到了将教学内容与现代研究方法相结合的目的，对培养研究型人才具有重要意义。
　　三、计算结果应有合理的解释和分析
　　本文利用数值模拟的方法，通过对流域的建模、计算和后处理，对本问题进行了流动过程的研究。对这一部分教学内容，应该对流场的边界条件、边界类型、紊流模型和计算方法等进行较详细的介绍和讲解。鉴于大学本科教学内容和流体专业知识的限制，可对流场的边界条件和边界类型多做一些讲解，例如速度边界、压力出流边界等；对紊流模型的来源及其应用做简单介绍，而对诸如SIMPLE、PISO算法等仅仅介绍一下怎样选取和使用即可。
　　经过数值模拟计算，有如下发现：
　　（1）水流的流动对阀门B产生一个向下的力，促使阀门B趋向于关闭
　　对此结果，必须要有合理的解释。通过计算，发现通道内的压强分布如图2所示。对于阀门B来说，其上部为低压区，而下部为高压区，在这个压力差作用下，迫使阀门B有向下运动的趋势。

　　这一部分的流动，由于通道的变形，迫使水流改变原有的流动方向，在冲击阀门B下端壁面的同时，也使阀门B上端壁面产生了低压区，从而产生一个向下的合力。
　　（2）下部a处，水向通道内流动
　　数值模拟计算结果表明，经过口b的流动方向是向上的，这很好理解，但经过口a处的流动方向也是向上的，而不是向下的出流，流动情况如图3所示，这就可能与最初的猜想相悖。
　　对此情况，可利用伯努利方程进行解释。当水流流经阀门A、B相接处时，由于通道的变窄，使得流动速度加快，并产生一定的真空度。由于设定a处为大气压，则在此真空度的作用下，迫使水流向通道内流动。
　　四、指出进一步的研究内容
　　通过前面的教学，使学生对数值模拟这一现代研究手段及研究过程有了初步的了解，达到了将现代研究方法引入课堂的目的。为了更加有效的掌握教学内容，在介绍完数值模拟平台的使用，并对问题进行了初步研究之后，还必须引导学生进一步思考和研究。
　　具体到本次教学，提出了阀门B的受力大小与阀门开启之间有什么样的关系，要求进一步深入研究。这里首先要定义阀门的开启度，应该是一个无量纲的量。然后利用数值模拟平台，进行逐步的研究，并把计算结果绘制成曲线。这一部分工作，可留给同学课后完成，并要求以科研论文的格式写出研究报告。实践证明，这样的要求激发了学生的研究热情，也使学生对科学研究的方法和内容有了更深的体会。
　　本科生写出科研论文是卓越工程师计划的一部分，因此，这一部分的教学内容对参与卓越工程师计划的专业尤为重要。
　　五、教学实践中应该注意的一些问题
　　采用这种研究型教学模式，有如下的体会。
　　1、教学时机的把握
　　采用这种教学方法，应该是在讲授完流体力学基本内容之后进行。这里的流体力学基本内容包括流体流动的连续性方程、伯努利方程和动量定理，并对粘性流动的层流和紊流等进行介绍之后进行。
　　2、教学方式即可以采用演示的方法，也可以采用师生互动的方法
　　对于有条件的，应该尽量采用师生互动的方法进行教学，从方案的设定，到计算结果的处理和分析，要求师生一起进行，并进行充分的讨论，这样的教学效果是最好的。
　　3、题目的选取
　　采用研究型教学模式进行教学，应以讲解研究方法和研究过程为宗旨。其中题目的选取至关重要，一般来说，题目不易选得过于复杂，最好是来自于工程实际，并具有一定的代表性和后续研究内容。
　　4、教学后期的把握
　　这种教学过程的重要一环是学生的课后练习和对题目的进一步深入研究。另外，在要求完成本课题的后续研究并形成报告的同时，还应鼓励学生独自去发现问题，并利用学到的工具去解决问题。对于所完成的研究报告，应影响到本门课程的最终成绩。
　　本文所阐述的研究型教学方法，通过几年来的教学实践，对培养学生的研究能力起到了积极的作用，取得了较好的教学效果。教学效果在本科毕业设计阶段得到较充分的体现，受到师生的好评。