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摘要：以Visual C++作为编程语言，结合Windows Media Player多媒体功能，在参考国内外大量资料的基础上，开发了多媒体流体力学辅助教学系统，涵盖了流体力学的主要内容。教学实践的应用表明，该系统可实现激发学生的求知欲、建立物理直觉、通过虚拟实验室和多种模拟器实现交互式学习等基本教学目标。在丰富流体力学教学内容的同时，提高了教学效率，优化了教学目的，达到了事半功倍的教学效果。
关键词：流体力学；多媒体；交互式学习
作者简介：叶学民（1973-），男，河北邢台人，华北电力大学能源动力与机械工程学院，副教授；李春曦（1973-），女，河北唐山人，华北电力大学能源动力与机械工程学院，副教授。（河北?保定?071003）
基金项目：本文系华北电力大学2010年本科教育教学改革教育教学重点项目的研究成果。
中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）22-0052-02
一、“流体力学”教学现状
“流体力学”作为能源动力类专业的一门专业基础课，以研究流体的运动规律为主要内容，并为后续的传热学课程学习提供必要的基础。由于教学内容涉及面较广，既有工程应用性，又包括大量的理论性内容，且运用高等数学知识较多，因此学生普遍感到该课程概念模糊、内容抽象且理论性较强，这在一定程度上影响了教学效果。[1-3]究其原因，一方面，传统的板书教学模式虽然在公式推导、理清思路、强化记忆、深入思考方面具有不可替代的优势，但同时也存在缺乏生动、活泼、形象的一面；另一方面，由于学生尚未具备对多数基本概念的物理直觉、对于呆板文字描述的理解需要丰富的想象力，难以激发其积极性。
多媒体技术作为一种新的教学手段，通过教材内容与动态文本、图像、动画、音频、计算机模拟技术的有机整合，使得原来抽象的概念形象化、枯燥的方程式清晰化、晦涩的物理过程机理生动化，可从多方面激发学生的积极性和创新思维，并且通过与传统教学模式相结合起到了相得益彰的作用。近年来，随着多媒体技术在计算机辅助教育领域的深入应用，多媒体辅助教学模式在高等教育中发挥了愈来愈重要的作用。[4-5]本文通过介绍自行开发的多媒体流体力学辅助教学系统，分析了该辅助教学系统在教学实践中的应用效果，为进一步提高教学效果起到了积极的示范作用。
二、辅助教学系统简介
以Visual C++作为编程语言，结合Windows Media Player多媒体功能，在遵循软件开发一致性、易用性、容错和联机帮助等设计原则基础上，通过对教学内容的系统性和连贯性梳理，并参考国内外多媒体流体力学的基础上，[6]开发了多媒体流体力学辅助教学系统，其界面如图1所示。该系统包括动力学、边界层、运动学、名人堂、虚拟实验室、演示、模拟、模拟器、图片和表格、流动可视化等模块，涵盖了流体力学的绝大部分内容。
动力学包含了流体的经典研究方法、牛顿第二运动定律、纳维尔-斯托克斯方程和各种边界条件等。边界层包含了边界层概念、平板突然启动产生的边界层、层流边界层、边界层分离、不稳定现象和紊流边界层等，其中的教学短片不乏趣味性、生动性。运动学涵盖了由质点到场和由物质导数到各种流动线等内容，生动细致地描述了迹线、流线、脉线和等时线等抽象概念，通过运用丰富的流动显示技术将运动过程展示出来。虚拟实验室将动力学、运动学和边界层等模块中需要深入讨论的部分细化出来，结合Java虚拟技术，让使用者亲自实现对流体流动等方面的模拟演示。演示将一部分录像短片组织起来，作为特殊的演示呈现给使用者。模拟器基于Java虚拟机，将分子动力学模拟器、流体势流构造器和边界层微分方程数值解等独立出来，从使用者亲自实践。图片和表格将一些纷繁芜杂的图片和教学短片有机地综合起来，通过表格或视频播放的形式，将这些信息归纳整理起来。流动可视化通过可视化手段将不可见的流体流动清晰演示出来。名人堂中阐述了十五位具有杰出贡献的科学家的生平和卓越贡献。
三、教学实践效果分析
在“流体力学”的教学实践中，适时地应用了多媒体流体力学辅助教学系统（以下简称辅助教学系统），取得了良好的教学效果，现分析如下。
1.激发学生的求知欲
激发学生的兴趣和求知欲是开展学习并获得良好学习效果的前提。如果学生对于课程内容的学习缺乏基本的兴趣，很难想象他能投入到课程的有效学习之中，更无从谈起知识的综合运用。因此，提高学习兴趣就成了摆在授课教师面前的首要问题和关键所在。流体力学的内容浩如烟海，涉及日常生活和工业应用的方方面面，辅助教学系统的各模块中提供了大量的鲜活实例，从而可有效地激发学生的求知欲。
在讲解绪论和各章节时，可通过观看录像、图片集、名家事迹等提高学习兴趣和动力。如因人体与外界环境存在温差产生的自然紊流对流及鼻孔处的强迫紊流（图2a），又如自然界中水蜘蛛在水面上运动形成的毛细波（图2b），再如通过数值模拟获得的肺部气管和支气管在呼吸过程中气体的速度分布（图2c）。这样的生动活泼的实例让学生感到大量有趣的流体力学现象就在身边，但对其内部物理机理的理解又需学习流体力学知识，从而可激发学习动力。另外，辅助教学系统中的名人堂模块，不仅可使学生了解诸如达芬奇（图2d）、牛顿、冯卡门等15名著名流体力学家的生平，也使其对流体力学和其他学科的卓越贡献有了较为全面的认识，从而激发学生探索自然科学的积极性和主动性。
2.建立物理直觉
建立物理直觉是深刻理解物理概念的催化剂，并有助于强化大脑的记忆功能。流体力学中的概念和规律大多比较抽象，而教材中的描述和解释需要学生具备一定或丰富的想象力，这在一定程度上影响了学习效果。在教学实践中，如能通过形象直观的图片、动画、录像等手段来进行相关内容的学习，势必强化对概念和规律的直观认识，并在大脑形成深刻的、有效的记忆痕迹。
如讲述层流和紊流概念时，既可通过雷诺试验中等直径圆管内流线的变化进行直观认识，也可通过平板上流体的流态变化对比（图3a）进一步加强认识，该影像清晰地给出了层流与紊流两种流态的显著区别。对于理想和实际流体绕流物体形成的流动特征，图3b中的流线变化清楚地显示了二者间的区别与联系，对于理想流体，流线在车尾平滑地汇合，并流向下游；而对于实际流体，在汽车尾部将形成明显的尾涡区，这是由于边界层分离所致。另外，辅助教学系统还将有关抽象的数学方程与物理概念相结合，进一步加深对基本概念和运动规律的理解。如图3c所示，该界面给出了多种流动形式及其控制方程（纳维尔-斯托克斯方程），并且对于不同的流动形式，其主要控制因素也一目了然，极大地方便了对主要矛盾的掌握；而且点击任一流动（如翼型），则显示出绕流翼型时流线的变化及其控制方程，如图3d所示。通过诸如此类的动画和影像的有效使用，将使学生形成深刻的物理直觉，进一步加深对流动规律内涵的理解。 3.通过虚拟实验室和模拟器实现交互式学习
交互式学习作为一种新型的学习方式，是指利用多媒体计算机技术和网络技术，借助多媒体课件或网上资源，由学习者自主进行的一种双向交流式学习方式。[7]借助交互式学习模式，以学生为主体，通过自我指导、反复实践等手段，可以不断加深对基本概念和规律的认识，从而使学生达到会学和学会的教学目的。
辅助教学系统中的虚拟实验室和模拟器就提供了交互式学习这一功能。图4a为用于模拟不同物质（固、液和气体）界面间的连续性特征，通过选择不同的粘性和驱动流体，可得到不同的流体特征。图4b给出了在流体绕流不同物体（如翼型、椭圆体、球体）时的流线特征，进而比较不同绕流情形下的区别，并给出了理论结果和实验影像；而且可通过改变绕流物体在流场中的方位进一步分析绕流特征的变化，如改变绕流翼型的冲角。图4c为势流模拟器，用于模拟绕流兰金半体、兰金体、圆柱体和旋转柱体等多个物体的流线和等势线特征，而且可通过改变偶极流强度观察驻点的变化，也可以自行创造新的势流流动，并观察其绕流特性。图4d为绕流大平板时层流边界层的特征，可用于模拟不同流速下的边界层厚度、位移厚度和动量损失厚度，还可绘制壁面阻力系数、边界层外缘速度和速度剖面等曲线，进一步丰富了边界层理论的学习，并加强了对边界层基本特征的认识。
参考文献：
[1]陶汉中,李菊香.关于“工程流体力学”课程多媒体教学的思考[J].中国电力教育,2010,(18):58-61.
[2]潘良明,何川,陈红.工程流体力学立体教学法初探[J].中国电力教育,2008,(11):73-74.
[3]陈晓珊,洪文鹏,张玲,等.工程流体力学课程改革的思考[J].东北电力大学学报,2006,26(3):54-56.
[4]王发辉,桑俊勇,张丹.“流体力学”立体化教学体系的构建[J].中国电力教育,2009,(24):102-103.
[5]徐文娟,侯清泉,刘训涛.多媒体技术在《工程流体力学》教学中的应用[J].理工高教研究,2008,(2):94-95.
[6]G.M.Homsy.Multimedia Fluid Mechanics[M].Cambridge University Press,2004.
[7]梁红,吴继耘,何立乾.应用多媒体课件改革英语教学模式[J].天津成人高等学校联合学报,2005,(1):83-84.
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：流体力学；多媒体；交互式学习
作者简介：叶学民（1973-），男，河北邢台人，华北电力大学能源动力与机械工程学院，副教授；李春曦（1973-），女，河北唐山人，华北电力大学能源动力与机械工程学院，副教授。（河北?保定?071003）
基金项目：本文系华北电力大学2010年本科教育教学改革教育教学重点项目的研究成果。
中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）22-0052-02
一、“流体力学”教学现状
“流体力学”作为能源动力类专业的一门专业基础课，以研究流体的运动规律为主要内容，并为后续的传热学课程学习提供必要的基础。由于教学内容涉及面较广，既有工程应用性，又包括大量的理论性内容，且运用高等数学知识较多，因此学生普遍感到该课程概念模糊、内容抽象且理论性较强，这在一定程度上影响了教学效果。[1-3]究其原因，一方面，传统的板书教学模式虽然在公式推导、理清思路、强化记忆、深入思考方面具有不可替代的优势，但同时也存在缺乏生动、活泼、形象的一面；另一方面，由于学生尚未具备对多数基本概念的物理直觉、对于呆板文字描述的理解需要丰富的想象力，难以激发其积极性。
多媒体技术作为一种新的教学手段，通过教材内容与动态文本、图像、动画、音频、计算机模拟技术的有机整合，使得原来抽象的概念形象化、枯燥的方程式清晰化、晦涩的物理过程机理生动化，可从多方面激发学生的积极性和创新思维，并且通过与传统教学模式相结合起到了相得益彰的作用。近年来，随着多媒体技术在计算机辅助教育领域的深入应用，多媒体辅助教学模式在高等教育中发挥了愈来愈重要的作用。[4-5]本文通过介绍自行开发的多媒体流体力学辅助教学系统，分析了该辅助教学系统在教学实践中的应用效果，为进一步提高教学效果起到了积极的示范作用。
二、辅助教学系统简介
以Visual C++作为编程语言，结合Windows Media Player多媒体功能，在遵循软件开发一致性、易用性、容错和联机帮助等设计原则基础上，通过对教学内容的系统性和连贯性梳理，并参考国内外多媒体流体力学的基础上，[6]开发了多媒体流体力学辅助教学系统，其界面如图1所示。该系统包括动力学、边界层、运动学、名人堂、虚拟实验室、演示、模拟、模拟器、图片和表格、流动可视化等模块，涵盖了流体力学的绝大部分内容。
动力学包含了流体的经典研究方法、牛顿第二运动定律、纳维尔-斯托克斯方程和各种边界条件等。边界层包含了边界层概念、平板突然启动产生的边界层、层流边界层、边界层分离、不稳定现象和紊流边界层等，其中的教学短片不乏趣味性、生动性。运动学涵盖了由质点到场和由物质导数到各种流动线等内容，生动细致地描述了迹线、流线、脉线和等时线等抽象概念，通过运用丰富的流动显示技术将运动过程展示出来。虚拟实验室将动力学、运动学和边界层等模块中需要深入讨论的部分细化出来，结合Java虚拟技术，让使用者亲自实现对流体流动等方面的模拟演示。演示将一部分录像短片组织起来，作为特殊的演示呈现给使用者。模拟器基于Java虚拟机，将分子动力学模拟器、流体势流构造器和边界层微分方程数值解等独立出来，从使用者亲自实践。图片和表格将一些纷繁芜杂的图片和教学短片有机地综合起来，通过表格或视频播放的形式，将这些信息归纳整理起来。流动可视化通过可视化手段将不可见的流体流动清晰演示出来。名人堂中阐述了十五位具有杰出贡献的科学家的生平和卓越贡献。
三、教学实践效果分析
在“流体力学”的教学实践中，适时地应用了多媒体流体力学辅助教学系统（以下简称辅助教学系统），取得了良好的教学效果，现分析如下。
1.激发学生的求知欲
激发学生的兴趣和求知欲是开展学习并获得良好学习效果的前提。如果学生对于课程内容的学习缺乏基本的兴趣，很难想象他能投入到课程的有效学习之中，更无从谈起知识的综合运用。因此，提高学习兴趣就成了摆在授课教师面前的首要问题和关键所在。流体力学的内容浩如烟海，涉及日常生活和工业应用的方方面面，辅助教学系统的各模块中提供了大量的鲜活实例，从而可有效地激发学生的求知欲。
在讲解绪论和各章节时，可通过观看录像、图片集、名家事迹等提高学习兴趣和动力。如因人体与外界环境存在温差产生的自然紊流对流及鼻孔处的强迫紊流（图2a），又如自然界中水蜘蛛在水面上运动形成的毛细波（图2b），再如通过数值模拟获得的肺部气管和支气管在呼吸过程中气体的速度分布（图2c）。这样的生动活泼的实例让学生感到大量有趣的流体力学现象就在身边，但对其内部物理机理的理解又需学习流体力学知识，从而可激发学习动力。另外，辅助教学系统中的名人堂模块，不仅可使学生了解诸如达芬奇（图2d）、牛顿、冯卡门等15名著名流体力学家的生平，也使其对流体力学和其他学科的卓越贡献有了较为全面的认识，从而激发学生探索自然科学的积极性和主动性。
2.建立物理直觉
建立物理直觉是深刻理解物理概念的催化剂，并有助于强化大脑的记忆功能。流体力学中的概念和规律大多比较抽象，而教材中的描述和解释需要学生具备一定或丰富的想象力，这在一定程度上影响了学习效果。在教学实践中，如能通过形象直观的图片、动画、录像等手段来进行相关内容的学习，势必强化对概念和规律的直观认识，并在大脑形成深刻的、有效的记忆痕迹。
如讲述层流和紊流概念时，既可通过雷诺试验中等直径圆管内流线的变化进行直观认识，也可通过平板上流体的流态变化对比（图3a）进一步加强认识，该影像清晰地给出了层流与紊流两种流态的显著区别。对于理想和实际流体绕流物体形成的流动特征，图3b中的流线变化清楚地显示了二者间的区别与联系，对于理想流体，流线在车尾平滑地汇合，并流向下游；而对于实际流体，在汽车尾部将形成明显的尾涡区，这是由于边界层分离所致。另外，辅助教学系统还将有关抽象的数学方程与物理概念相结合，进一步加深对基本概念和运动规律的理解。如图3c所示，该界面给出了多种流动形式及其控制方程（纳维尔-斯托克斯方程），并且对于不同的流动形式，其主要控制因素也一目了然，极大地方便了对主要矛盾的掌握；而且点击任一流动（如翼型），则显示出绕流翼型时流线的变化及其控制方程，如图3d所示。通过诸如此类的动画和影像的有效使用，将使学生形成深刻的物理直觉，进一步加深对流动规律内涵的理解。 3.通过虚拟实验室和模拟器实现交互式学习
交互式学习作为一种新型的学习方式，是指利用多媒体计算机技术和网络技术，借助多媒体课件或网上资源，由学习者自主进行的一种双向交流式学习方式。[7]借助交互式学习模式，以学生为主体，通过自我指导、反复实践等手段，可以不断加深对基本概念和规律的认识，从而使学生达到会学和学会的教学目的。
辅助教学系统中的虚拟实验室和模拟器就提供了交互式学习这一功能。图4a为用于模拟不同物质（固、液和气体）界面间的连续性特征，通过选择不同的粘性和驱动流体，可得到不同的流体特征。图4b给出了在流体绕流不同物体（如翼型、椭圆体、球体）时的流线特征，进而比较不同绕流情形下的区别，并给出了理论结果和实验影像；而且可通过改变绕流物体在流场中的方位进一步分析绕流特征的变化，如改变绕流翼型的冲角。图4c为势流模拟器，用于模拟绕流兰金半体、兰金体、圆柱体和旋转柱体等多个物体的流线和等势线特征，而且可通过改变偶极流强度观察驻点的变化，也可以自行创造新的势流流动，并观察其绕流特性。图4d为绕流大平板时层流边界层的特征，可用于模拟不同流速下的边界层厚度、位移厚度和动量损失厚度，还可绘制壁面阻力系数、边界层外缘速度和速度剖面等曲线，进一步丰富了边界层理论的学习，并加强了对边界层基本特征的认识。
参考文献：
[1]陶汉中,李菊香.关于“工程流体力学”课程多媒体教学的思考[J].中国电力教育,2010,(18):58-61.
[2]潘良明,何川,陈红.工程流体力学立体教学法初探[J].中国电力教育,2008,(11):73-74.
[3]陈晓珊,洪文鹏,张玲,等.工程流体力学课程改革的思考[J].东北电力大学学报,2006,26(3):54-56.
[4]王发辉,桑俊勇,张丹.“流体力学”立体化教学体系的构建[J].中国电力教育,2009,(24):102-103.
[5]徐文娟,侯清泉,刘训涛.多媒体技术在《工程流体力学》教学中的应用[J].理工高教研究,2008,(2):94-95.
[6]G.M.Homsy.Multimedia Fluid Mechanics[M].Cambridge University Press,2004.
[7]梁红,吴继耘,何立乾.应用多媒体课件改革英语教学模式[J].天津成人高等学校联合学报,2005,(1):83-84.
（责任编辑：宋秀丽）