课程名称：流体力学       适用专业：海洋资源开发技术

开课学院：海洋工程学院     主讲教师：严志虎

课程简介：

《船舶流体力学》是一门针对海洋资源开发技术专业学生开设的专业基础课程，它主要研究船舶在水中航行时所受到的流体动力作用以及相关现象。该课程对于理解船舶设计、性能分析和优化等方面具有重要意义。课程整体教学目标包括：（1）掌握基本概念。（2）理论联系实际。（3）计算能力培养。（4）实验技能提升。（5）创新思维激发。课程思政目标包括（1）爱国情怀教育。（2）科学精神弘扬。（3）团队合作意识。（4）职业道德培养。（5）国际视野拓展。总之，《船舶流体力学》不仅致力于传授专业知识和技术技能，同时也注重塑造学生正确的世界观、人生观和价值观，促进其全面发展。

一、章节名称

第一章 绪论

第二节 流体力学发展简史

二、章节教学目标

1. 知识目标

（1）了解历史背景：使学生熟悉流体力学作为一门学科是如何从古代到现代逐渐形成并发展的，包括关键的历史时期、重要人物及其贡献。

（2）掌握重要理论：理解流体力学中的几个里程碑式理论，例如阿基米德原理、伯努利方程、纳维-斯托克斯方程等，并了解这些理论是如何推动了科学技术的进步。

（3）认识技术进步：探讨随着实验方法、数学工具以及计算机模拟技术的发展，流体力学的研究手段和应用范围发生了哪些变化。

（4）关联现代应用：将流体力学的历史发展与当今船舶设计、航空航天工程、环境科学等领域中的实际应用相联系，展示其持续的重要性。

2. 思政目标

（1）激发学习兴趣：通过讲述历史上科学家们面对挑战时展现出的好奇心、毅力和创造力，激励学生对科学研究产生浓厚的兴趣。

（2）培养批判性思维：鼓励学生对流体力学史上各种理论和发现进行反思，学会独立思考和质疑权威，从而培养出批判性思维能力。

（3）强化文化自信：介绍中国古代关于水力利用方面的智慧（都江堰水利工程），增强对中国传统文化中蕴含科学思想的认识，提高文化自信心。

（4）树立正确价值观：讲述一些科学家为追求真理而不惜牺牲个人利益的故事，帮助学生树立正确的人生观和价值观，认识到科研工作的崇高意义。

（5）促进国际合作意识：指出流体力学是一个国际性的研究领域，许多重大突破都是跨国界合作的结果，以此来培养学生具有全球化视野和跨文化交流的能力。

三、案例设计与内容

1. 案例导入

先说说4000多年前的大禹治水。禹之前鲧：窃天之息壤堵水。什么是息壤呢，息壤就是自己能生长的土壤，只长不消，越挖越多。但堵水没有成功，被杀。禹后来改变了策略：“治水须顺水性，水性就下，导之入海。高处就凿通，低处就疏导”。因势利导，13年完成治水大业，因而顺利当了皇帝。实际中，堵法和疏法都是治水的策略之一，只是依水性和水势应该多用疏法。后来因势利导不仅是治水方略，也是管理中的经验良方。

2. 案例教学方法

（1）案例教学法：

通过具体案例分析，将理论知识与现实生活中的实际问题相结合，帮助学生更好地理解和吸收。选择具有正面导向作用的真实事件或历史故事，引导学生讨论并从中汲取道德和价值观念。

（2）课堂讨论与辩论：

通过组织课堂讨论或辩论会，鼓励学生表达个人观点，同时倾听他人的意见。这种方式有利于锻炼学生的逻辑思维能力和表达技巧，也促进了多元观点的交流与碰撞。

（3）多媒体辅助教学：

利用视频、音频、动画等多种媒体形式展现教学内容，增加课堂的趣味性和吸引力。合理运用多媒体资源可以让抽象的概念更加生动直观，便于学生接受和记忆。

3. 案例内容

来看看中国智慧都江堰。都江堰坐落在成都平原西部的岷江上，位于四川省都江堰市城西。秦昭王末年（约公元前256年）由李冰父子修建。是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。被誉为“世界水利文化的鼻祖”。属于世界文化遗产、世界自然遗产和国家5A级旅游景区。这就是举世闻名的都江堰。请看岷江从千山万壑里奔涌而出，在这里被金刚堤人为分为外江和内江，外江汇入长江，内江用于成都平原的灌溉。右手边为玉垒山，上有纪念李冰父子的二王庙。都江堰最值得一看的是什么呢？就是三大主体工程，分别是鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口。中国智慧主要体现在这里，下面我们一起来看看。

①鱼嘴分水（最早应用流体力学三大定律之一质量守恒定律）

主体工程之鱼嘴位于金刚堤头部，将岷江来流一分为二，形成外江和内江，内江经宝瓶口流入成都平原。所以叫鱼嘴分水。鱼嘴分水伟大之处在于2000多年前的李冰父子实现了岷江的四六分水，而且这个分水可以根据水量自动动态调整，冬天水枯季节外四内六（外江四成，内江六成），夏天洪水季节则外六内四。这样有什么好处呢，可使得成都平原枯水不旱，洪水不涝，保持冬天夏天稳定供水。

（请同学们独立思考并分组讨论）

能想到中国智慧体现在什么地方了吧。主要体现在两个方面：

（1）世界上最早发现并应用了质量守恒定律，即上游的流下来的水量等于从下游流出的水量，四六分水就是应用。比达芬奇要早1500年以上，目前公认质量守恒定律是达芬奇观察河流流动时得出的。

（2）利用质量守恒定律设计了四六分水工程，能根据水量多少自动调节。就这个设计，我们现在来精确实现几乎都不可能，我们就简单想想思路。要让内江多走水，谁都能够想到必须把内江挖宽挖深，但这样显然会出现问题，会导致冬季和夏季走的水量都多，这样夏天洪水期会造成涝灾。怎么办呢？工程最终设计是挖深内江，挖宽外江来解决这一难题。所以都江堰为什么现在来看都是世界伟大的水利工程，这还不算，来看看都江堰排沙设计。

②飞沙堰二八排沙（二次流原理的熟练应用）

主体工程飞沙堰位于金刚堤的尾部，实际是通往外江的一道闸门，正是通过它八成（即80%）的粗沙石从这里被排出，保证内江不容易被堵塞。这一设计来源于对流体力学的“二次流”原理的理解。什么是二次流呢？先来看一个茶叶实验。

（此处通过多媒体教学方法展示视频）

请认真观察茶杯中的茶叶如何运动？首先将茶水倒进茶杯，接着用勺子搅动茶杯中水旋转，茶叶也跟着旋转，但由于茶叶比水重最后沉入杯底继续随水流旋转。我们可能会想到由于离心力的作用，茶叶肯定会被甩到边壁。然而正好相反，茶叶都聚集在了杯中央。这就是著名的二次流。那么究竟什么是二次流呢？对刚才茶杯实验，看左图，是茶杯的俯视图，勺子搅动水旋转的流动叫主流或一次流，而右图，沿直径的截面，茶叶向中心聚集的流动就叫二次流，二次流一般与主流方向垂直。同时请注意由于流体转动的离心力作用，流体会被甩向壁面，因而在液面造成向壁面的流动，壁面液面升高，最后自由面不再平坦而是成为了抛物面。所以实际上二次流应该是右图所示的环流，请思考，茶叶为什么没有做循环流动呢？显然是重力作用。

都江堰的飞沙堰就是利用二次流原理。如图中红色箭头所示，洪水期内江河底的粗沙和石块就会流向河道内侧在金刚堤堆积，或从飞沙堰排向外江，据说飞沙堰能把重达千斤的巨石抛向外江。细沙则在上层水面，从宝瓶口流出，用于灌溉并增加土壤肥力。所以水利工程取水口往往设在河道凹岸侧下游，这就是所谓的“正面取水，侧面排沙”。公元241年，关中平原引泾河入洛河的郑国渠，也是利用这个原理取水的。二次流日积月累的冲刷河道外侧凹处，同时日积月累地将泥沙堆积到内侧，所以导致河流总是弯弯曲曲的。

③宝瓶口（热胀冷缩原理的妙用）

宝瓶口在内江外侧出口处，在现在的离堆和玉垒山之间，采取正面取水，将水和细沙一起带入了成都平原。宝瓶口是李冰父子在玉垒山开出的一条通道，这在当时是一个不可想象的工程。请猜猜他们用什么办法将巨大的岩石挖开的呢？火药，是的，火药在我国春秋时就开始应用了。但那时候还远远达不到这个威力。他们当时用的火烧水激的方法，先用火烧岩石，然后向岩石浇水，岩石最后自然松软裂开。这是热胀冷缩原理的应用。你该惊叹这鬼斧神工了吧，你该赞叹我们祖先的奇思妙想了吧。

四、教学效果与反思

将都江堰水利工程引入到《船舶流体力学》课程的思政教学中，可以通过历史案例来丰富课程内容，同时传递重要的思政教育信息。

（1）教学效果

①增强文化自信。通过对都江堰这一中国古代伟大工程的学习，学生能够深刻体会到中华民族悠久的历史文化和卓越的工程技术能力，增强民族自豪感和文化自信心。

②激发学习兴趣。都江堰的设计精巧且实用，体现了古人对水流规律的深刻理解。通过这样的实例，可以激发学生对流体力学的兴趣，使其认识到理论知识的实际应用价值。

③培养科学精神。李冰父子在建造都江堰时所体现出来的勇于探索、不断试验的精神，可以成为激励学生追求科学真理、勇于创新的动力。

④强化环境保护意识。都江堰工程不仅解决了灌溉问题，还兼顾了防洪功能，体现了人与自然和谐共处的理念。这有助于培养学生在今后从事相关工作时考虑到环境保护和可持续发展的需要。

⑤促进综合能力发展。分析都江堰的成功之处及其背后的文化背景，可以帮助学生提高综合分析问题的能力，以及在解决复杂工程问题时所需的多学科交叉思维。

（2）教学反思

①深度与广度的平衡。在引入都江堰案例时需要注意控制好讲解的深度与广度，确保不会偏离《船舶流体力学》的核心内容，避免过多的历史背景介绍分散了学生对专业知识点的关注。

②案例的相关性。虽然都江堰是流体力学应用的一个经典例子，但在与船舶设计直接相关的方面可能不够具体。因此，在讲授时应特别注意找到两者之间的联系点，确保案例能有效支持课程的教学目标。

③学生的接受程度。不同背景的学生可能对历史文化知识的兴趣程度不一。教师需要留意学生的反馈，适时调整授课策略，确保所有学生都能从中受益。

④思政教育的自然融合。思政教育应该自然地融入到专业课程中，而不是显得突兀或生硬。在讲解都江堰时，应巧妙地将思政元素融入到技术分析之中，做到润物细无声的效果。

⑤评估与反馈机制。为了保证思政教育的有效性，需要建立有效的评估与反馈机制，定期收集学生对于这类教学方法的意见和建议，以便及时调整和完善。

综上所述，将都江堰水利工程融入到《船舶流体力学》课程中是一种有益尝试，它可以丰富教学内容，提高学生的学习积极性，并传递重要的思政信息。然而，实施过程中需要注意保持专业性和思政教育之间的良好平衡，并根据实际情况做出适当的调整。