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浅析气体动力学教学中所缺的数学支撑.docx

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浅析气体动力学教学中所缺的数学支撑

摘要:高等数学对学生数学语言、抽象思维、逻辑分析等能力的锻炼,将直接影响他们后续学习和接受专业课程的难易程度。在工科专业工程教育认证要求下,学生应用数学知识和专业知识解决复杂工程问题的能力有着明确要求。这就必须在专业课的教学中就将专业知识和数学知识深度结合,使学生能够在授课中学会数学与专业知识的融会贯通,在未来面对具体工程问题能举一反三。为此,本文以飞行器动力专业基础课《气体动力学基础》的教学为例,调研分析教师授课与学生学习情况,讨论了高等数学对专业课教学的支撑作用,并提出了可行的课程改革措施。

文献标识码:A

一、概述

气体动力学基础是飞行器动力工程、航空宇航推进技术、能源动力等专业的非常重要的专业基础课程[1],对学生整体的专业素质、系统思维等培养有着至关重要的作用[2]。但是学生普遍感觉这门课程难度大、听不懂、看不懂[3],最主要的原因是公式复杂、数学概念多、高等数学应用强,“畏难”情绪逐渐发展为“躺平”和“摆烂”等情况。

作为一门专业基础课,气体动力学基础并非知识有多深奥(通常还会做理论简化处理),而是该课程是学生首次体会到高等数学融入现代学科中并广泛、灵活应用[4]。犹如很多本科生在中学时代数学不错,但进入大学学习时,因高数课程知识跨度大、概念抽象、数学语言晦涩等,导致高数的及格率在高校中普遍不理想。如要真正学好气体动力学基础,既要学生高数知识扎实,又要学生具备将具体工程问题抽象理解转化为数学问题的能力。学生在学习时感觉好不容易迈过一重高山,还要再过一重高山,才能达到可以较好理解的状态。

一般来说,高等数学属于学科教育课程,授课对象基本覆盖了几乎全部理工科专业学生,其开课院系只能考虑教学内容的普适性[5-7]。但随着课时减少,高等数学对专业课程的支撑、传接性将出现不足。有很多学者注意到这种支撑不足,也提出了教学方法、课程体系等方面的改革和探究。为提高学生学习效果,降低学生学习专业课程的难度,本文通过分析调研师生反馈,分析高等数学对气体动力学的教学支撑作用,并提出课程改革的探索。

二、气体动力学中的数学知识特征

气体动力学是为航空航天飞行器的气动设计、分析和应用提供了理论基础,其研究对象为空气。该课程属于力学学科范畴,与流体力学知识非常接近,而流体运动是无形且难以探究的,其基本理论对应的动力学方程多为非定常、非线性、偏微分方程(组)。从气体动力学课程内容所包含的数学知识来看,其特征如下:

(一)方程形式复杂

从流动现象出发列出的气体基本运动方程必然是复杂的。以气体动力学中流体微团运动分析内容为例,其引入的重要的流体运动分析数学表达可以写为:

对于刚学完高等数学的学生来说,上述偏微分方程组十分陌生。实际上,偏微分相关知识不在高等数学的教学大纲内容中,而微分方程的矢量运算(特别包含叉乘运算)更是闻所未闻。而在气体动力学课程中,该方程组推导默认学生能够理解。两门课之间的知识储备存在明显的断层。

(二)数理模型抽象

气体动力学研究对象为空气无形无相,对其进行受力和运动分析时必然大量依赖于抽象模型。在抽象的物理模型概念上,进一步抽象为数学模型,然后再对其进行理论上的推导、计算等。对初次接触这类知识的同学来说,犹如先抛出一个空中楼阁,再描绘它的亭台楼榭,最后还要学生学会对它改造修缮,难度可见一斑。

此外,气体动力学所建立的微分方程(组)的求解(推导)过程,存在大量的简化、降维方法,在不同的边界条件将演化为不同的形式。这对于学生也是一大挑战,需要较好的数理方程知识。然而,学生从高等数学中获取的数理方程知识十分有限,以至于基本不能理解部分重要的推导过程。教师在讲授相关内容时亦会大幅简化这些推导过程,仅重点强调最后化简后的代数方程形式,以免学生畏难心理过重。长此以往,学生养成了“见题套公式”的习惯。而面对具体工程问题的简化、抽象过程,所需“套用”的公式要根据实际情况调整。如果不能很好理解具体案例的“简化”思路,解决问题所套用的公式就经常错误,学生“应用数学和专业知识解决复杂工程问题”的能力并没有真正得到培养。

(三)微分思想综合运用强

气体动力学是充满了微分与极限等高等数学思想的课程,从流体微团的“宏观上无限小,微观上无限大”开始,就要求学生有比较扎实的微分思想。例如,在推导激波与膨胀波相关方程时,气流微小的偏转角dθ就有多重含义,它既是实际气流运动时变化的具体角度,也是对应速度矢量的比值,还可以是动量方程中的一个变量。通过方程组联立和变量代换,dθ最终可以写为多个热力学参数的微分表达。学生对微分方程的变化推导本就不熟悉,上述灵活运用就更难理解了。

三、学习反馈分析

为了针对上述课程难点制定对应教学调整,笔者对学生进行了问卷调研。回收有效问卷共114人次,其中67人次为正在学习本门课程的同学,47人次

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