高等数学思维在气体动力学教学中应用策略探讨

[摘 要] 高等数学是理工科院校最重要的基础学科，其包含的数学方法、数学思维对学生后续专业课程的学习至关重要。然而，高数知识相对于中学数学跨度较大，学生难以全面掌握，后续专业课程中所用的数学方法又超出了高数课程的范畴。针对这一问题，以航空专业核心课程“气体动力学基础”教学为例，分析了气体动力学课程包含的数学（思维）特点，讨论了高数与专业课程之间的联系，探讨了数学思维在衔接两门课程中的重要作用，提出了一些有效的教学应用策略。

[关键词] 高等数学;数学思维;气体动力学;航空专业课

[基金项目] 2021年度南昌航空大学教改课题项目“高等数学思维在气体动力学教学中实践研究”（JY21055）

[作者简介] 向 鑫（1989—），男（苗族），湖南怀化人，博士，南昌航空大学飞行器工程学院飞行器动力工程系讲师（通信作者），主要从事叶轮机械气体设计研究;吴逸飞（1980—），女，江西玉山人，博士，南昌航空大学飞行器工程学院飞行器动力工程系副教授，主要从事多尺度流热耦合LES方法研究;徐义华（1971—），男，江西抚州人，博士，南昌航空大学飞行器工程学院飞行器动力工程系教授，主要从事火箭发动机烧蚀与热结构研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）28-0007-05 [收稿日期] 2021-09-17

引言

高等数学具有很强的抽象思维特征，可以锻炼学生的思维逻辑能力[1];同时，高数又是很多专业的基础课程，工程应用背景非常强[2]。随着中国高等教育重要理论的发展，高等数学已不仅是理工类专业的理论基础课程，而且已经被列入部分文科专业的教学计划[3]。然而，与学生熟悉的中等数学相比，高等数学课程跨度大，思维抽象，符号体系复杂。相关专业教师发现，越来越多的学生存在基础不牢固、概念理解不深刻、学习困难等问题，这也导致学生对数学思维的理解不足，远远达不到后续专业课程的运用要求[4]。学生也普遍反映高数学习难度大，导致逐渐没有学习兴趣。

数学在众多的社会生产和生活领域都有不同程度的应用，是推动社会发展进步的重要知识基础[5]。数学思维是用数学思考问题和解决问题的思维活动形式。高等数学课程所具有的抽象性、逻辑性以及宽泛性，使其在培养学生抽象逻辑思维能力、创新能力、创造精神等方面有着重要作用。

“气体动力学基础”是飞行器动力工程专业学生的专业核心课程，是专业课程与基础课程之间承上启下的纽带，也是后续多门专业课的前置基础课。该课程的教学效果将直接影响后续理论教学和实践教学。气体动力学基础理论性很强，理论推导烦琐，对学生的数学思维有很高的要求。在教学实践中，学生经常有理解不了数学表述、看不懂符号、听不懂推导等情况。从学生专业课程的学习情况来看，高等数学与专业基础课程之间的纽带关联有所不足，很多专业学者对高等数学课程的教学方法、体系安排等都进行了改革和探究[6-8]。然而，不同专业涉及的数理方程不尽相同，工程问题的抽象思维方法也不相同。为提高学生课程学习效果，使学生理解数学思维的应用，为后续专业课程打下思维基础，本文对高数思维在该课程教学中的应用进行探讨，分析课程数学理论需求与高等数学教学之间存在的问题，从专业学习角度提出新的课程教学改进策略。

一、气体动力学数学思维特点

“气体动力学基础”是飞行器动力工程专业学生大二学习的重要专业核心课程，也是从事航空航天飞行器动力设计、分析和应用等不可缺少的理论基础，在培养学生创造性思维、综合设计能力、动力工程实践能力以及解决实际问题能力等方面占有重要地位。课程主要研究对象为无形的流体（空气），抽象模型理解困难，数学思维要求高，方程复杂。本文以课程最基本的知识点为例，分析该课程数学思维特点。

流体微团运动分析是课程最重要的理论之一，其理论基础来源于抽象思想。在运动的流体中取一流体微元体（见图1），设其中心点M在某一时刻速度为V，流体微元邻近一点M1的速度可以用M点的速度以泰勒级数展开来求解。然而，流场中质点的速度是矢量，在进行泰勒展开时将产生其他方向的偏导函数，使得方程形式十分复杂。另外，为了便于计算，还须对方程进行凑项处理（也是偏导函数），造成方程形式更为复杂。对变形后的偏微分方程各项再进行分类合并，才能分别给出物理解释。这里包含了由抽象物理概念转换为复杂数学形式，再返回物理意义的过程，对数学思维有着极高的要求。

上述内容对于刚学完高等数学的学生来说，理解起来是十分吃力的。与学生交流发现，仅这一段内容，学生在数学知识层面就存在以下问题：（1）偏微分概念不清晰。泰勒展开、略去二阶小量等，在高数中学习过，但是展后的表达不认识。对于偏微分不了解，不理解各方向速度其他坐标求偏导数的物理意义。（2）没见过方程组的矢量形式。（3）不理解运算符号，没见过叉乘运算，不清晰叉乘意义。（4）不理解运算目的，如为什么这样进行方程凑项，方程明明更复杂了。（5）学生有畏惧情绪，不理解的不懂的太多，高数已经十分难了，面对如此公式推导，学生更加畏惧。分析学生对课程的理解和反馈，结合授课理论知识，可以总结专业课程中高等数学的运用存在以下特点。

1.数学思维要求高。相比于高数，在专业课程中，数学应用更侧重于数学思维。高等数学是对自然问题更高级的认知工具，通过对物理问题进行抽象，采用微分/积分方程描述，并运用数学技巧将其变为另一种更容易理解的形式。学生在学习高等数学时，通常倾向于学会运算符号、预算方程（式），并得到某个最终的结果，侧重于运算及其技巧。

2.数学知识范畴广。专业课程中的理论推导严谨，数学语言和思想范畴广。仅以上例来说，所用数学知识虽然都属于高等数学范畴，但要完全理解其中推导的方法、目的，还须有如矩阵论、数理方程、高等工程应用数学等课程的部分内容作为辅助。其运算方法、数学思想都不是一门高等数学课程就可涵盖的。

3.运算符号体系复杂。思维模型的数学模式是复杂微分方程组，各种变量的相互关系令人眼花缭乱。方程的每一项看似相同，细看又不同，代表着不同的物理含义，从数学表达上就让学生有畏惧感，仔细辨认仍难以厘清，会有挫败感。

4.方程求解困难。专业课程中推导得到的数理方程形式复杂，内涵深刻，难以求解。学生从中学时代到大一数学基础课程，面对的问题通常都是结果明确、方程清晰、可计算的。在面对复杂的专业问题时，学生先入为主地陷入“求解、计算”的思路，而不是去理解内涵;当发现方程根本无从下手、没法计算时，将产生畏惧情绪，更不利于课程教授。

二、气体动力学与高数衔接存在的不足

由上面总结对比当前学生在高数中的学习收获可以看到，两门课程在数学方面的衔接是存在不足的，主要表现在以下方面。

（一）问题抽象描述上的短缺

对自然界问题运用方程描述是人们认识自然的重要方法，然而如何将一个问题抽象为数学问题的思想过程至关重要。但实际上，绝大多数问题的微积分方程是不能直接求解的，依靠多种假设和边界条件，才有可能化简为能够求解的代数方程，而更多情况只能通过计算机求解。如气体动力学中的NS（Navier-Stokes）方程仅在特殊边界条件下才有解析解，绝大多数情况只能依靠计算机求解。所以，在专业课程中更重要的是对问题的抽象描述，之后通过对问题的认知寻找求解方法。但学生在学习高等数学这门课程时对这一点的认知有欠缺。一方面，尽管高等数学所学习的多种微积分方程都来源于自然问题（工程实际），然而解释问题的来龙去脉属于数理方程的范围;另一方面，自然界问题的方程描述能够求解的实际上少之又少，但学生习题、考试试题都是能够求解的，能够通过运算变为简单的形式。获得运算的结果之后，学生并不理解它所代表的物理含义，也找不到具体事例与之对应，更不清楚这一运算的目的。简言之，学生把专业课上的方程只看作方程，而不能理解为一种抽象的描述。

（二）“特殊”到“普适”思维的短缺

人类认知世界都是由“特殊”到“普适”的，如牛顿从“苹果落地”这一“特殊”现象，经过思考和研究，提出了“普适”的万有引力定律。学生在学习高数时，面对的都是具体的“特殊”问题，对“特殊”问题进行认知、运算、求解，是“特殊方程”到“特殊结果”的运算过程。学习时，以掌握具体算例和数学技巧、解决习题（试题）问题为目标，忽略了数学的普适性。此外，数学的发展并不是针对具体物理问题（专业问题），而是当物理问题求解遇到困难时，从数学中寻找解决工具。这意味着高数课本身就是为学生提供丰富数学思想和数学工具的，学生在后续的专业课程学习中遇到问题时，应回头思考和寻找正确的数学工具。一个具体物理问题的解决需经过“普适物理问题”—“普适数学表达”—“特殊数学方程”—“特定数学技巧”这一过程（学生学习数学时更多只关注了后面两步）。

此外，专业课程知识都是从具体的“普适”问题出发，经过抽象的模化思考，将问题转变为便于理解的方程，是“普适”物理模型到“普适”数学方程的过程。这一过程中，数学思想很重要，而学生熟悉的解题技巧并不重要，这就是学生思维上的短缺。专业问题只有在具体问题中，约定好边界条件之后（如书本上例题给出各种已知条件之后），方程的“普适”形式才变为“特殊”形式，进行后续的求解。学生虽然掌握了高等数学的运算，但是思维上没有这样的转变，局限了自己的思想，导致讲授理论时听不懂、理解不了，以至于部分学生在遇到具体问题时不会理论思考，只会生搬硬套公式，学习效果不佳。

（三）数学语言符号的短缺

全面地理解专业课程中涉及的数学语言和符号体系需要更多高深的数学课程来弥补，如偏微分方程、复变函数、数理方程等。对于气体动力学基础这门课程，作为专业的核心基础课，必须在学生跨入专业课学习前学完，而上述更高级的数学课程多在本科高年级甚至研究生阶段才会涉及。这会导致学生在学习该课程时出现不认识数学语言符号的情况。这种数学语言的陌生感会影响学生的学习状态，让他们产生一种恐惧感。个别学生甚至有改一个符号、变换一个字母就不会解答和不知该如何分析的情况。事实上，陌生的数学符号不应影响学生对问题的理解，符号只是表明了一种运算法则。可以说，对于一门专业课理论分析来说，符号代表的运算意义是小于其背后物理含义的（尽管数学语言符号体系对于一个学科十分重要）。但是学生在数学思维中并没有很好地理解这一点，往往把符号看得比物理意义还重要，把方程的“运算”看得比对问题的剖析更重要。极端情况甚至会有学生认为会进行运算了，能把例题问题算出结果了，就表明自己对某一问题的理论理解透彻了，实则恰好本末倒置。

三、解决策略探索

高数学习的是一种思想方法，学习数学的过程就是思维训练的过程。高数本身就具备高度的抽象性、严密的逻辑性和广泛的应用性。有了高度抽象和统一，我们才能深入地揭示其本质规律，使之得到更广泛的应用。因此，高数是与应用科学结合最为紧密的课程，理应承担起锻炼学生数学思维、指导学生数学应用的作用。但是高等数学作为一门基础课程，面对诸多专业学生，很难奢求一门课程就解决学生专业课上遇到的各种数学问题。因此，在气体动力学基础课程的教学中，应该根据高数课程与专业课程中的短缺，改进教学内容（见图2）。

（一）跨院系沟通，针对性教学

加强专业学院与数学教学学院的沟通，针对不同专业课程特点，建立教学联系。一直以来，高数因其高度抽象特点，让学生学习时就感觉比较困难，上课提不起兴趣。高等数学的教师上课时也苦于数学理论过多，实际案例太少，难以调动课堂气氛。实际上，很多专业课程中的理论推导，都依赖于高等数学知识体系。通过跨院系沟通，专业课教师可挑选重要的、有意思的实际问题，总结其中重要的数学思想和主要高数课程方法，为高数教师提供实用案例。如此解决，一方面，高数教师在讲解高数知识点时，遇到相近的方程、推导，可以借用专业课的实际问题来辅助讲解，学生结合专业工程实例，更容易理解高数方法背后的思维;另一方面，当学生进入专业课程学习时，面对工程问题抽象出来的方程不再陌生，提前了解这个方程的“来龙”，此时教师再做适当引导，讲解方程推导的目的，补上方程的“去脉”，可以有效降低学生学习理论的难度。