逐梦流体—在力学的波涛中领航
“老师，为什么雨滴总是圆的？”流体力学课堂上，一个学生突然问道。这个简单却深刻的问题让所有人停下了笔。我微微一笑，反问道：“那你们觉得，如果没有重力，水滴会是什么形状？”课堂瞬间活跃起来，大家纷纷开始讨论。从水滴的形状，我们一路探讨到了表面张力、流体稳定性，再到飞行器的水动力设计。那一刻，我深刻体会到，力学的魅力并不只是复杂的公式，而是它解释世界的能力。然而，对于许多初学者来说，流体力学是一门既奇妙又让人畏惧的学科。它不仅充满了微分方程和抽象概念，还涉及跨尺度的复杂流动现象。如何让学生真正理解它、喜欢它，甚至愿意投身其中？这便成为了我教学的核心追求。
传统流体力学研究依赖数值模拟，但计算成本高昂，精度受限。如何打破这一壁垒？我在课堂上引入了PINN（物理信息神经网络），让学生体验数据驱动的研究前沿。“你们相信AI可以“学会”流体力学吗？”在一次课堂上，我抛出了这个问题。接着，我演示了一个PINN模型：它不依赖网格划分，仅凭少量数据，就能精准预测流体的速度场和压力分布。学生们惊讶地看着屏幕上涌动的流线，有人兴奋地问：“我们能自己训练一个吗？”于是，我设计了一项小实验，让他们用Python搭建PINN网络，输入几个边界条件，让AI学习流体的运动规律。一周后，学生们交上了他们的“作品”。有的模型成功预测了圆柱绕流，有的甚至尝试模拟海浪冲击。“没想到力学还能这么学！”一位学生兴奋地说。PINN的引入，不仅让他们理解了数据驱动方法的潜力，也让他们意识到，流体力学正站在人工智能与物理融合的最前沿。
流体力学不仅存在于书本中，更在我们身边流动。为了让学生真正“看见”流体，我尝试将课堂搬到户外，让他们用实验去感受力学之美。“谁能用一张纸造一座最坚固的桥？”在一次实验课上，我给学生们每人一张A4纸，让他们设计一个结构，以承受风力冲击。学生们尝试折叠、卷曲、叠加，最终发现弧形和波纹结构能显著增强抗风能力。这不仅让他们直观理解了流体与结构的相互作用，也让他们在探索中收获了成就感。类似的实验还有很多：水龙卷实验，让学生观察旋涡的形成；肥皂泡实验，揭示表面张力的奥秘；水下翼型实验，让他们感受升力的作用。这些简单的实验，胜过无数复杂的推导。学生们从中明白，流体力学不仅仅是纸上的公式，更是与世界互动的桥梁。
“鱼儿为什么能在水中游得那么快？”这是一个看似简单，却包含深刻流体力学原理的问题。在科研中，仿生鱼正是流体力学与机械动力学交叉的典型案例。我带领学生们研究仿生鱼的推进机理，分析其尾鳍的涡脱落效应，并优化鱼鳍的摆动模式。我们利用流体模拟软件，计算不同鱼鳍形态的水动力特性，发现柔性鱼鳍在特定频率下可以降低阻力、提高推进效率。在实验室里，学生们自己设计并3D打印了仿生鱼模型，并在水槽中测试它的游动能力。一次次实验调整后，我们的仿生鱼最终实现了接近真实鱼类的高效游动。看着它灵活摆动尾鳍，学生们激动不已。“这就是力学的魅力！”一位学生感叹道，“它不仅解释世界，还能启发创新。”更重要的是，这个研究让许多学生意识到，力学并不仅限于单一学科，而是在交叉融合中焕发出更大的潜力。
在流体力学的教学中，我始终坚持一个信念：力学不是枯燥的，而是生动的、富有想象力的。从PINN的智能计算，到户外实验的沉浸式体验，再到仿生鱼的科研探索，我努力让学生在实践中理解力学，在思考中爱上力学，在探索中坚定自己的方向。有一次，一位学生在毕业前找到了我。他说：“老师，我以前觉得力学只是枯燥的计算，但您的课让我看到了它的无限可能。现在，我决定继续深造，希望能在仿生流体方向做出一些成果。”听到这句话，我感到由衷的欣慰。教育不仅仅是传授知识，更是点燃学生的热情，引领他们看到更广阔的世界。作为一名教师，我愿做那微小的涟漪，在力学的波涛中，推动每一位学生勇敢逐流，探索未知。
作者简介：张树翠，青岛理工大学理学院讲师，曾获山东省青教赛二等奖，青岛理工大学教创赛一等奖等荣誉奖励。主要从事绳驱连续型机器人等领域的动力学分析与计算等研究。
