《高等教育学教学法》作业 教案设计

微机电系统

（教案）

课程名称：微机电系统

授课内容：流态与雷诺数

授课专业：测控技术与仪器

授课对象：本科三年级学生

授课时间：______20分钟

北京化工大学

信息科学与技术学院

邢晓星

一、授课主题

流态与雷诺数

（属于《微机电系统》之第4章，第二节，第1讲,授课时间20分钟）。

二、教学目标

1.掌握层流与湍流的概念，明晰二者区别；

2.理解雷诺数物理意义并学会其计算方法；

3.能够计算分析给定微流道的流态（层流/湍流），具备问题导向的解决实际微流道流态分析的能力。

三、教学内容

1.层流与湍流的概念和区别；

2.雷诺数的计算方法和物理意义；

3.雷诺数与流态（层流/湍流）的判断；

4.微流道水力直径的计算方法；

5.微流道流态分析实例与层流在微流控中的应用。

四、教学重点

1.层流和湍流的概念和区别；

2.雷诺数的计算方法和物理意义；

五、教学难点

1.雷诺数物理意义关于惯性力与粘性力主导因素的理解及每种主导因素下的流态；

2.微流控芯片流道的流态计算分析中关于综合质量守恒、流量流速、水力直径等多因子的问题求解。

六、教学手段

1.课堂讲授与学生参与结合。以教师讲授教学内容为主，在讲课中穿插对学生的提问和学生的分

组讨论，激发学生的思考，在讨论中辨析和强化对概念的理解。

2.多媒体演示。通过PPT课件演示基本概念、公式、图例、视频、推演过程、问题等。通过结合

1

PPT的讲授提高课堂效率，丰富教学内容；辅助学生理解的同时通过多媒体内容增进学生兴趣。

3.教具演示。针对所授课程的前沿性，准备微流控芯片教具使学生对所分析问题产生更直观的认识,

抽象问题具体化，加深印象，有利于学生对问题的理解与分析。

4.板书。对内容提纲与重点进行板书，达到强调重点、解析难点的目的，同时在总结时突出课程脉

络与重点。除内容提纲与重点的板书，对重点演算过程进行板书，既能具体分步骤使学生学会整个计算过

程，又能适当控制讲课进程留给学生思考时间。

5.课堂延展。针对所授课程的前沿性，给学生推荐与所授内容相关、难度适当的学术论文资料，鼓

励学生阅读，作为成绩拔高项在学期末提供学生自愿对所阅读内容迷你讲演的机会，给与适当的平时成绩

加分；使学生在自主学习的过程中强化对所学内容的理解，同时拔高学生的探索精神与科学研究素质，促

进师生间交流，为学生接下来可能的研窕生学习打下基础。

七、教学方法

1.教师启发式教学。在课堂开始阶段以通过实例将学生引入到授课主题中来，用实例启发学生的思

考，带着问题进入授课主题；讲授过程中通过实例启发、回忆已有知识的启发和对比式启发使学生紧跟老

师思路，积极思考并保持对授课内容的兴趣。

2.同伴教学法。在课堂上以分组讨论的模式使每小组内学生互相讲解对概念的理解以及建立在理解

概念基础上对提出问题的分析，相互讨论、相互评价，通过思辨明晰和强化概念，同时加强学生的参与度、

提高学习成效。

3.问题教学法。问题教学法与启发式教学相辅相成，同时又是一种实践和强化方法。在抛出知识点

之前，可以通过问题启发学生主动思考，激发他们的好奇心，使其提高注意力；在知识点讲解之后通过提

出和解决问题，则是实践所学知识，强化对知识掌握的有力方法，在这些问题中可以结合提问和同伴教学

法，增加学生参与度。

七、教学思路

（A）引入：通过生活中的实例引入授课主题；（B）提出学习目标：明确提出目标，指明

重点难点；（C）主要内容讲解：比式的讲解流态的概念，并引出判断流态的雷诺数，讲解雷

诺数的计算方法和物理意义，再通过其物理意义的讲解回到流态的判断问题上来；（D）实践

与强化：解决实际微流控流道的计算分析；上述过程中通过提问和分组讨论使学生参与进来,

并结合PPT、板书、教具进行演示教学；（E）总结、展望与作业布置。

2

八、教学进程（20分钟）

教学时间

环节教学内容教学方式

要求（分钟）

今回顾上节重

4一上一讲重点知识复习点内容，辅助

PPT演示；

》提问引导学

微机电系统

生回顾上节课

重点；

第四章：微流控基础

①

4.1微流控发展动机与常用物理参数（复习）

复熟记

习4.2微流体基本性质

上一

与流态与雷诺数（本节）1

引讲重

题微流道中流体的驱动

点

4.3电泳和介电泳

4.4扩散与混合

4“上节与本节知识的衔接问题提问（上节课所学的粘度、流速等分通过衔接问

题（不设回答）

如何影响微流体的状态？）

过渡到本节。

3

H演示：多媒体演示泉水和海浪的视频，使学生从从视觉听觉全方位“PPT演示视

频演示，从视觉

感受不同流态的特征，引出层流和湍流。并结合学生熟悉的古诗文对

听觉两方面使

两种意境的描述，进一步引发学生的兴趣与思考。

学生感受他们

所熟悉的不同

流态的实例；

少老师进一步

引出古诗对两

种意境的形容；

了解

本讲

主题

②通过

授实例

课问题2.1：请同学们根据自己的直观视听感受，告诉老师这两种不由上面演示

主对层

同的水流状态各自有什么特点？的实例引出问

题2

流和

引题并请两位同

入湍流

学回答。一位同

的特

学描述泉水的

征产

特点；另一位描

生直

述海浪的特点；

观的

并询问其他同

感受

学是否有补充；

.引题：给出两实例的流态名称，即层流和湍流，并将学生的今老师补充总

结学生的回答，

回答总结精炼为实例中层流和湍流给人带来的直观感受的特

并引出这两种

点；进而引出本讲的主题，流态与雷诺数（流态判断）。

流态的名称，即

本讲的主题，流

+板书：在主版块左右两侧写出层流和湍流作为起始节点（作

态与雷诺数（如

为后面重复要用的的重点内容以及整讲构架的关键节点）何对流态进行

判断）。

+讲解：明确讲解本讲学习目标和其中的重点和难点

③

演示：辅助演示本讲学习目标

提PPT

了解H

出今老师讲解本

学本讲

讲学习目标；指

习1

学习•学习目标

目出重点和难点。

标目标1.明确层流与湍流的概念，明晰二者区别

2.理解雷诺数物理意义并熟记其计算方法

3.能够计算分析给定微流道的层流/湍流性质

4

“老师借助

+讲解：分别讲解层流和湍流的定义，借助PPT动态演示，通

PPT演示并讲

过对比展示二者区别。解层流和湍流

的定义；

H演示：PPT辅助演示层流与湍流的定义，并动态演示仿真形成的层

流与湍流流线的动态视频。

H演示：PPT演示多张顺序打乱的生活中流体的实例照片，根据刚刚

“借助PPT

讲解的层流湍流定义，请学生判断流态。演示实例图，引

出提问4.1；

层流》》》》》》》》》>>>>»»>礴濡

AS%

K-%

八'J3

,1

^>1

④

掌握

层“请大家随意

?问题4.1请同学们看这些照片分别是湍流还是层流呢？

流了流

发言，不需要单

与与湍

湍独提问；

流流的

Q演示：根据学生回答迅速按流态排布照片，并引出分组讨论今迅速按照问4

定定义

义题4.1的结果排

与明确问题

区列好照片，将学

二者

别生分组，引出分

特点层流>>>>>速度）》》》》》》》》》濡流

组讨论；

2'，僵构斗滑'，僵构变5

化剧烈

■飞

a1k

今请每组学生

二分组讨论将学生分为5组，30秒时间讨论之前的这些例子反映了讨论层流和湍

流有哪些特征；

层流和湍流那些特征。

今收集每组讨

论的结果，补

+讲解：总结分组讨论结果，讲解层流和湍流在速度、流体粘

充，总结，PPT

度、和适应流道结构等方面的不同特征。对比演示出不

同特征。并过渡

到这些特征参

5数相关的雷诺

数

少讲解宙诺数

+讲解：讲解雷诺数Re的公式，借助PPT演示讲解每一个参数

的计算公式，结

的物理含义，同时再次复习上节课讲过的动力粘度、流速的概合板书和PPT

念；引出雷诺数无量纲的特点，并结合板书化简证明其无量纲。讲解公式中的

每一个参数，通

+板书：在主版块之前的“层流”“湍流”两节点向下引到“雷

过板书化简证

诺数”节点，并写下雷诺数的公式（作为后面重复要用的的重明其无量纲的

点内容以及整讲构架的关键节点）；在辅助版块化简雷诺数的特点。

量纲单位，推导出其为无量纲参数。

H演示：PPT辅助演示雷诺数公式、各个参数量纲等。

p.U.⑷

rinertial

Re=

〃一F.

1VISCOUS

周密度

P一

掌握

V一

雷诺[J]流速•无量纲

•惯性力/粘性力

数计(1一[m]特征尺寸

算方

〃-lPa-s]动力粘度

法

理解

+讲解：讲解雷诺数的物理意义，结合参数指出雷诺数即惯性

雷诺分讲解一系列

数物力与粘性力之间的比值。并PPT辅助展示调节参数大小如何改关于雷诺数的

理意变雷诺数的大小，雷诺数大小与惯性力与/粘性力主导地位变知识点，辅助

义化。进一步引申到惯性力与粘性力主导时，流态分别呈现湍流PPT动画演示。

与层流的倾向；从而引出可以通过雷诺数判断层流与湍流的流包括雷诺数的

态；并指出对应关系。物理意义；参数

变化对主导力

+板书：在主版块从“雷诺数”节点向下画出雷诺数与“粘性

（惯性力/粘性

力”节点和“惯性力”节点的关系图，并从“粘性力”和“惯力）的影响；不

性力”分别用箭头指回开始的“层流”和“湍流”节点，代表同主导力下的

粘性力（惯性力）为主导时形成层流（湍流）的倾向。流态倾向；雷诺

数和流态的关

H演示：PPT辅助演示雷诺数如何随参数变化以及雷诺数与流

系与判断方法。

态的关系、判断标准；

6

少通过PPT

?问题5.1例题求解

演示对比宏观

水管和微流道

此问题的计算较为简单，有两个目的，一是讲过雷诺数公式后，让学

的区别，将问题

生初步体验生活中（如花园水管）带入实际数据后得到雷诺数的大小，

引入微流控领

以及由此产生的流态判断；二是通过置换问题中的数据，将同样的流

⑤域；

体参数在微流道中进行计算，体会到微流道由于流道结构的微尺度对

雷

诺雷诺数巨大的影响，进而引申到接下来对微流道水力直径的计算以及

”给出问题，

数实际微流道流态分析的内容的讲解

辅助演示,

—PPT

基讲解求解过程，

本

?思考：在相同的水流速0.5m/s并对比宏观水

概

条件下，试计算直径为2cm的花

念管和微流道中

园浇水管和圆形横截而直径为

(20Um的微稿拴芯片而道内的流通入同样性质

继

续体雷诺数，并比较其流态。流体得到的雷

上p1000kg/m3诺数的巨大区

页水

)H0.001Pa-s别，指出微流控

问题中流道尺

湍流度对雷诺数的

决定性影响。引

层流出接下来对微

流道尺度（水力

直径）的计算。

今讲解水力直

+教具演示：承接问题5.1展示微流控芯片教具，使学生直观

径计算方法；辅

体会到微流控流道的形态和微小程度，加深印象。助PPT演示讲

解代表性微流

+讲解：讲解水力直径的一般计算方法，并讲解常用微流道横

掌握道横截面形状

水力截面形状的水力直径计算方法，包括圆形、环形、正方形和大的水力直径；板

直径宽高比矩形截面的微流道。书推导较为特

殊的大宽高比

计算+板书：在鲤逊化简大宽高比矩形截面微流道的水力直径。

⑤

公矩形截面微流

雷道的水力直径。

诺式，H演示：PPT辅助演示计算公式，以及各种常用微流道横截面

数能够

—推导形状的图形，给学生直观的认识。2

水

力常用

直水力直径为D鬻曹面积

微流H=—

径HydraulicdiameterP尸.湿周

道截D

•圆形横截面：DD

面形H=

状的BBS

•环形横截面：DH=DO-Dj必。。

水力一3.

直径•正方形横截面：DH二W

w

•矩形（宽＞高）横截面：口产2卜

卬>>hh

7

*PPT演示所

?实例分析6.1

分析的问题；通

微流控单细胞控制问题，利用微流道中的层流结构对单细胞细胞质进过讲解描述清

行局部染色，研究细胞质内线粒体的运动。楚微流控器件

结构和尺寸，以

H.演不：PPT演示实例

及进行的应用；

•单细胞局部操控研究单细胞细胞质内线粒体的迁移

掌握

⑥微流

微控流

流

控态分+讲解-问题描述：微流控芯片流道结构为3条分流道汇聚为

前析方

沿一条主流道，各流道尺寸如图所示。实验中将主流道键合于培

实法

际养的单细胞上面，使得汇聚在主流道中的流体均能流经单细2

了解

问胞。在分流道入口处注入两种不同的线粒体染色剂，观察单细

题层流

的胞染色结果及其随时间的变化。

在微

应

用流控+讲解-思路分析：首先应分析微流道中的流体流态，只有确

今讲解问题分

中的

定是否为层流，才能确定不同的染色剂是否能在各自的分层流析分析思路；

应用

过单细胞并对所覆盖的单细胞局部区域实现染色。在计算中，

首先应该计算微流道的雷诺数辅助判断流道中的流体是否为

层流；而给定的溶液其密度粘度等均与水近似，可使用水的参

数；速度也已经给定；因此只有流道的水力直径未知，需要计

算。因此我们先计算水力直径，计算水力直径以主流道为例。

接下来计算雷诺数。

»辅助PPT

Q演示：PPT演示主流道水力直径计算和雷诺数计算。

演示讲解计算

方法。

_4x50X10-6x300X10-6

2X(50+300)X10-6-

=85.7pm

P-V-D

RDe=-----------H-

4

_1000X0.006X85.7X10-6

0.001

=7x10-s

8

PPT演示所

?实例分析6.2

分析的问题；通

过讲解描述清

微流控细胞分选问题，利用微流道中层流的特点，对不同直径的细胞

楚微流控器件

进行分选。

结构和尺寸，以

及进行的应用；

H演示：PPT演示实例

⑥

微

流

控

前

沿

实

际

问

题2

的

应

用

(

继

续

上

页

)

+讲解-问题描述：微流控芯片流道结构为入口处有两条分流

道，在中游汇聚为一条狭窄主流道继而在下游连接一条较宽主

流道。在应用中，分流道①注入不同直径细胞混合物，分流道

②注入无细胞鞘流。在流经中游窄流道③时，各种直径细胞在

鞘流作用下均紧贴近注入侧的流道侧壁；而进入下游宽流道④

后可以看到大小不同的细胞分别汇聚成两层分开的流线，从而

实现了分离。试分析应用的机理。

?提问：请同学结合咱们今天所学试着分析这个问题应该从哪一请1~2名同

学回到分析思

方面着手？

9

分讲解问题分

+讲解-思路分析：此问题仍然应该从流体流态分析入手。假

析分析思路；

设流道各级均为层流，那么在中游第③段窄流道中，直径较大

的细胞和直径较小的细胞在鞘流的作用下均做贴壁运动，由于

其质心的位置差异使得两种不同直径的细胞分别属于较靠近

（小直径）和较远离（大直径）注入一侧的侧壁的流体分层。

当流体从③段窄流道流入④段宽流道后，由于其仍保持原分层

⑥特征，因此每层的宽度变宽，相应小直径细胞和大直径细胞所

微属层之间的距离也被放大，因此呈现出分离特性。因此问题还

流是回到确定流道内是否为层流，需要通过雷诺数计算判断。给

控

前定的溶液其密度粘度等均与水近似，可使用水的参数；需注意

沿给定的速度流量速度，因此涉及到线速度的换算；同时还需计

实

际算水力直径，再计算雷诺数。

问

题Q演示：PPT演示各个流道流速、水力直径和雷诺数的计算。

个辅助

的PPT

应Q演示讲解计算

用

(速度计算9=1方法。

继

续Qi120/3600

上…2k005X0Q5533E/S

页

)

v3=":02=26.67mm/sv4=:心=1,33mm/s

水力直径计算正方形&大宽高比长方形

DH1=DH2—DH3=W—DH4=2h=100〃m

p•V•d,

雷诺数计算Re

】==Re=0.13

ReRe?0.67Re3—1.334

10

总结

+总结

整理“总结

本讲■层流与湍流的概念与区别（重点）结合板书的知

内■雷诺数Re（重点）识节点关系图，

容，•Re计算方法总结本节的主

明确•Re物理意义（难点）要内容，并指出

重点・水力直径DH和微流道中DH对雷诺数的影响重点和难点加

⑦难点•Re与层流/湍流的关系以强调;

总■微流道流态的计算分析（难点）

结

与进一2

展

望步强

+