改善實驗教學,提高教學效果

實驗教學作為課程教學中的重要環節，有著不可替代的作用。實驗教學不但起著將理論知識實踐化從而增強直觀認識、加深對基本概念和原理理解的作用，而且通過一些綜合性或研究型的實驗，有利于進一步培養學生的實踐能力和創新能力。實驗教學涉及內容非常豐富，包括基本原理的掌握和運用、實驗儀器的原理和使用、測點的選取及布置、實驗過程中的問題與解決、實驗數據的處理和問題分析等多個環節，是一個全面的訓練過程。

省級精品課程流體力學及泵與風機作為熱能動力工程專業的一門重要的專業基礎課，涉及多個基本實驗和綜合性實驗。本文以此為例，通過分析不同實驗所涉及到的基本理論以及實驗中發現的問題，進一步闡述和挖掘實驗教學中的相關內容，力求達到全面提高教學效果的目的，強化實驗教學在人才培養中的作用。

一 正確理解基本概念

正確理解基本概念是開展實驗研究的前提。流體力學及泵與風機課涉及大量的基本概念，只有準確掌握這些概念的定義或表達式，才能對實驗現象做出正確的判斷。如伯努利方程實驗中的靜水頭和總水頭，以及靜壓管和皮托管的區別；雷諾實驗中的上臨界雷諾數和下臨界雷諾數概念，以及為何采用下臨界雷諾數作為判斷流態的依據；風機進氣實驗中的風機靜壓、全壓和動壓等概念；離心泵性能實驗中的表壓和真空等概念。

舉例來說，個別同學沒有深刻理解真空概念，但通過離心泵入口安裝的真空表讀數，則很容易理解只有泵入口絕對壓強低于大氣壓時，才能將水抽上來，由此便能直觀地認識到真空為測點低于大氣壓的數值。因此，通過實驗這一環節，既能有效加深對基本概念的理解，又能對其進行直觀認識。

二 靈活運用基本定律

靈活運用基本定律是開展實驗研究的關鍵。在掌握基本概念的基礎上，只有靈活地運用基本定律，才能正確分析實驗過程中參數的變化和實驗現象。如伯努利方程實驗中，當水箱水位保持不變，通過改變出口節流閥的開度使流量增大時，分析管路中某一測點處的靜水頭和總水頭的變化。此時，如能靈活運用伯努利方程便可做出正確的判斷。分析如下，水箱水位保持不變意味著初始的總機械能保持恒定，隨流量增加，管內流速增大，因而管路中的損失必然增加，由伯努利方程可知管路中任一位置處的總水頭相應降低，而此處流體的動能增加，因此其靜水頭必然有所減小。

以此類推，由此可分析離心泵性能實驗中當泵出口閥門開度減小時，流量的變化、相應的進出、口的壓力表和真空表讀數的變化；以及運用并聯管路的流量和阻力特性，分析并聯管路中的流量分配關系和并聯管路的阻力特性的繪制，這里不再一一贅述。

三 保持科學嚴謹的實驗態度

保持科學嚴謹的實驗態度、細心操作實驗過程是獲得準確實驗結果的保障。實驗指導書中制訂的實驗步驟是依據實驗原理而定的，不能隨意改變操作過程，否則所得實驗結果將失去其原有的物理意義。例如雷諾數實驗中，在測定下臨界雷諾數時，首先將管內流動調節成紊流狀態，觀察到細管內流出的著色水流束開始破裂，呈現不規則的狀態，并發生橫向摻混；然后逐漸關小出口調節閥使流量減小，當流量調節到使有色水在整個管道中剛剛呈現出一穩定直線時，即流動處于下臨界狀態，此時對應的雷諾數即為下臨界雷諾數。實驗中，一則應注意流量應緩慢減小，以獲得準確的下臨界雷諾數，一旦流量調過頭，不允許流量反向調節，而應重新將流動調節紊流狀態，重復上述過程；二則在流量調小過程中，應盡量避免人為產生的振動，以減少對實驗結果的影響，以求獲得良好的實驗結果。通過上述實驗過程，既可直觀認識層流和紊流現象，又可深刻理解下臨界雷諾數的物理含義。

實驗中一般要穩定一定的時間才能讀取數據，即每個實驗點的數據記錄要有一定的時間間隔，以保障流動處于穩定狀態，所測實驗結果具有可靠性。實驗數據的記錄不能操之過急。另外，選取合理的實驗點數目，也是保證獲得正確實驗規律的重要因素。實驗點過少，往往在繪制曲線時將不能正確反映實驗過程應用的規律，這一現象突出表現在沿程阻力系數實驗和離心泵性能實驗(避免流量超過設計值時，揚程陡降，如果數據點過少，由此不能得到真實的性能曲線)。

四 合理處理實驗數據

合理處理實驗數據是反映實驗現象內在規律的重要環節。實驗過程中，受人為因素、隨機因素或實驗儀器本身的影響，原始實驗數據不可避免地會出現波動，甚至出現壞值。正確判斷實驗數據中的波動現象或出現的壞值，至關重要。如在離心泵和離心風機的性能實驗中，由于電機轉速并非始終在額定轉速運行，因此需要將實際轉速下的實驗數據按照相似定律轉換為額定轉速后，再繪制其性能曲線，只有這樣才能真實反映泵或風機的性能。又如，沿程阻力系數測定實驗中，通過測定壓差來計算阻力系數，實驗發現經常出現壞值，這需要進行有效的剔除，否則，將不能獲得真實的物理規律。

在此基礎上，需繪制反映物理過程的特性曲線。曲線的繪制不是將所有的數據點相連(這一點經常被同學所忽視)，而是要求實驗點盡可能均勻分布在光滑的曲線兩側，這也有助于剔除壞值。曲線繪制即可人工手繪，也可采用各種軟件，如Excel、Origin和Matlab等，尤其是采用軟件繪圖，即可獲得良好的結果，又可培養學生使用常用軟件的能力，是一舉兩得的好辦法。

五 力求培養創新能力

綜合性實驗涉及基礎知識較多，物理規律相對復雜，實驗分析相對較難，正因如此，才有利于培養學生的綜合運用能力和創新能力。如并聯管路流量分配實驗中，分析并聯管路中各分支管路中的流量關系和阻力關系。按照理論，根據并聯管路特性，由于各支管所用材料和管徑均相同，因此其各分支管路流量和阻力均應相等。但實驗現象表明，支管流量和阻力并不相等。究其原因，這是因為受支管的匯合點和分開點的布置方式，以及不同支管入口存在重位差的影響，因此不同支管入口處的壓強不同，各支管的實際流量和阻力損失也有所不同。理論上和實驗上的差別需要進行深入的思考，而不能照搬理論去進行問題的分析，否則將得出錯誤的結論。

又如在離心泵并聯綜合實驗中，比較采用共用閥和非共用閥調節方式在不同負荷下的經濟性?？刹扇煞N方法，一是通過繪制兩種調節方式下的軸功率曲線，然后進行比較即可。但該方法無法了解不同調節方式下的單泵揚程曲線、并聯泵聯合性能曲線和管路特性曲線的變化，也無從知曉運行工況點的變化。為深入研究此問題，采取第二種方法，即通過繪制泵性能曲線和管路性能曲線的方法，確定實際運行工況點的手段來分析其經濟性。但由于實驗過程中離心泵轉速有20r／min左右的波動，需將流量、揚程和功率按照相似定律折算到額定轉速下，而用于確定共用管路阻力曲線的共用點壓強也是在轉速發生波動的過程中測得的，由于該壓強并非水泵的性能參數，因此無法應用相似定律進行折算，而不折算又有些不妥。因此需要改變思路，借助于以共用閥門調節實驗確定并聯泵的聯合性能曲線、以非共用閥門調節實驗確定共用管路特性曲線的思路，來進行問題的分析和探討。

這些問題的思考對于學生知識的綜合運用，創新能力的培養都有著良好的積極作用。

六 豐高考試內容

將實驗內容納入考試范圍、豐富考試內容是提高理論教學效果的重要手段。過去，常以實驗報告的得分作為實驗成績計入總成績，但實踐中發現，存在部分同學實驗報告不完整(缺數據處理過程或實驗曲線)、實驗數據處理不當或錯誤、甚至抄襲他人實驗報告等現象。因此，僅憑實驗報告既不能正確評價實驗者的實驗效果，也不能真實地反映學生掌握理論知識和理解實驗現象的現狀。

通過將典型的、有代表性的實驗內容編制成試題，并納入考試范疇，必定會促進學生認真操作實驗、細心觀察實驗現象、積極處理實驗數據、潛心思考實驗結果所呈現的規律及反映的知識和原理。通過流體力學和泵與風機兩門課程的嘗試，其效果已初步顯現。學生總體反映良好，而且實驗效果和實驗報告的質量也有明顯改善。長此以往，堅持下來，必能發揮實踐教學對理論教學的積極的促進作用。

總之，正確處理好上述關系，不僅對教師，而且對學生，都有著積極的促進作用。通過深挖實驗教學中各環節所涉及的相關內容，使得實驗教學和課堂教學相輔相成，力爭全面提高教學效果，進一步培養學生的實踐能力、發展能力和創新能力。