基于實踐能力培養的流體力學實驗教學改革

梁延鵬，曾鴻鵠，李艷紅

(桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西桂林541004)

流體力學課程是高校多數工科工程類專業的一門必修專業基礎課，與各專業課程有著密切的關系，其理論知識抽象復雜，而流體力學實驗是對抽象復雜的理論知識的驗證和演示。通過實驗可以引導學生從中發現問題、提出問題，并學會運用所掌握的理論和實踐知識來分析、解決問題，同時培養學生嚴謹求實的科學態度，從而激發學生對新事物、新現象的探索和實現新的創造。因此，實驗教學過程是實施素質教育和創新教育的過程，是培養學生實踐能力和科研能力的重要環節［1］;加強基礎、加強實驗研究能力的培養、面向國家知識創新的需要是各高校教學改革的共同課題［2］，也是高校教師的一項艱巨任務。

一 流體力學實驗教學現狀及存在的問題

流體力學課程是高校工科工程類專業的基礎課之一，其實驗教學主要為演示、驗證型。長期以來，在課程體系上實驗教學從屬于理論教學，僅作為課堂理論教學的輔助性教學，實驗教學地位不高，管理上不受重視，嚴重制約了實驗室的建設和發展，導致實驗設備陳舊落后、臺套數較少、實驗教學質量不高。同時實驗教學方法也較單一，缺乏靈活性，通常采用“教師講，學生做”的灌輸式教學模式，無法激發學生的實驗興趣、開拓思維、培養創新意識和實踐能力，學生消極被動、機械地實驗，養成了很強依賴心理，對實驗內容和過程也不甚了解乃至于“水過鴨背”。此外在實驗考核上，過于強調實驗操作與實驗報告的重要性，忽略了學生在理解實驗本質、發現問題、分析問題和解決問題等環節的表現。這樣的實驗教學明顯削弱了學生實驗操作能力培養和訓練，抑制了學生主觀能動性的發揮和創新能力的培養，導致學生只知道要這樣做，不知道為什么要這樣做，對做實驗缺乏主動性、積極性，把做實驗認為是任務和負擔，而不是當作提高自己實踐能力的手段。可見，傳統的流體力學實驗觀念及教學模式顯然已無法達到新時期創新型人才的培養目標，因此，為了激發學生實驗的主觀能動性，提高實驗教學質量，培養學生的創新和實踐能力，進行流體力學實驗教學改革是十分必要的，也是勢在必行的。

二 流體力學實驗教學改革與探索

(一)確立實驗教學重要地位，推行實驗課程化

傳統的流體力學實驗教學依附于理論教學，在整個教學計劃中缺乏獨立的教學地位，實驗內容和開課時間完全受制于理論課的授課內容和進度。這種以理論教學為主、實驗教學為輔的教學理念已遠不能滿足新時期、新形勢下創新人才的綜合素質培養要求。為了把握現代科技脈搏，使學生具有較強的實踐能力、創新意識和分工合作能力，實驗教學改革已不能僅停留在對課程實驗內容、實驗方法和手段等方面的改革;而應以課程體系改革為切入點，打破單純的為驗證理論而開設實驗課的實驗教學模式，修訂教學計劃、重組專業實驗教學體系、優化專業實驗課程結構，盡可能將實驗教學環節獨立設課，提升實驗教學地位;把實驗課設為一門獨立課程列入專業教學計劃，建立“實驗與理論并重”的新型教學觀念。因此，為了提升理論、提高實踐能力、為后期專業實踐學習打基礎，2008年我們將流體力學實驗單獨設課。

以前實驗課不獨立設課時，主要以實驗報告的綜合成績作為實驗教學考核成績，約占理論課程總成績的10%。由于實驗成績對課程的最終成績影響不大，導致學生對實驗課普遍不夠重視，缺乏積極性和主動性，影響實驗的教學質量。流體水力學實驗獨立設課后，實驗教學從理論教學中分離出來，形成了獨立的教學目的、教學大綱、教材和進程，單獨進行成績考核和獨立學分。通過獨立設課，使學生充分認識到實驗教學的重要地位，端正了學生的實驗觀念，從而有效地調動學生積極性、提高實驗教學質量。

(二)以夯實基礎、培養能力為目標，優化實驗教學內容

傳統的流體力學實驗教學內容以演示型、驗證型實驗為主，缺少綜合能力訓練的內容，學生在指導老師和實驗指導書預先設定的情景中被動地實驗，會造成學生不必過多思考和分析，形成依賴心理，無法啟迪學生的求異思維和激活其主觀能動性，難以體現夯實基礎、培養能力的實驗教學目標。為此，我們從實驗項目的設置和實驗教材修編進行優化實驗內容。

豐富實驗內涵，創設開放式學習空間。屏棄了單一的實驗教學模式，在流體力學實驗課中采取分層次設置實驗教學，即分為必做和選做兩個層次。必做實驗項目主要為驗證型實驗如流體靜水力學實驗、能量方程實驗、動量方程實驗和雷諾實驗等，而選做實驗為設計型、綜合型的實驗項目如管路沿程和局部阻力測定、流體動力學綜合實驗、明渠流中水面曲線實驗等。在實驗教學過程中，指導教師提出實驗任務與要求，只參與討論、啟發引導，不具體指導實驗過程，讓學生根據實驗室的條件自行設計實驗方案，完成基本數據采集和整理，獨立判斷和分析實驗現象與結果的正確性，讓學生在實驗的各個環節中得到相應的訓練和培養。這樣既可加深基礎技能的訓練，又能驅使學生勤于思考、肯于動手，激發他們的創新思維，培養他們分析問題、解決問題的能力。

科學修編實驗教材，避免學生形成“惰性心理”。實驗教材的具體實驗內容按層次進行了調整和修改:對于驗證型實驗，其實驗原理及實驗步驟可比較具體、詳盡，也可設計些拓展性實驗內容，提供必要數據圖表記錄格式及成果整理方法，有利于學生借鑒學習、夯實基礎;而對于設計型、綜合型實驗，其實驗原理力求簡明扼要，只提出具體實驗目標與任務，不提供具體實驗步驟、不規定實驗數據記錄格式以及成果整理方法，為學生提供自主探索空間，增加實驗的挑戰性，提高設計和調控能力，在實驗中獲得實踐經驗，為將來的專業實踐奠定良好的基礎。

(三)轉變實驗指導思想，建立符合學生認知規律的層進式實驗教學模式

在長期的實驗教學中，我們發現，學生在做實驗時，對實驗指導書的核心內容和關鍵步驟不十分理解、操作不規范、盲目地記錄實驗數據而對實驗現象缺乏必要的分析與研究。因此，對于專業基礎課程實驗教學，應轉變實驗教學觀念，可通過“授人以魚”逐步地實現“授人以漁”，建立符合學生認知規律的三個層次的“層進式”實驗教學模式。

第一層次:解讀示范式教學。緊抓住學生不能真正的理解實驗要求、內容和操作時不知如何動手這一弱點，選擇1～2個實驗項目，課前通過板書或多媒體課件等方式詮釋實驗設備的剖面圖，然后再結合實物進一步講解，使學生真正理解實驗內涵和操作步驟。例如在能量方程實驗中首先講解實驗管道的構成:漸縮段、漸擴段和直管段，讓學生觀察設備的構成和形狀。然后再詳細講解水流在通過不同實驗管段時，動能和勢能轉換情況，測壓管的液柱高度便是各斷面的勢能等。在講解實驗的同時，重點講解儀器的規范操作和實驗數據的整理、制表繪圖以及實驗注意事項。通過解讀示范將實驗的具體思路和環節清晰地展現給學生，為出色完成實驗奠定了良好的基礎。

第二層次:質疑討論式教學。為了檢驗和強化學生對實驗內容及操作步驟的理解領會，在第二階段，可選擇2～3個實驗項目，實驗前設置3～5分鐘讓學生自習和討論實驗內容、領會實驗要點、提出問題，并誘導他們自己通過實驗給出問題的答案，不直接正面回答。如果學生認為沒問題，指導老師可向學生提出問題進行質疑，以了解學生是否已吃透實驗原理及內容。然后，讓學生按2～3人組成一個小組，讓學生獨立動手操作，并要求每個學生都記錄全部測試數據及實驗現象;對實驗中所碰到的困難和挫折，先讓各小組學生自行討論并尋找解決問題的辦法，再反饋給指導老師，教師有針對性地清楚講解，將他們的實驗引回到正確的程序上。實驗結束后，指導老師將各小組的問題和結果進行總結、點評。最后要求學生整理分析實驗結果，并根據實驗結果分析與討論思考題，寫出完整的實驗報告。這樣突出了學生主體地位和老師的引導作用，引領學生自行吃透實驗內涵、抓住實驗的重點和本質，逐步培養學生獨立思考和分工協作能力。

第三層次:任務考核式教學。通過第一、第二兩個層次的訓練，學生已基本具備了正確理解和分析實驗內容、獨立操作能力。為了進一步鞏固和提高學生分析、理解和解決問題的綜合能力，可讓學生隨機挑選1～2個選做實驗項目作為實驗任務，并要求學生通過自行設計實驗解答思考題，指導老師不做具體指導，以增加實驗的挑戰性。但指導老師需全程跟蹤并記錄學生動手表現，在實驗結束后，結合學生實驗結果，進行合理點撥。經過這一層次的訓練充分調動學生的學習興趣、探索興趣，鍛煉學生對實際問題的分析、解決能力，培養學生的創新能力。

三層次的“層進式”實驗教學模式按照從易到難、從知識到能力逐步過渡，既培養了學生掌握知識，應用知識的實踐能力，又激發了學生的團隊合作和創新意識，達到了實驗教學的目的。

(四)改革實驗考核方式，實行全程分層次、多元化綜合評價

實驗考核是整個實驗教學中不可缺少的重要環節，在以往的實驗考核中，實驗成績多以實驗報告的質量進行評定，很難反映出學生的綜合實驗能力;因此，流體力學實驗的考核應該貫穿于整個實驗教學的的始終，結合層進式教學模式，注重實驗過程的開放性，實行全程分層次、多元化綜合評價。第一、第二層次的實驗列入平時實驗能力考核范疇，第三層次的實驗則列為期末測試綜合能力考核內容。對學生實驗綜合成績的考核，應從平時實驗能力和期末測試技能綜合兩層次來評定;每個層次又可分為多個環節，每個環節也可采用不同的評分標準。

一是平時實驗能力考核。平時實驗能力可分為基本操作能力、分析問題能力、解決問題及撰寫實驗報告能力。這一層次的考核以平時基本技能的掌握和素質的提高為主，主要考核學生的實驗態度、實驗操作規范性、實驗結果可靠性、實驗報告撰寫水平、發現問題和分析討論問題的能力，并按照一定的權重進行評定打分。在對學生考核的同時也要鼓勵學生多問“為什么”，并引導學生善于發現問題、分析討論問題和解決問題，問錯了或答錯了不扣分，有獨到見解和有所創新的可給予適當加分。

二是技能綜合考核主要安排在期末進行，考核內容以第三層次的實驗為主，側重考核學生的實驗探究能力、創新能力和團隊協作精神?？己藭r，學生隨機抽取選做實驗項目，稍做準備后，根據實驗要求，回答指導老師的提問及相應問題，教師根據現場回答問題質量及動手能力、分析問題能力以及合作能力綜合評分。

在完成以上兩個層次的考核后，按平時實驗能力占60%及期末測試技能綜合占40%的比例綜合評定實驗總成績。在實驗教學中，屏棄了灌輸模式，更注重過程的開放性，實行全程分層次、多元化考核后，學生從一開始學習流體力學實驗課程就十分重視，始終不放松，有效地提高了實驗教學效果。

三 結語

流體力學實驗教學是理論與實踐相結合的重要環節。針對當前實驗教學中存在的普遍問題，通過對實驗觀念、實驗內容、教學模式、考核方式等方面的改革，確立實驗教學重要地位，建立符合學生認知規律的實驗教學體系，激發學生的求知欲望和創新意識，逐步培養學生的實踐動手能力、創新精神、科學嚴謹的作風和過硬的綜合素質。為了進一步提高流體力學實驗的教學質量和效果，我們需要不斷優化實驗教學的各個環節，實行全程互動教學，充分調動師生的積極性，為學生創造更多更高質量的實驗條件和機會，努力把學生培養成既有扎實的理論基礎，又有很強的實踐能力的創新型人才。

［1］喬 威.淺談實驗教學改革與創新型人才培養［J］.高校實驗室工作研究，2009(3):24-25.

［2］李洪生，張小鵬，劉增利.加強實驗教學以培養學生的工程素質［J］.力學與實踐，2004，26(6):76-77.