基于虛擬實驗平臺的流體力學課程教學設計

高軍霞

摘 要 針對流體力學課程概念抽象、理論性強，學生對流體運動又缺乏感性認識的特點，將流體力學虛擬實驗平臺融入課堂教學設計環節，用圖片、動畫等媒體手段講解知識點的工程背景和應用、解釋概念和公式的物理意義等，并將課堂教學與虛擬實驗教學相結合，不僅幫助學生進行了流體力學實驗理論與基本操作的預習，而且使得學生對實驗現象及其蘊含的理論理解得更加透徹深入，提升學生綜合素質等方面效果明顯。

關鍵詞 流體力學 虛擬實驗平臺 教學設計 課堂教學 實驗教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Fluid Mechanics Course Teaching Design

Based on Virtual Experiment Platform

GAO Junxia

（Department of Mechanical and Electrical Engineering， Tangshan College， Tangshan， Hebei 063000）

Abstract Fluid mechanics courses for abstract concepts， theories and strong， fluid movement and the lack of student perceptions of the characteristics of the fluid dynamics of virtual experiment platform designed to integrate into the classroom session， with pictures， animations and other media means and application of knowledge engineering background to explain the point， explain the physical meaning of the concepts and formulas， and combine classroom teaching with virtual experiment teaching， not only preview to help students hydrodynamic theory and the basic operation of the experiment， but also makes the students' theoretical and experimental phenomena inherent in a more thorough understanding， further enhance the overall quality of students and so the effect is obvious.

Key words fluid mechanics； virtual experiment platform； teaching design； classroom teaching； experimental teaching

1 流體力學課程改革現狀

由于流體力學概念抽象、理論性強，學生對流體運動又缺乏感性認識，流體力學課程歷來被認為是學生難學、教師難教的課程之一。為了講清概念、交代眾多公式的來龍去脈、介紹豐富的工程背景和應用知識，流體力學授課需要大量課時，這與目前國內提倡的教學改革縮減理論授課課時相矛盾。不加強基礎理論和工程應用知識難以提高教學質量，局促的課時除了教會學生做題、應付考試外沒有多少時間講解其他內容。如何更好地處理少課時與大教學量之間的矛盾，國內不少高校進行了此方面的改革，比如研制流體力學多媒體電子教案，加大網絡教學資源等等彌補課時的不足。這些措施對于課堂教學幫助很大，但均無法替代實驗教學，無法幫助學生更加深刻地理解理論、應用理論。而在實驗教學中，實驗教師的教學重點卻是教學生如何操作儀器，如何記錄處理數據，而不會關注于讓學生知道為什么要“那么做”。因此課堂教學內容與實驗教學內容之間缺乏有效的銜接與溝通，導致很多學生只知如何做實驗，而不知為何做實驗。

目前，關于虛擬實驗室設計開發的案例也很多，但多數集中于研究如何使其更好地輔助實驗教學，而對于將虛擬實驗系統與課堂教學相結合進行教學設計的研究相對較少，唐山學院機械設計制造及其自動化專業流體傳動課程組教師針對此種情況，開發了基于Flash的流體力學虛擬實驗平臺，并將之與課堂教學相結合，進行了基于虛擬實驗平臺的理論教學與虛擬實驗教學相結合的教學設計與探索。

2 基于Flash的流體力學虛擬實驗平臺簡介

用Flash做動畫比較靈活，如表現運動機理、物理過程、動作分解等，也可編程。流體力學虛擬實驗平臺基于Flash語言而編制，主要是為建立一種創造和引導模擬實驗的交互環節，通過與實驗教學教師接洽，利用Flash將實驗設備虛擬化，并用動畫的手段將實驗現象演示出來，學生根據需要選擇實驗項目。以“動量守恒實驗”為例，在虛擬實驗平臺上運行該實驗，界面如圖1所示，既可以通過“原理”標簽學習實驗原理，同時還可以觀測到動量守恒實驗現象的動態演示。虛擬實驗可以讓學生熟悉實驗流程、處理一些常見的難點問題。學生如果需要，也可以不厭其煩地反復練習，直至熟悉掌握實驗操作技能。

3 教學設計與實踐

教學的目的在于使學生真正掌握應知應會的內容，并且獲得能力上的鍛煉和提高。下面以唐山學院機械設計制造及其自動化專業流體力學課程教學為例，簡介基于虛擬實驗平臺的流體力學課程教學設計。

3.1 基于虛擬實驗的研討式教學

首先教師帶學生一起溫習中學時的動量定理內容，而后提出疑問：當介質不再時固體，而是液體時，動量定理還適用嗎？如何用？以啟發式教學思想為基礎，在教師的引導下啟發學生積極主動地思考問題，并在同學之間、師生之間進行相互交流和互動式思考和學習，進而公式推導獲得動量方程，而后利用流體力學虛擬實驗平臺演示動量守恒實驗過程，請學生根據實驗觀察，討論分析該實驗的驗證原理。這種將課堂教學與虛擬實驗教學相結合的方式，不僅幫助學生進行了流體力學實驗的預習，而且使得學生對實驗現象和實驗數據處理的理論理解得更加透徹深入，提高了學生的思維能力和對一些重要概念的理解力。

3.2 操作訓練與思維訓練相結合

沿程阻力損失的計算是流體力學課程的教學重點之一，而其中的沿程阻力系數的正確選擇尤其關鍵，同時這里也涉及到一個很著名的實驗：尼古拉茲實驗。唐山學院機械設計制造及其自動化專業流體力學課程的理論授課教師和實驗教師并不是同一人，該課程有6學時實驗，其中一個實驗為“沿程阻力系數測定實驗”。在最終的實驗操作考核中，理論授課教師通過觀察學生 “沿程阻力系數測定實驗” 實驗操作過程，發現學生操作很熟練，記錄數據整齊認真，并且很快地利用實驗指導書中給出的層流狀態下的計算公式算出了沿程阻力系數的數值，但其中存在一個問題被學生忽略了，即根據計算的結果核實是否真正是層流流動狀態。如果閥門開度合理，大部分同學的結果應該是可信的，但是任何實驗過程中，均無法排除一些其他人為因素。操作技能訓練的同時，學生并未注意到分析并解決問題的嚴密性，思維訓練未達到與操作訓練同步。

將虛擬實驗平臺引入課堂教學后，授課教師在學生們完成此實驗項目后，再次在課堂上演示實驗過程，并將兩組往屆學生的實驗考核記錄數據（一組數據正常，一組異常）以及得出的沿程阻力系數結果記錄在黑板上，教師提出質疑，即該實驗能否反映Re與尼古拉茲實驗曲線的內在聯系？因是小班授課（共28名學生），將全班學生分成7個小組，在討論中，學生反復研究教材內容，推敲實驗數據，最后幾乎每個小組都得出了較全面的結論。此種方式的開展，比填鴨式的反復做題強化訓練得到的學習效果好很多。

如果授課教師在教學設計中能夠充分利用虛擬實驗平臺，則教學效果可大大提高，學生收效顯著。

通過上述的教學設計與實踐，流體力學課程學生的出勤率較以往明顯提高，且教師的學生評教成績在全系教師中名列前茅。當然，流體力學虛擬實驗平臺還有很大的完善空間，課堂教學也是任重道遠，授課教師也應與時俱進，探尋更加科學的教學方法和手段，為培養具有創新能力的人才而努力。

基金資助項目：流體傳動課程群遠程虛擬實驗平臺建設的研究與實踐（項目編號120192）

參考文獻

[1] 朱玲，齊煒.計算機輔助教學課件的設計與實踐——以無機化學“分子結構”一章為例[J].中國大學教學，2012（7）.

[2] 陳振華.解決教學適應性問題的現代路徑[J].高等教育研究，2013（6）.