實驗引導法在流體力學課程中的創新與實踐

朱暉 張智明 王毅剛

摘要：文章對本科學生在學習流體力學課程過程中暴露出的共性問題及學生的實際基礎進行了研究，借助實驗教學平臺強化基礎知識的傳授，對流體力學實踐教學進行基礎階段、應用階段、創新階段的劃分，為構建適合于學生實際情況的流體力學教學新框架打下基礎。旨在探索大專業背景及學分制教學體系下，專業基礎課與科研、工程實際相接軌的課程教學新模式。

關鍵詞：流體力學;教學改革;流體實驗;實踐教學

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0003-02

流體力學作為車輛工程及軌交工程的專業基礎課，所涉及的基本原理和基礎理論在實際工程中具有很強的應用價值和指導意義。兩個專業的學生畢業后大部分在生產及研發一線從事車輛開發及生產工作，接觸的流動介質既有液體又有氣體，所遇到的問題也正與這些流體的運動狀態、物性、邊界條件等有關。如何應用流體力學的基本理論分析及解決今后工作中所面臨的技術問題，是每個工程技術人員的基本職責。這要求流體力學的教學過程應該注重理論知識的系統性傳授與實踐能力培養相結合、課堂教學與實踐教學相結合，不斷改進教學方法，積極探索適合于工科學生專業設置和就業方向的課程教學新模式[1，2]。

一、現狀分析

國內外著名高校皆設有流體力學實驗室，為教學和科研服務，其中風洞是必不可少的設施之一。中國科學技術大學流體力學教學實驗室具有整套水力學實驗裝置以及小型水洞、小型低速風洞、小型超聲速風洞、小型激波（管）風洞、標定激波管、紅寶石激光器、PDA、紋影儀等實驗設備和儀器。上海交通大學流體力學實驗室能夠完成靜壓與相對平衡、能量方程實驗、流動狀態判別實驗、流譜顯示實驗、氣動實驗、直管沿程損失實驗、波浪水槽實驗、風洞實驗，除了服務于學科的科學研究外，其主要職能就是承擔面向全校的本科流體力學的實驗教學。美國University of California，Berkeley--Fluid Mechanics Laboratory能夠完成從層流到湍流的諸多實驗，而且已經向渦動力學方向發展，除完成相關科研項目外，主要功能就是面向本科生進行流體力學實驗教學。英國Imperial College London--Hydrodynamics laboratory的一項重要職能就是用于本科生教學，證明流體力學的基本原理。該實驗室具備波浪水池、船模試驗池/寬波水槽（長水槽）等實驗設施，是其科研與教學特色之一。加拿大Conco—dia University—Fluid Mechanics Lab直接用于本科和研究生教學，涉及層流、層流和湍流管流、球體阻力系數、翼型壓力系數等諸多實驗。可見流體力學實驗已成為流體力學教學的必要手段和重要組成部分，是流體力學教學改革的必然方向。然而本校車輛工程及軌交工程的本科學生從未進行過流體力學實驗的操作，甚至沒有見過相關的實驗設施，因此嚴重制約了學生對流體力學基本理論的理解和掌握，亦無法對實際問題提出解決方案，即使有解決方案也沒有相關的技能進行方案實施，總之針對車輛工程及軌交工程方向本科生的流體力學的教學質量較低。

二、研究思路

采用實驗引導法[3-6]，按照“由感性到理性”的教學改革思路，創新流體力學課程教學與實踐方案，其體系結構分為三個階段：基礎階段為基于雷諾數準則的流態顯示法，使學生形成與流體力學相關的基本物理現象的感性認知，激發學生的學習興趣和熱情;應用階段則基于水槽、水箱、細孔及相關實驗設備，培養學生形成與流體靜力學、流體動力學、理想不可壓縮流體流動、相似原理及量綱分析相關的具體科學及工程問題的屬性辨別及理性解答能力，提高學生的學習能力和專業素養;創新階段為學生依據粘性不可壓縮流體繞物體流動的知識，將前兩個階段的課題進行綜合和創新。通過三個階段的教學實踐，由感性認知到問題解決，再到創新研究，使學生最終能夠廓清與流體力學相關的不同物理現象及工程問題的屬性，形成解決方法、規劃研究方案。課程由簡單到復雜、由單一到綜合，經過這三個階段的訓練，能夠較大程度地提升學生的實際問題解決能力、綜合創新能力、科技開發能力。

三、實驗教學的實施

采用實驗引導方法，將流體力學的基本概念、問題屬性、解決方法貫穿于教學體系結構的三個階段中，做到有目的的學習，真正改變學生的原有學習方法。實驗不僅能夠使學生對流體力學物理現象有了感性認知，而且能夠獲得準確的實驗數據（力、壓力、流譜），為后續的理性分析提供可靠的數據基礎;進一步來說，創新階段能夠為學生在解決車輛研發過程中所涉及的真實的流體力學問題提供完備的物質基礎。

1.基礎階段：這一階段的主要特點是將部分課堂教學移到實驗室，教師演示流體力學的基本流動現象，學生邊學邊做，淡化實驗個數概念。通過實踐對流體力學所研究的問題形成感性認知，初步掌握實驗資源的工作原理。實驗內容主要為基于雷諾數準則的流態顯示及判定依據。

2.應用階段：在課堂上講授相關理論知識的前提下，使學生形成必要的知識儲備，令其帶著疑問和興趣進入應用階段的實驗環節。教學安排包括水槽、水箱、細孔及相關實驗設備，加深學生對流體靜力學、流體動力學、理想不可壓縮流體流動、相似原理及量綱分析相關知識的掌握程度及理解深度，進而回到課堂對理論所涉及的伯努利方程、點源點匯方程、壓力分布方程等關鍵知識點進行總體復習和凝練，使理論學習與工程實際接軌，增強學生的學習興趣和動力，充分發揮學生的主觀能動性，激發學生的學習欲望。

3.創新階段：通過基礎階段與應用階段的全過程教學，并且在課堂上講授粘性流體力學及繞流流動的相關特性后，學生已建立了流體力學的基本知識體系，具備了相關理論知識的儲備。在創新階段的實施過程中，做到“以學生為主”，從方案制定、可行性分析、設備準備、實驗調試、總結等方面促使學生獨立開展工作，充分發揮學生的主動性和積極性，分析解決實際工程實踐過程中遇到的問題，培養創新意識和能力。

四、人才培養的作用

1.解決原有的流體力學課程過度重視理論知識的傳授、輕視感性知識的傳達和實際操作的問題。

2.解決理論教學和實踐教學相脫節的問題，徹底轉變傳統的課堂教學和實踐教學分離的教學方法。

3.通過三個階段的教學實踐，由感性認知到問題解決，再到創新研究，使學生最終能夠根據與流體力學相關的不同物理現象及工程實踐廓清問題屬性，規劃研究方案，形成解決方法。

4.通過課程改革，解決學生綜合素質的培養問題，在實踐過程中逐步鍛煉和培養學生自主學習的能力、團結協作的精神、面對工程問題的處理方式等能力。

5.通過本次教學的創新與實踐，流體力學考試的優秀率、及格率得到了大幅提高，有的班級優秀率達到25%，整體的不及格率下降至22%。

五、結束語

通過將實驗引導法運用于流體力學的教學實踐，提升了學生掌握教材所涉及的流體力學相關知識的能力;通過相關的流體力學實驗演示和操作，加深了學生對流體力學知識的理解;以流體力學實驗為先導，通過現象與理論的結合，促使學生對流體力學知識的融會貫通;通過創新階段的實施，提高了學生解決實際問題的能力，并具備了初步的科研開發能力。綜合三階段的教學成果，達到了流體力學教學改革及創新的預設目標。

參考文獻：

[1]王燁，李亞寧.流體力學課程多視角教學方法探索與實踐[J].高等建筑教育，2013，22（4）：41-43.

[2]王燁，孫三祥.凸顯實踐環節的流體力學教學新模式研究[J].蘭州交通大學學報，2014，4（33）：162-165.

[3]孫恒，朱鴻梅，舒丹.“啟發—聯想式”教學方法在流體力學教學中的應用[J].中國電力教育，2011，（5）：79-80，82.

[4]隋秀香，李相方，尹邦堂.教學實驗與科研相結合培養創新型石油人才[J].實驗室研究與探索，2013，11（32）：144-147.

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