以問題為導向的流體力學實驗設計

滕桂榮 朱緒力 邢明錄

摘要創新是一個民族的靈魂，如何在本科教學過程中培養學生的創新意識和創新思維，是高等學校的每一位教師應該考慮的問題。流體力學實驗是流體力學課程重要的實踐環節，為在實驗教學過程中提高學生的創新意識和創新思維，我們采用了以問題為導向的教學設計。以流體靜力學實驗為例，在常規的基礎性實驗對靜力學基本方程進行驗證的基礎上，以問題為導向引導學生進行拓展性實驗，使學生在理解實驗原理的基礎上，對提出的問題進行思考討論，并自行設計實驗。通過以問題為導向的拓展性實驗能夠促進學生學用結合，拉近理論與應用的距離，有利于開啟學生的頭腦風暴，提高學生的創新能力。

關鍵詞 流體力學實驗 創新思維 拓展性實驗 問題導向

中圖分類號：O35文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.17.018

Problem-oriented Fluid Mechanics Experimental Design

TENG Guirong[1]， ZHU Xuli[2]， XING Minglu[1]

（[1]College of Energy and Mining Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590；

[2].College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590）

AbstractInnovation is the spirit of a nationality. How to cultivate students’ innovative thinking is a problem that every schoolteacherin colleges oruniversitiesshouldbe considered. Experiment is an importantpartinfluidmechanics.During experiment teaching， experiments are designed as basic experiments and problem-oriented extended experiments. Taking thehydrostaticsexperimentasanexample，basicexperimentisusedtoverify thehydrostaticsbasicequation，theproblemoriented extended experiment is used to guide students thinking and discussing， and further designing the experiments by themselves. The expanded experiment can promote the combination of learning and application， open up students’ brainstorming， and improve students’ innovative ability.

Keywordsexperiment of fluid mechanics； innovative thinking； extended experiment； problem orientation

0引言

自十八大以來，習近平總書記在公開講話和報道中上千次的提到“創新”一詞，可見創新在國家發展、民族振興中的重要性。在新工科背景下創新驅動是大勢所趨，作為為國家發展不斷提供人才儲備和智力支持的高等學校，也越來越認識到創新人才培養的重要性。無論是技術創新還是知識創新，都離不開具有創新意識和創新能力的人才，本科教學創新是關鍵。

流體力學是機械、采礦、土木、地質、工程力學等專業必修的技術基礎課程，在工程技術領域有著廣泛的應用，如采礦過程中的通風、排水、壓氣，機械工業中的潤滑、冷卻、液壓傳動及控制，水利工程、采暖通風、石油化工、航空航天等都需要依靠流體力學的基礎理論，而流體力學實驗是流體力學教學過程中的一個重要環節，對培養學生的實踐能力，提高學生的觀察分析能力、學用結合能力和創新思維能力具有重要的作用。

對于流體力學的實驗教學，很多學者做了大量探索性、研究性的工作，管新蕾等[1]通過創新流體力學實驗設備，加強對學生創新能力的培養杜嬌嬌，楊國鑫等[2]對基礎性實驗進行了拓展與探索；吳正人等[3]對工程流體力學虛擬實驗平臺進行了建設與實踐；曹勇等[4]利用旋轉平臺模擬地球旋轉對流體流動的影響；黃彪等[5]探索了循環水洞測試技術在流體力學研究教學中的應用；鄧輝等[6]采用研討課模式對流體力學實驗教學進行了改革；張慧晨[7]將流體力學實驗分成演示性、驗證性及設計性三類，構建了階梯形工程流體力學實驗教學模式；姜楠，孫偉[8]總結了流體力學在液壓技術中的應用。

前人的工作為流體力學的實驗教學拓展了思路，提供了有益的啟示。針對同學們普遍反映流體力學課程理論抽象，理論和實踐脫節的問題，我們在流體力學實驗教學中，開展了以問題為導向的流體力學實驗教學的探索和實踐。在實驗內容上，將流體力學實驗分為基礎性實驗和拓展性實驗。其中拓展性實驗以問題為導向展開。兩類實驗內容如圖1所示。本文以流體靜力學實驗為例說明以問題為導向的拓展性實驗的實施。

1以問題為導向的流體靜力學實驗設計

1.1流體靜力學基礎性實驗

流體靜力學基礎性實驗內容包括準確運用流體靜力學實驗設備對靜力學基本方程的驗證，掌握用測壓管測量流體靜壓強的技能，加深對位置水頭、壓強水頭、測壓管水頭、等壓面等概念的理解。

1.2流體靜力學拓展性實驗

拓展性實驗的目的主要是培養學生學用結合能力和創新能力。在這部分實驗中指導老師圍繞實驗原理提出問題、加以引導。在靜力學拓展性實驗中提出了如下三個問題：

問題一利用現有的靜力學實驗設備測定某種與水互不混摻流體（如花生油、大豆油等）的密度，以下是學生給出的解決方案：

問題二讓學生觀察醫院里打點滴的吊瓶和家用飲水機的出流，提出的問題是無論吊瓶和水桶中的液位是深是淺，出口的流量是恒定不變的，請同學們自行畫出飲水機的工作原理。

通過查閱資料，學生弄明白了馬里奧特容器（圖5）恒定出流的原理。學生開展腦力風暴，舉一反三，將馬里奧特容器倒過來，就是打點滴的吊瓶；加上閥門和加熱盤就成了可供常溫水和熱水的家用飲水機，如圖6、7所示。

問題三利用靜力學基本原理設計汽車油箱的液位觀測裝置，該問題考察流體靜力學中的連通器原理、帕斯卡原理、等壓面的概念等知識點。

學生的方案如圖8所示，并且加上自動控制的數字顯示儀，可以直接讀到液位高度，該裝置設計簡單，適用于觀察地下油庫、不透明容器的液位高度。

2結論

在流體力學的實驗教學中，學生通過實驗前預習、實驗課堂實際操作、課后數據處理等過程完成基礎性實驗，對基本原理進行驗證，加深對流體力學基本概念的理解。

通過以問題為導向的實驗設計，可極大的激發學生的好奇心和創新欲望。同學們通過查找資料尋去答案，并通過文字、圖表進行總結，并以此為契機，進行舉一反三。事實證明，以問題為導向的流體力學實驗設計能夠提高學生學用結合能力和創新思維能力。

項目資助：1.山東科技大學校級課程建設項目，《工程流體力學》在線課程建設；2.山東科技大學2020年教育教學研究“群星計劃”項目（項目編號：QX2020M03）；3.山東科技大學優秀教學團隊建設計劃“基礎力學教學團隊”（JXTD20190501）

參考文獻

[1]管新蕾，高云鵬，王維等.創新流體實驗儀器，探索創新型人才培養.力學與實踐，2021，43（1）：135-138.

[2]杜嬌嬌，楊國鑫等.基礎性實驗的拓展與探索[J].實驗室科學， 2020，23（5）：37-39.

[3]戎瑞，吳正人，孫冬雷.“工程流體力學”虛擬實驗平臺的建設與實踐[J].實驗室科學，2020，23（4）：135-138.

[4]曹勇，孟靜，陳旭.地球流體旋轉平臺在流體力學實驗中的應用[J].實驗室科學，2019，22（3）：181-185.

[5]黃彪，陳倩，吳欽，等.基于循環水洞測試技術的流體力學研究教學應用[J].實驗室科學，2020，23（4）：5-8.

[6]鄧輝，張志宏，王沖.流體力學研討課模式實驗教學的研究[J].實驗室科學，2018，21（1）：118-120.

[7]張慧晨.階梯型工程流體力學實驗教學模式構建[J].實驗室科學， 2017，20（6）：129-132.

[8]姜楠，孫偉.液壓技術中的流體力學[J].力學與實踐，2005，27（5）：83-85.

[9]滕桂榮，吳立榮等.流體力學實驗教程[M].北京：煤炭工業出版社，2019.05.

[10]張明輝，滕桂榮等.工程流體力學[M].北京：機械工業出版社，2018.07.

[11]https：//old.pep.com.cn/czwl/xszx/tbxx/tb9/tb914/yd/201008/ t20100825_730879.htm.