實驗引導(dǎo)法在流體力學(xué)課程中的創(chuàng)新與實踐

朱暉 張智明 王毅剛

摘要：文章對本科學(xué)生在學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程過程中暴露出的共性問題及學(xué)生的實際基礎(chǔ)進行了研究，借助實驗教學(xué)平臺強化基礎(chǔ)知識的傳授，對流體力學(xué)實踐教學(xué)進行基礎(chǔ)階段、應(yīng)用階段、創(chuàng)新階段的劃分，為構(gòu)建適合于學(xué)生實際情況的流體力學(xué)教學(xué)新框架打下基礎(chǔ)。旨在探索大專業(yè)背景及學(xué)分制教學(xué)體系下，專業(yè)基礎(chǔ)課與科研、工程實際相接軌的課程教學(xué)新模式。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué);教學(xué)改革;流體實驗;實踐教學(xué)

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

流體力學(xué)作為車輛工程及軌交工程的專業(yè)基礎(chǔ)課，所涉及的基本原理和基礎(chǔ)理論在實際工程中具有很強的應(yīng)用價值和指導(dǎo)意義。兩個專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后大部分在生產(chǎn)及研發(fā)一線從事車輛開發(fā)及生產(chǎn)工作，接觸的流動介質(zhì)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(tài)、物性、邊界條件等有關(guān)。如何應(yīng)用流體力學(xué)的基本理論分析及解決今后工作中所面臨的技術(shù)問題，是每個工程技術(shù)人員的基本職責(zé)。這要求流體力學(xué)的教學(xué)過程應(yīng)該注重理論知識的系統(tǒng)性傳授與實踐能力培養(yǎng)相結(jié)合、課堂教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，不斷改進教學(xué)方法，積極探索適合于工科學(xué)生專業(yè)設(shè)置和就業(yè)方向的課程教學(xué)新模式[1，2]。

一、現(xiàn)狀分析

國內(nèi)外著名高校皆設(shè)有流體力學(xué)實驗室，為教學(xué)和科研服務(wù)，其中風(fēng)洞是必不可少的設(shè)施之一。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)流體力學(xué)教學(xué)實驗室具有整套水力學(xué)實驗裝置以及小型水洞、小型低速風(fēng)洞、小型超聲速風(fēng)洞、小型激波（管）風(fēng)洞、標(biāo)定激波管、紅寶石激光器、PDA、紋影儀等實驗設(shè)備和儀器。上海交通大學(xué)流體力學(xué)實驗室能夠完成靜壓與相對平衡、能量方程實驗、流動狀態(tài)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(fēng)洞實驗，除了服務(wù)于學(xué)科的科學(xué)研究外，其主要職能就是承擔(dān)面向全校的本科流體力學(xué)的實驗教學(xué)。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(jīng)向渦動力學(xué)方向發(fā)展，除完成相關(guān)科研項目外，主要功能就是面向本科生進行流體力學(xué)實驗教學(xué)。英國Imperial College London--Hydrodynamics laboratory的一項重要職能就是用于本科生教學(xué)，證明流體力學(xué)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(shè)施，是其科研與教學(xué)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(xué)，涉及層流、層流和湍流管流、球體阻力系數(shù)、翼型壓力系數(shù)等諸多實驗?？梢娏黧w力學(xué)實驗已成為流體力學(xué)教學(xué)的必要手段和重要組成部分，是流體力學(xué)教學(xué)改革的必然方向。然而本校車輛工程及軌交工程的本科學(xué)生從未進行過流體力學(xué)實驗的操作，甚至沒有見過相關(guān)的實驗設(shè)施，因此嚴(yán)重制約了學(xué)生對流體力學(xué)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(guān)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(xué)的教學(xué)質(zhì)量較低。

二、研究思路

采用實驗引導(dǎo)法[3-6]，按照“由感性到理性”的教學(xué)改革思路，創(chuàng)新流體力學(xué)課程教學(xué)與實踐方案，其體系結(jié)構(gòu)分為三個階段：基礎(chǔ)階段為基于雷諾數(shù)準(zhǔn)則的流態(tài)顯示法，使學(xué)生形成與流體力學(xué)相關(guān)的基本物理現(xiàn)象的感性認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情;應(yīng)用階段則基于水槽、水箱、細(xì)孔及相關(guān)實驗設(shè)備，培養(yǎng)學(xué)生形成與流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、理想不可壓縮流體流動、相似原理及量綱分析相關(guān)的具體科學(xué)及工程問題的屬性辨別及理性解答能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和專業(yè)素養(yǎng);創(chuàng)新階段為學(xué)生依據(jù)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(chuàng)新。通過三個階段的教學(xué)實踐，由感性認(rèn)知到問題解決，再到創(chuàng)新研究，使學(xué)生最終能夠廓清與流體力學(xué)相關(guān)的不同物理現(xiàn)象及工程問題的屬性，形成解決方法、規(guī)劃研究方案。課程由簡單到復(fù)雜、由單一到綜合，經(jīng)過這三個階段的訓(xùn)練，能夠較大程度地提升學(xué)生的實際問題解決能力、綜合創(chuàng)新能力、科技開發(fā)能力。

三、實驗教學(xué)的實施

采用實驗引導(dǎo)方法，將流體力學(xué)的基本概念、問題屬性、解決方法貫穿于教學(xué)體系結(jié)構(gòu)的三個階段中，做到有目的的學(xué)習(xí)，真正改變學(xué)生的原有學(xué)習(xí)方法。實驗不僅能夠使學(xué)生對流體力學(xué)物理現(xiàn)象有了感性認(rèn)知，而且能夠獲得準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)（力、壓力、流譜），為后續(xù)的理性分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ);進一步來說，創(chuàng)新階段能夠為學(xué)生在解決車輛研發(fā)過程中所涉及的真實的流體力學(xué)問題提供完備的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.基礎(chǔ)階段：這一階段的主要特點是將部分課堂教學(xué)移到實驗室，教師演示流體力學(xué)的基本流動現(xiàn)象，學(xué)生邊學(xué)邊做，淡化實驗個數(shù)概念。通過實踐對流體力學(xué)所研究的問題形成感性認(rèn)知，初步掌握實驗資源的工作原理。實驗內(nèi)容主要為基于雷諾數(shù)準(zhǔn)則的流態(tài)顯示及判定依據(jù)。

2.應(yīng)用階段：在課堂上講授相關(guān)理論知識的前提下，使學(xué)生形成必要的知識儲備，令其帶著疑問和興趣進入應(yīng)用階段的實驗環(huán)節(jié)。教學(xué)安排包括水槽、水箱、細(xì)孔及相關(guān)實驗設(shè)備，加深學(xué)生對流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、理想不可壓縮流體流動、相似原理及量綱分析相關(guān)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(guān)鍵知識點進行總體復(fù)習(xí)和凝練，使理論學(xué)習(xí)與工程實際接軌，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。

3.創(chuàng)新階段：通過基礎(chǔ)階段與應(yīng)用階段的全過程教學(xué)，并且在課堂上講授粘性流體力學(xué)及繞流流動的相關(guān)特性后，學(xué)生已建立了流體力學(xué)的基本知識體系，具備了相關(guān)理論知識的儲備。在創(chuàng)新階段的實施過程中，做到“以學(xué)生為主”，從方案制定、可行性分析、設(shè)備準(zhǔn)備、實驗調(diào)試、總結(jié)等方面促使學(xué)生獨立開展工作，充分發(fā)揮學(xué)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(yǎng)創(chuàng)新意識和能力。

四、人才培養(yǎng)的作用

1.解決原有的流體力學(xué)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(xué)和實踐教學(xué)相脫節(jié)的問題，徹底轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和實踐教學(xué)分離的教學(xué)方法。

3.通過三個階段的教學(xué)實踐，由感性認(rèn)知到問題解決，再到創(chuàng)新研究，使學(xué)生最終能夠根據(jù)與流體力學(xué)相關(guān)的不同物理現(xiàn)象及工程實踐廓清問題屬性，規(guī)劃研究方案，形成解決方法。

4.通過課程改革，解決學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)問題，在實踐過程中逐步鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力、團結(jié)協(xié)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(xué)的創(chuàng)新與實踐，流體力學(xué)考試的優(yōu)秀率、及格率得到了大幅提高，有的班級優(yōu)秀率達到25%，整體的不及格率下降至22%。

五、結(jié)束語

通過將實驗引導(dǎo)法運用于流體力學(xué)的教學(xué)實踐，提升了學(xué)生掌握教材所涉及的流體力學(xué)相關(guān)知識的能力;通過相關(guān)的流體力學(xué)實驗演示和操作，加深了學(xué)生對流體力學(xué)知識的理解;以流體力學(xué)實驗為先導(dǎo)，通過現(xiàn)象與理論的結(jié)合，促使學(xué)生對流體力學(xué)知識的融會貫通;通過創(chuàng)新階段的實施，提高了學(xué)生解決實際問題的能力，并具備了初步的科研開發(fā)能力。綜合三階段的教學(xué)成果，達到了流體力學(xué)教學(xué)改革及創(chuàng)新的預(yù)設(shè)目標(biāo)。

參考文獻：

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