流體力學(xué)實驗教學(xué)改革探討

摘要:流體力學(xué)是高等工科院校普遍設(shè)置的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，隨著教學(xué)改革的深入，流體力學(xué)實驗教學(xué)出現(xiàn)了一些問題。在分析流體力學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，針對流體力學(xué)實驗內(nèi)容、實驗教材及課程考核體系存在的問題，提出了各自的解決辦法。

關(guān)鍵詞:流體力學(xué);實驗課程;教學(xué)改革

中圖分類號:G423.06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1673-291X(2010)17-0254-02

流體力學(xué)是水利、土木類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，整個課程體系包括理論分析、科學(xué)實驗與數(shù)值計算，在我國高等學(xué)校工科專業(yè)形成了穩(wěn)定的頗具特色的教學(xué)模式。隨著教學(xué)改革的不斷深入，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力方面明顯顯示出不足:在實驗內(nèi)容上單調(diào)又陳舊，偏于基礎(chǔ)，難以激發(fā)學(xué)生興趣;實驗設(shè)備大多數(shù)過于陳舊，多由學(xué)校集體申購，教師學(xué)生參與程度低;教學(xué)方法老套，多采用老師講解基本原理，之后做示范實驗，學(xué)生隨后模仿這一模式，無法充分調(diào)動學(xué)生積極性;實驗教學(xué)教材陳舊，不能適應(yīng)實際需要;缺乏恰當(dāng)?shù)脑u價體系，導(dǎo)致教學(xué)雙方積極性喪失。因此，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，本著培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才的目標(biāo)，必須對流體力學(xué)實驗課程教學(xué)進(jìn)行改革。

一、流體力學(xué)實驗內(nèi)容的改革

傳統(tǒng)的流體力學(xué)實驗內(nèi)容包括以下幾類。

第一類:液體靜壓強(qiáng)測定實驗，流線演示實驗、能量方程實驗、文丘里流量系數(shù)測定實驗、畢托管測流速實驗、明渠斷面流速分布測定、水面曲線實驗、水電比擬實驗。

該類實驗以認(rèn)識流體力學(xué)基本概念為主，在實驗的過程中加深對基本概念的理解，可以歸類為認(rèn)識概念型實驗。

第二類:液體的相對平衡實驗、動量定理實驗、雷諾方程實驗、伯諾里方程實驗、沿程阻力系數(shù)測定實驗、局部阻力系數(shù)測定實驗、達(dá)西定律滲流實驗。

該類實驗以驗證流體力學(xué)基本原理為主，學(xué)生通過動手操作實驗設(shè)備，達(dá)到預(yù)期目的，從而理解流體力學(xué)經(jīng)典理論，可以歸類為理論驗證型實驗。

第三類:孔口與噴嘴出流實驗、水躍實驗、堰頂溢流實驗、閘孔出流實驗。

該類實驗主要通過老師操作，學(xué)生觀摩的方式完成，從而初步了解流體力學(xué)基本原理在實際工程中的應(yīng)用，可以歸類為觀摩型實驗。

這三類實驗其優(yōu)點是理論成熟且實驗開展難度不大，易于學(xué)生動手操作。因此，應(yīng)用廣泛，各大高校都在進(jìn)行類似實驗。但也存在明顯缺點:第一類第二類實驗本身缺乏新鮮感，學(xué)生在動手之前已經(jīng)知道了實驗結(jié)果，實驗過程十分機(jī)械，甚至敷衍了事;第三類實驗對多數(shù)學(xué)生有吸引力，學(xué)生積極性也高，但是無法參與。

基于此，應(yīng)從以下幾方面入手對流體力學(xué)實驗內(nèi)容進(jìn)行改革。

1.適當(dāng)減少認(rèn)識概念型、理論驗證型實驗的開出數(shù)量，將觀摩型實驗以學(xué)生參與、教師指導(dǎo)的方式進(jìn)行。例如，對于水躍實驗，可以完全放手給學(xué)生去做，從調(diào)試設(shè)備到實驗開始到水躍形成到改變水躍形式，都由學(xué)生自己去完成，教師只起釋疑解惑的作用。

2.實驗內(nèi)容應(yīng)與各專業(yè)本身相結(jié)合。以本校為例，流體力學(xué)實驗作為土木工程專業(yè)、水利水電工程專業(yè)、農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)共同的實驗科目，由于其各自專業(yè)目標(biāo)的差異、學(xué)生專業(yè)知識構(gòu)成的不同，其對于流體力學(xué)知識體系的興趣點也不一樣，為此，流體力學(xué)實驗內(nèi)容應(yīng)該考慮到這些專業(yè)差異，進(jìn)行特色教學(xué)。為此，針對土木工程專業(yè)，增設(shè)過橋涵洞流體特性及管流力實驗內(nèi)容;針對水利水電工程專業(yè)，增加洪水演示實驗，增加大型水利工程模型試驗等;針對農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)，增加地面灌溉模擬實驗，增加農(nóng)田灌溉系統(tǒng)實驗等。

3.在實驗教學(xué)方法上，由以教師為主轉(zhuǎn)換為以學(xué)生自己動手為主，教師只起指導(dǎo)性作用。同時，流體力學(xué)實驗教學(xué)與理論教學(xué)密切配合，最大程度調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鼓勵學(xué)生的自主創(chuàng)新，對于學(xué)生在實驗課程中提出的看法和見解要注意保護(hù)。

4.在流體力學(xué)實驗教學(xué)方式上，充分利用多元化手段，改變以往單一的實驗室教學(xué)法。將流體力學(xué)實驗教學(xué)與工科專業(yè)實踐性教學(xué)密切結(jié)合。例如，在農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)本科實習(xí)中，注意引導(dǎo)學(xué)生觀察，記錄農(nóng)業(yè)水利工程中的流體力學(xué)工程實例，并就相關(guān)實際問題運(yùn)用流體力學(xué)基本原理予以講解。

5.將流體力學(xué)物理試驗與數(shù)值試驗相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力及科研素質(zhì)。目前，流體力學(xué)實驗大多以物理模型試驗為主，對于數(shù)值實驗鮮有提及。在計算機(jī)教育高度普及的今天，各學(xué)科與計算機(jī)相結(jié)合，走數(shù)字化道路已成為共識。流體力學(xué)基本實驗，原理明確、理論成熟，具備了開展數(shù)值試驗的先天優(yōu)勢，而工科學(xué)生本身又對計算機(jī)興趣較大，如能正確加以引導(dǎo)，必將大大提高學(xué)生參與的積極性。例如，對于突擴(kuò)流動[1]，教師可以先指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行物理試驗，之后開展數(shù)值試驗。

二、流體力學(xué)實驗教材的改革

由于長時期的對于流體力學(xué)實驗課程的不重視，也導(dǎo)致了流體力學(xué)實驗教材更新?lián)Q代的滯后，表現(xiàn)在以下幾方面。

1.教材內(nèi)容陳舊，多數(shù)沿襲以往幾十年的內(nèi)容，其中的多數(shù)設(shè)備目前已經(jīng)早就被淘汰，所講內(nèi)容與時代要求、社會需要有一定距離，因此，更新陳舊的流體力學(xué)實驗教材內(nèi)容勢在必行。

2.教材講述性內(nèi)容太多，留給學(xué)生獨(dú)立思考的空間太少。現(xiàn)有流體力學(xué)實驗教材沿襲了傳統(tǒng)教材的嚴(yán)謹(jǐn)風(fēng)格，推理嚴(yán)密、論證準(zhǔn)確，實驗過程的每一個環(huán)節(jié)講的都很清楚，甚至于每一個環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題及對策就已經(jīng)給出。這種特點在保證了實驗的準(zhǔn)確進(jìn)行的同時，也束縛了學(xué)生的手腳，幾乎沒有給學(xué)生留下獨(dú)立思考的空間，同時也使學(xué)生對實驗失去了興趣，沒有了探索的欲望。

為此，可以對流體力學(xué)實驗教材進(jìn)行如下方面的改革，以求其與時俱進(jìn)。

1.實驗教學(xué)教材內(nèi)容必須與實驗設(shè)備同步，每更新一批實驗設(shè)備，須及時地將其操作規(guī)程、注意要點等事項補(bǔ)充入實驗教材內(nèi)容中，做到常用常新。

2.針對各專業(yè)對流體力學(xué)不同層次的要求，廣泛收集實驗在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，結(jié)合各專業(yè)工程實際，對流動現(xiàn)象、機(jī)理、發(fā)生條件等，結(jié)合實驗結(jié)果給予詳細(xì)的描述和解釋，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)感情，提高學(xué)習(xí)興趣，提高實際工程應(yīng)用能力。例如，結(jié)合能量方程實驗，介紹水利水電工程專業(yè)南水北調(diào)水利工程中的穿黃隧道倒虹吸設(shè)計及農(nóng)業(yè)水利工程中的農(nóng)田水泵站設(shè)計。

3.在流體力學(xué)實驗教材編寫中編寫實驗教材時，為了讓學(xué)生了解所做實驗的歷史、當(dāng)時的實驗條件、有關(guān)學(xué)科的發(fā)展情況、該實驗對流體力學(xué)的貢獻(xiàn)等，在每個實驗前編寫“實驗中的發(fā)現(xiàn)”部分。如孔口與管嘴實驗:當(dāng)時伽利略(1564—1642)成功地解決了自由落體和拋射體問題;托里拆里(1608—1647)也用實驗的方法研究了容器出流的射流形狀、速度和流量問題，并提出了射流速度與水的高度成正比;約100年后，伯努利(1667—1748)精確地確定了射流速度的公式。

4.在流體力學(xué)實驗教材編寫中，立足本校實際，同時注意吸收國內(nèi)外相關(guān)先進(jìn)成果。如本校新編的《流體力學(xué)實驗指導(dǎo)與練習(xí)》是編者總結(jié)了三十多年的實驗教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合理論教學(xué)和實踐教學(xué)，在編者進(jìn)行的設(shè)備研制和設(shè)計的基礎(chǔ)上，參考了清華大學(xué)、河海大學(xué)等知名院校的水力學(xué)實驗教學(xué)方面的資料，并廣泛地吸取國內(nèi)外實驗教學(xué)教材中的優(yōu)點編寫而成。在編寫過程中始終貫徹理論聯(lián)系實際，注重實踐環(huán)節(jié)，并結(jié)合了小型臺式自循環(huán)儀器的開發(fā)和使用，力求符合學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律及便于自學(xué)的原則。

三、流體力學(xué)實驗課程考核體系的改革

由于缺乏相應(yīng)的約束機(jī)制以及考核方式的不合理導(dǎo)致流體力學(xué)實驗課中存在著以下問題。

1.學(xué)生對流體力學(xué)實驗課程本身認(rèn)識不足，積極性不高。隨著高校擴(kuò)招，流體力學(xué)實驗常采用幾人分成一個小組的形式進(jìn)行，結(jié)果導(dǎo)致小部分學(xué)生做，其他學(xué)生看的局面。同時，學(xué)生也僅僅認(rèn)為實驗課是對理論課某些知識的簡單驗證，興趣寥寥。

2.學(xué)生動手能力差。在實驗課進(jìn)行中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于實驗設(shè)備相當(dāng)陌生，對于教師事先安排的預(yù)習(xí)實驗要點等反應(yīng)遲鈍，即便是進(jìn)入實驗室后，也只是在事先布置好的設(shè)備上測定幾個數(shù)據(jù)，部分同學(xué)甚至干脆不做。

3.實驗報告千篇一律，抄襲普遍，全班同學(xué)一個版本。

基于以上情況，必須對流體力學(xué)實驗課程考核體系進(jìn)行改革，以便從根本上改變這種現(xiàn)狀。在借鑒，調(diào)研國內(nèi)同行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為可以從以下幾點著手。

1.實驗教學(xué)單獨(dú)考查計算成績，并實行實驗成績一票否決制。實驗成績必須及格并以30%左右的比例將其匯入課程總成績。這樣有利于調(diào)動教學(xué)雙方的積極性，克服部分學(xué)生重理論、輕實驗的思想，為保證實驗教學(xué)提供有利條件。

2.實行必做實驗和選做實驗相結(jié)合。增設(shè)選做流體力學(xué)實驗項目，為學(xué)有余力的學(xué)生提供更多的鍛煉機(jī)會。試行結(jié)果表明，有相當(dāng)多的學(xué)生會加做2—3項選做實驗。

3.增加實驗演示內(nèi)容。為了使學(xué)生加深理解，支持個人獨(dú)立完成實驗。實驗室在實驗周或?qū)嶒炘氯扉_放的情況下，實驗室初步具備學(xué)生獨(dú)立實驗的條件，通過獨(dú)立實驗?zāi)苁箤W(xué)生得到更大的鍛煉。

4.實施創(chuàng)新性的綜合實驗。通過學(xué)生自主設(shè)計的創(chuàng)新性實驗，培養(yǎng)學(xué)生分析流體力學(xué)問題能力和創(chuàng)新意識。讓學(xué)生將所學(xué)的流體力學(xué)知識、理論廣泛聯(lián)系和應(yīng)用于實際工程中，加強(qiáng)了對廣義的概念的理解，提高流體力學(xué)學(xué)生的綜合索質(zhì)，給學(xué)生更多的創(chuàng)新的機(jī)會，使他們的潛能充分發(fā)揮出來。

在流體力學(xué)實驗課程教學(xué)中，以上幾點分別計分，最后乘以相應(yīng)權(quán)重，即為該生最終成績。

流體力學(xué)實驗教學(xué)在流體力學(xué)學(xué)習(xí)過程起到重要的作用。實驗課程能夠調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，并促使教師必須不斷拓寬知識面，提高自己的理論水平。這樣，實驗指導(dǎo)教師的水平與教學(xué)態(tài)度也得到了學(xué)生的普遍贊揚(yáng)，學(xué)生做實驗的積極性也得到了很大的提高。

參考文獻(xiàn):

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