基于創新意識培養的流體力學實驗教學探索

李小斌?李鳳臣?姜寶成?蔡偉華

摘要：針對創新型人才培養的要求，以流體力學創新實驗課為基礎，論述了在明確流體力學研究背景與發展趨勢的基礎上，開展實驗教學方法的探索。提出了“導與研”結合的“理論→案例→工程→理論深化”的研究型實驗課教學，提倡開放、科學的實驗態度與精神，及時貫穿科學研究熱點、緊跟時代前沿，提升學生自主學習的熱情和創新思維的培養。

關鍵詞：創新思維；引導式學習；學科交叉；研究型實驗教學

作者簡介：李小斌（1984-），男，甘肅甘谷人，哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，講師；李鳳臣（1971-），男，黑龍江林甸人，哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，教授。（黑龍江 哈爾濱 150001）

基金項目：本文系哈爾濱工業大學創新實驗課建設項目（項目編號：2013306）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0119-03

近年來，我國高等教育體系中，實驗教學開始加強，實驗教學不再只是理論教學的輔助手段，而是兩者相輔相成、相互促進。[1，2]實驗教學不僅驗證理論的正確性，更重要的是鍛煉了學生從實驗驗證理論、深化認知的過程，彌補在理論知識中存在的斷層和缺陷，并激發學生的創新熱情。[3]這樣，實驗課內容的加強又在呼喚著實驗教學的革新，這種革新包括創新的實驗室管理體系、教學手段和實驗教學隊伍等。針對理工專業的學生，一種適應新時代的創新實踐能力培養的研究型實驗教學模式顯得尤為重要。

為了深入貫徹“研究性、個性化、精英式”的教學理念，集中優質教育資源，為優秀學生提供更優質的實踐教學培養平臺，哈爾濱工業大學自2012年起開設了創新實驗課，自此已有三批次共39門創新實驗課獲得立項，并按計劃面向全校本科大二年級以上的學生開放。創新實驗課采用自主式、研究型的教學模式，實行“個性化培養”，旨在通過該模式課程學習，使學生在學習的全過程中受到高水平的全面教育和實踐，學生的工程實踐能力、創新精神得以全面培養和提高。

流體力學作為一門理工科基礎應用型學科，其主干課程包括本科階段的“工程流體力學”及研究生階段的“粘性流體動力學”，課程內容內涵豐富、外延廣闊，學科貫穿于能源科學、動力機械、土木工程、航空航天、化工過程等多個理工科專業，且學科自身具有一定戰略安全意義。針對其課程主線和當前的研究前沿問題，開設了“流體力學多尺度創新實驗課”，面向全校和流體力學學科相關專業的學生，使學生能夠盡快地步入到科學研究的節奏中來，提升自身獲取知識和培養創新思維的能力。

一、流體力學的科學定位與教學現狀

通過對實驗課所對應的主干課程的認識，研究其背景定位及發展現狀，可以綱舉目張，明確目前理論教學與實驗教學中的不足與誤區，以建立有目的性的創新實驗課程。

1.國內外流體力學教學研究背景

從世界范圍來看，流體力學學科已經從能源應用拓展到了天體力學、航空航天、地理學、生物醫藥、食品工程、土木工程和環境科學等重要領域，從根本上說，流體力學是多學科交叉課程，甚至在數學學科，流體力學也是一門很受重視的學科。所以只有深刻理解了其基礎概念與研究方法，才能將其理論熟練應用于各個專業領域，而其教學理念與定位、教學方法與手段的創新、理論應用的深度一直是教育、科研與工程上的重要課題。

在我國，大多數“985”高校開設有流體力學課程，其中北京大學和清華大學的流體力學研究發展較早，出現了如周培源、林家翹、錢學森等國際流體力學大師，西安交通大學、浙江大學、華中科技大學等均各具特色。哈爾濱工業大學流體力學教學與研究始于20世紀50年代，是建國以來最早創建的特色專業之一，歷來重視教學研究及教學質量，已建設成為國家力學教學基地、國家精品課程項目。總體來看，國內流體力學教學沿用教育部優秀教材，種類不多，但具有一定難度和深度。近年來多媒體教學和教學實踐與實驗環節對流體力學的應用促進很大，如大學生科技創新活動有很多流體力學理論應用作品，全國力學大會和國際流體力學大會增加了學術交流的機會和機遇。從國際上來看，流體力學研究自阿基米德靜力學研究開始，經伯努利、歐拉、納維和斯托克斯及雷諾至今，20世紀形成了流體力學研究四大學派，即莫斯科學派（朗道和柯爾莫戈洛夫）、德國哥廷根學派（普朗特）、美國學派（馮卡門）、英國劍橋學派（泰勒和巴徹勒），并從中涌現出了第一批國際知名的優秀流體力學教材。

2.流體力學教學研究進入新階段

進入21世紀，流體力學發展進入新的階段，主要體現在：研究領域不再局限于經典物理學領域，從宏觀尺度、微觀尺度擴展到了多學科交叉；計算流體動力學極大推動了流體力學理論與應用的發展；流體力學理論更加廣泛應用于工程實踐中。美國斯坦福大學、麻省理工學院、康內爾大學、加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校，日本東京大學、京都大學，新加坡南陽理工大學，中國臺灣國立中央大學等國際著名高校走在科研和教學的前沿，其中尤其以麻省理工學院的力學開放課程最為著名。其課程建設優勢表現為：

（1）教學方式的“印象式”創新，以開放式、引導式授課模式為主，貫穿經典理論的歷史典故與沿襲。如麻省理工學院的Walter Lewin教授講解流體力學風趣幽默，善于用直觀的實驗來演示復雜深刻的物理原理。

（2）教學內容的前瞻性與及時性，他們除了使用自己編寫的高質量教材，教學過程中更多地引入力學實例，指出研究趨向。

（3）引導學生在課堂中參與教學環節，誘導學生發散式思維，完整糅合了理論背景、應用和現實生活。

（4）教學實踐更加突出思維模式和實際工程應用，對課程考核強度降低，使用教學過程中分段式考核，使學生保持連貫的學習興趣。

（5）課程富含實際應用問題和科研創新課題，學生可以積極參與到科研環節，突出了理論研究及其應用實踐的重要性。

3.流體力學教學研究發展趨勢探索

從總體看，國際前沿的流體力學教學形成了一整套通用教材，其中也包括網絡課程資源。在提出問題上具有實踐和實效性，解決問題的方式具有誘導性，而在教學環節中實驗演示占據很大比例，能夠增強學生從自然現象和工程技術中發現問題的能力，通過“研究型”教學的方式，誘發學生探索問題的興趣，培養出一套行之有效而高效的思維方式，主動地參與到一些富有創造性和創新精神的科研項目中來，真正提高科學素養和動手能力。

另外，從教學手段上看，對以母語教學為主的群體來說，在接收和認知概念與原理的同時具有優勢。而對非母語教學來說，專有名詞的引入和翻譯一定程度上限制了學習興趣，由于新理論具有廣泛的實際背景和理論基礎，使用原版語言的專有名詞具有一定的實際意義，在避免了對概念先入為主所造成的誤區的同時，激發學生的學習熱情，方便與國際其他研究者交流。

二、“流體力學多尺度創新實驗課”的施教

面向全校大二及大二以上年級，“流體力學多尺度創新實驗課”已經進行了一輪完整的教學。針對流體力學目前存在的問題和其發展趨勢，創新實驗課的設立旨在提升學生從理論到實踐的創新能力，在“理論→案例→工程→理論深化”的過程中，深化掌握流體力學理論、激發學習興趣、培養研究熱情的主要途徑，開發自主創新意識和實踐能力，以進一步推動研究應用型人才的培養。

1.創新實驗課設計方案

在學生掌握部分流體力學知識的前提下，本實驗課程依據流體動力學中流體分子尺度、流體熱物理及界面性質和流動環境的多尺度特性，開展復雜流體的多尺度流動實驗。實驗課程從宏觀-介觀-微觀可以分為以下三方面內容：宏觀流體流動阻力及換熱特性測量、流體介觀界面形象及微尺度流動實驗，其設計方案如圖1所示。

2.創新實驗課實施方案

復雜流體多尺度流動實驗的三個部分，均依托國家力學教學基地現有資源，將其他項目和已有的實驗裝置之間互相補充來完成，具體的技術路線如下：

（1）制定多尺度流動實驗體系的實驗內容及實驗大綱，創建培養目標及實驗規范，形成完整的實驗教學指導教材及課程大綱。

（2）提出學生選課準入及選拔方式，建設學生對創新實驗實踐能力的認定辦法及考核辦法。創新實驗課采用學生自主報名和按面試、學習成績進行選拔的方式確定上課人選，選拔標準具有一定彈性，準入人數需要一定裕量。考核辦法中，實驗報告和針對實驗的科技論文各占50%，實驗報告不限格式，注重內容，引導學生發揮專長，進行獨立思考。

（3）進行多尺度實驗設計，實驗設計中充分考慮先后順序，盡可能使得上一個實驗的研究結果能夠運用到下一個實驗中來，做到循序漸進。并進一步細化實驗內容，確保實驗設備運行正常，能夠對付突發情況，同時將實驗任務落實到個人。

（4）最后及時進行教學及實驗效果總結，改進完善，指導學生完成實驗論文，指導教師通過創新課實驗教學，查缺補漏，歸納成果，總結經驗。

3.創新實驗課授課方式

學生對于實驗課的熱情，來自于興趣，而不是為了實驗而進行實驗，所以在實驗課授課中，仍然需要將現代教育理念有機地貫穿于實驗教學中，讓熱情這個“最好的老師”來指導。

（1）突出科學實驗精神。與實驗相關的科學史料和實驗應用拓展介紹，可以豐富學生的實驗知識和人文素質，極大地增強從課堂到實驗的代入感。在實驗教學中突出介紹每個實驗的設計思想，以實例引導，由簡入深，著力培養學生基本的實驗技能、嚴謹的實驗態度、倡導實事求是的科學態度。

（2）開放的實驗態度。開放的實驗態度是指教師在課前或者見面會上給出下次實驗關鍵詞，學生可以預先通過圖書館、網絡等方式查找資料，這種情況，最能激發出學生新的思維亮點。所以創新實驗課授課時，最好是學科教授牽頭，實驗隊伍完整，能夠及時解答學生的各種疑問。

（3）對實驗的科學認知。實驗教學中，并不是每個實驗都能夠得到良好的結果，在接受實驗不完美結果并查找分析原因時，要有“既然不能避免便加以利用”思想，這樣不僅能夠開創新的問題情境，更能形成新的命題突破口。因為在實驗教學中，學生不是單純的實驗操作者，而是實驗設計的主導者以及實驗過程的控制者，所以這種“研究性”實驗教學使得學生在實驗過程中自我探索、自我發現，提升了自主學習能力和創造能力。

（4）緊跟學科前沿。課程的理論知識隨著研究的深入不斷變化，在深刻認識發展歷程及發展趨勢的基礎上，要不斷將學科前沿熱點穿插進來，比如可以盡量能在實驗中某個現象發生時，開拓視野，舉一反三。另一方面，教師在授課時，應不拘泥形式，貫穿原始的母語名詞及解釋，在解釋清楚相近容易混淆的名詞時，同時指出同一現象的多種解釋，使學生能夠探究到事物的機理，建立起對自主學習的自信。

三、“流體力學多尺度創新實驗課”的反饋

實驗課教學將理論知識、研究方案和工程應用潛移默化，創新的教學思維達成了從“教而學”的培養方式逐漸轉變為“導而研”的成長模式。經過一輪完整的創新實驗課教學，已初步取得了可喜的成績，學生在獲得學科知識的時候，也獲取了學習的能力，提高了學習興趣和熱情。

1.跨專業選課

在這一輪的創新實驗課選課中，經過選拔，有30人進入實驗課學習，數量比課程容量有所增加。選課學生中，人員分布在9個學院的不同專業，所以由于專業背景的差異，學生往往能提出比較深刻的問題。比如：在慣性湍流減阻實驗中，學生提出利用泵源和管路將進水和排水結合的問題，以達到快速給排水的目的；還有學生提出表面活性劑添加劑減阻的機理、其失效、補充方案以及經濟性等問題。

2.結合項目學習

部分學習通過創新課程設計、節能減排等項目設計的環節進入實驗課的學習，能夠有的放矢地進行實驗設計和實驗思考。比如在流動先進測量手段中，學生提出高亞聲速飛行器的設計問題、離子風和多相流流動的測量問題，大大促進了對學科熱點問題的深度思考。

3.實驗分組

實驗過程中，發現來自不同學院的學生能夠自主地組成一個實驗小組，一般每組4到5人，并能自發出現一位領導能力較強的學生成為組長。可見，實驗課還將鍛煉學生的團隊協作能力，這也是科研精神的重要組成部分。

四、結束語

創新的思維，如19世紀多產多領域的領袖數學家龐加萊總結的思想和方法：將物理思想和數學結合起來解決特定的問題，而流體力學大師巴徹勒則在流體力學研究中很好地踐行了這一思想，就如巴徹勒的導師泰勒所說，“我科學研究的方向幾乎全部來自外界所發生的事件”。

從流體力學的重要性來說，它幾乎囊括了能源系統、生態系統、氣候預測、國家安全甚至日常生活各個方面，有流體的地方就有流體力學，有人類活動的地方就有流體力學的應用。隨著流體力學在各個學科的延伸和交叉，尤其航空航天應用、微尺度生物流體應用、高效氣候模擬、大型水動力學應用等方面衍生出一系列科學問題，在能源問題如此緊迫的今天，培養富有學科交叉創新精神的人才對發展我國力學教育事業具有深遠的意義。創新實驗課的開設，希望能為多領域科學發展略盡綿力，培養出富有探索精神的創新型人才。

參考文獻：

[1]吳福根，于兆勤，徐小明，等.創新管理模式，加快實驗教學示范中心建設[J].實驗室研究與探索，2010，（29）：109-110，117.

[2]丁志勝，李春霞.強化工程實踐能力培養的改革探索[J].中國電力教育，2013，（23）：22，35.

[3]張士磊，孟昕元.創新實踐型人才培養的實驗教學改革與探索[J].實驗科學與技術，2014，（12）：149-152.

注：李鳳臣為本文通訊作者。

（責任編輯：劉輝）