依托大學生創新項目 探索力學實驗教學模式

蘭雅梅+肖世貴+李明+王世明+宋秋紅+劉爽

摘 要 通過總結一項大學生創新項目，即對不同形狀繞流物體受力進行風洞實驗研究，探索一條力學實驗實踐教學改革的創新之路。通過大學生創新項目的實施，使得傳統實驗教學模式得以提升，實驗教學內容得以充實，大大強化了學生的動手能力，鍛煉了學生的創新思維，將課堂真正遷移到了實驗室，知行合一，提高了學生的綜合素質。

關鍵詞 繞流物體 雷諾數 大學生創新 實驗教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Rely on Students' Innovative Projects and Explore

Mechanics Experiment Teaching Mode

LAN Yamei， XIAO Shigui， LI Ming， WANG Shiming， SONG Qiuhong， LIU Shuang

（Shanghai Ocean University， Shanghai 201306）

Abstract By summing up a college innovative project， namely the flow around objects of different shapes force wind tunnel experimental study to explore the road of innovation practice a mechanical experiment teaching reform. Students through the implementation of innovative projects， the traditional experimental teaching model can be improved， experimental teaching content can be enriched greatly enhanced the abilities of students， training the students' creative thinking， will truly move to the laboratory classroom， apply what they learn to improve overall quality of students.

Key words flow objects； Reynolds； college students' innovation； experimental teaching

本文對一項上海海洋大學市級大學生創新計劃進行總結，該項目主要針對不同形狀繞流物體受力進行風洞實驗研究，從模型的設計制作到實驗測試、實驗數據的整理與分析，每個環節都由學生親力親為，真正將課堂轉移到了實驗室，鍛煉了學生的創新思維和動手能力，充分利用了學校的實驗室資源，將生活中的現象以模型的方式抽象出來，用實驗的方法解釋說明，得出更深刻的科學證明，取得了較好的實驗結果，豐富了實驗教學內容。

1 大學生創新項目研究背景及內容

為什么打高爾夫球比光滑圓球打得更遠？為什么魚雷的頭部接近流線型？為什么場地自行車賽的運動員都要帶一頂具有尖尾巴的帽子？風對汽車的阻力主要來自于迎風面還是背風面？很多人對以上流體力學現象缺乏認識，這主要是因為流體變化難以用肉眼觀察、辨認，必須借助相應的流體測試儀器進行分析研究。這些繞流物體阻力問題同尾部漩渦流有關，用風洞結合現代流體力學測試技術可得到阻力變化規律。

在流體中運動的物體統稱為繞流物體。繞流的運動一般可分為兩類，一類是流體運動，物體靜止，流體繞過物體運動；另一類是物體運動，流體靜止，物體在流體中運動；當然也可以上述兩種運動都有。前者運動如河水繞過橋墩、風吹過建筑物；后者如船在水中運動、飛機在大氣中飛行、以及粉塵、泥沙在空氣和水中的沉降等。對于后一類運動，可以在運動的物體上建立動坐標系，而將運動轉換為流體相對于動坐標系的運動。就研究流體與物體之間相互作用力的問題而言，兩者是等價的。

粘性物體繞有曲率物體運動時，在物體后部緊貼壁面區域，將產生逆壓梯度。后部靠近壁面的流體在逆壓的作用下，將產生倒流現象，并發展成旋渦，這就是曲面邊界層的分離現象。一旦產生該現象，邊界層的厚度將明顯增加，物體后部將形成尾渦區，將外部勢流隔離于壁面之外，使得作用在物體上的壓強分布具有前后不對稱性，且后部的壓強小于前部，這種不對稱的壓強分布產生的合力與來流方向相同，定義為壓差阻力。由于物體后部的逆壓梯度大小與物面形狀緊密相關，因此壓差阻力又被稱為形狀阻力。

流體繞過物體，作用在物體上的力按其方向不同，可分為阻力和升力。前者包括摩擦阻力和壓差阻力兩部分。摩擦阻力是由于流體與物面摩擦而產生的應力，可用邊界層理論計算，而形狀阻力一般通過實驗測定。繞流阻力用無量綱的阻力系數來表示，計算公式為：

=

式中為繞流阻力；為流體的密度；為來流速度；為物體特征面積，即水平最大截面積。此外，研究發現，雷諾數的大小會影響阻力系數，計算公式為：

=

式中為特征長度；為流體的運動粘度；為來流速度。

本創新實驗在風洞中進行，實驗對象為直徑80mm的圓板、圓錐、半球，后部由細長支撐架固定。實驗中用到的設備主要有：直流式低速風洞，是實驗中風的來源，將圓盤置于風箱中，用來測定各個物理量，采用風速調頻儀調節頻率，進而調節風速；YD-28A型應變放大器，測量由于風吹動圓盤而引起的支架形變，從而得到阻力，畢托管測得實驗風速，進一步分析可以得到雷諾數與阻力系數的關系。

2 大學生創新項目與力學實驗教學相結合

將大學生創新實驗項目和力學實驗教學結合起來，一方面能將大學生創新實驗項目落到實處，有利于更進一步地激發大學生的創新性思維，另一方面可以提高實驗教學的質量，豐富實驗教學的內容。同時，在創新計劃中，改變了實驗教學的模式，由傳統的灌輸模式，發展為學生根據自己感興趣的課題或者方向，自主實驗，具體為學生自主設計實驗、完成實驗、管理實驗。項目實施的過程中，學生的自主性、創新性和團隊協作性，以及實驗教學質量都得到明顯提高。傳統的教學實驗項目實施，難以實現“以學生為主體，以教師為主導”的實驗教學理念，學生普遍都對教師有依賴思想，其次由于實驗指導書描述的步驟過于詳盡，實驗報告的格式較為固定死板，將學生的思維始終局限在設定的框架內，難以激起學生創新的興趣和熱情。endprint

風洞實驗使學生能夠對流體力學理論有更深層次的認識，同時為實驗教學提供了一個更好的平臺，能夠解決很多難以在傳統實驗教學中解決的問題，為力學實驗的實踐教學注入了新的活力。根據研究方案，選擇圓板、半球、圓錐三種模型，實驗研究雷諾數對阻力的影響。實驗過程中，完成了三分力天平的標定工作，得到力與電壓之間的關系；利用壓差計，得到來流風速與電機頻率之間的關系。通過多次實驗取平均值的方法，最終得到Re數與三種模型阻力系數Cd的關系。對實驗結果進一步分析可知，當風速比較小，Re<5000時，Cd隨著Re增大而減小，同一Re值下，平板的阻力系數最大，半球的最小，這是因為半球形狀相對圓滑，后部的邊界層分離點靠后，尾渦區域較小；而當風速增大，Re>5000時，Cd趨于定值，風速影響不大。實驗結論與理論相吻合，因為風速越大，粘性力的影響越小。

在整個創新計劃的執行過程中，學生自始至終積極參與前期調研、查閱相關文獻資料、進行材料的梳理整合。實驗中遇到問題，能夠及時和導師進行溝通，修訂實驗計劃和方案，認真規劃和管理創新項目的基金經費。通過大學生創新實驗項目的實施完成，初步了解科研項目的規范與步驟，大大提高了學生的整體素質，實驗中分析問題、解決問題，以及動手能力都得到了鍛煉，團隊的合作能力也進一步提高。

3 結束語

通過大學生創新計劃項目的實施完成，使得實驗教學的模式和內容更具多樣性和豐富性，調動了學生學習的積極性，使得學生的創新性得到提升。學生在導師的指導下，自主完成立項申報、設計方案、調試設備、準備材料、動手實驗、整理分析數據、撰寫結題報告等工作，學生的實驗動手能力以及綜合素質都有較大的提升。以大學生創新項目為載體，使實驗教學的模式和內容較之前均有一定的提升，這也正是力學實驗實踐教學改革的一條創新之路。

基金項目：本文受“2013年課程教學方法改革研究項目”（項目號：A-0201-13-0313017）和“2013年度校級大學生創新活動計劃項目（滬海洋教〔2013〕號）”資助

參考文獻

[1] 李學平.力學教學中的創新素質培養.長沙鐵道學院學報（社會科學版），2009.3：38-39.

[2] 田阿利.淺談力學教學中提升學生的創新能力與素質.科教文匯，2012.11：32-33.

[3] 杜新強，冶雪艷.從大學生創新實驗項目談學生創新能力的培養.黑龍江教育，2013.1：47-48.

[4] 劉百來，白淑紅.大學生創新能力的培養與工程力學教學.中國科教創新導刊，2010.13：17-18.endprint