CAI在雷諾實驗教學中的應用與探討

張若玫　蘭雅梅　李慶軍

摘要：文章探討基于CAI進行學生雷諾實驗的教學改革，在分析雷諾實驗的基本原理和教學要求的基礎上，對教學方法、教學工具等方面進行了一系列改進措施。改進后的雷諾實驗教學有助于學生對原理的理解，提高了實驗效率和計算準確度，優化了實驗教學效果，提升了學生滿意度。

關鍵詞：CAI；流體力學；雷諾實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0265-02

一、引言

實驗是理論聯系實際的重要環節。它不僅是為了傳授學科知識、驗證學科理論、掌握實驗操作的基本技能，更著意于培養學生的設計思維、開拓意識、創新和動手能力。為適應創新型人才培養的需求，如何在現有基礎上，擺脫煩瑣的實驗數據計算，提高學生的學習興趣，加深學生對理論的理解，深度挖掘學生運用理論解決實際問題的潛在能力，努力探索創新型的教學方法成為大學實驗改革的重點[1]。流體力學是一門專業基礎課，該課程覆蓋了海洋漁業科學與技術、海洋環境、海洋技術、熱能動力工程、環境工程等專業。為了配合相關實驗課程的順利開展（包括針對部分專業的獨立實驗課程），各高校添置了多種類、多套數的多功能流體力學實驗裝置，確保完成流體力學的本科實驗教學任務[2]。與此同時，傳統的實驗教學方法存在許多不足之處，有待改進創新。例如，實驗效率低下、數據處理煩瑣且易出錯、學生掌握情況無法及時反饋、教師工作量大且重復性高等。這些都使得實驗教學效果大打折扣，不僅學生滿意度降低，而且教師的付出并未得到有效的產出回報。盡管設備的“硬件”實力已經加強，但落后的“軟件”卻制約著實驗教學效果的有效提升，無法達到事半功倍的理想效果。基于此種情形，本文在2015—2016學年第二學期的實驗教學中，以“雷諾實驗”為例，采用計算機軟件輔助計算與分析。通過對2個專業3個班級共125名學生的調查問卷與數據統計，新型方法的應用，可以提高課堂效率40%以上，學生綜合滿意度達到95%。

二、雷諾實驗

英國科學家雷諾（O.Reynolds）在1883年經過實驗研究發現，在黏性流體中存在層流和湍流這兩種截然不同的流態。實驗發現，流動由層流至湍流的轉捩不僅僅取決于管內的流速，而且與以下四個物理量：管內的平均流速V、圓管直徑d、流體密度ρ及流體的動力黏度μ（或者運動粘度ν）組成的無量綱數有關，即雷諾系數Re。

由層流轉變為湍流時的雷諾數稱為臨界雷諾數，小于臨界值流動為層流，大于臨界值流動為湍流。實驗得出，臨界雷諾數為2300，用它來判斷流態是十分簡便的，只要計算出圓管中流動的雷諾數，便可確定流態。雷諾實驗的裝置如圖1所示[3]。

雷諾實驗的教學目的是通過改變水在管內的速度，觀察流體流動過程的不同流態及其轉變過程，建立“層流和湍流”兩種流態的感性認識，測定流態轉變時的臨界雷諾數。雷諾實驗的特點是數據量大，計算煩瑣。在傳統的實驗教學方式下，學生把主要時間都花在了數據處理方面，讓很多學生失去了學習流體力學的興趣。

三、雷諾實驗課程的CAI教改方案

CAI，被廣泛譯為“計算機輔助教學”，已基本得到教育界的認可。CAI為學生提供一個良好的個人化學習環境。綜合應用多媒體、超文本、人工智能和知識庫等計算機技術，克服了傳統教學方式上單一、片面的缺點。它的使用能有效地縮短學習時間、提高教學質量和教學效率，實現最優化的教學目標。

在傳統的雷諾實驗過程中，學生只是被動地觀察流動形態，簡單地記錄數據，然后花費大量課堂時間進行計算以驗證雷諾數，沒有時間和老師主動探討實驗原理，積極分析問題和解決問題，容易挫傷學生的學習積極性。本文從兩個方面對雷諾實驗教學進行改進和創新。

1.教學模式改革。教學模式的改革服務于課程核心目標從“使學生了解并掌握雷諾實驗基本概念”轉變為“使學生能夠觀察實驗、理解實驗和研究實驗”的根本目標，為實現這個目標將實驗內容的結構調整為雷諾實驗基本概念、雷諾實驗搭建和雷諾實驗測試三部分，每部分提出若干問題，編制《雷諾實驗指導書》，以指導手冊為基礎指導學生進行“基于問題的學習”。課程教學時間分為視頻教學和實踐教學并行的兩部分，視頻教學時間以教師講授與小組討論的方式梳理學習內容的結構；實踐教學時間學生帶著問題進入，搭建實驗和測試雷諾數，驗證理論、提煉理論。

2.教學工具改革。在傳統的實驗教學方式下，按照實驗報告冊上的既定步驟，學生可以在無須對理論知識了解很多的情況下就完成實驗和利用既定公式計算整理出實驗報告；其次，傳統實驗讓學生把主要時間花在煩瑣的數據計算方面，而不是放在加深對理論的理解和運用理論解決實際問題方面；再次，實驗作為對理論知識掌握程度的一種量度，在傳統的實驗教學形式下其反饋周期過長，不利于教師及時把握教學效果和教學進程。因此，本文充分利用現代計算機技術，以上問題可以得到有效的解決：在硬件建設方面，所需要做的只是為實驗室添置一臺微機和多臺計算機終端，在軟件方面，利用計算工具創建雷諾實驗的數據庫管理系統。編制該CAI時，本著形象、直觀、易操作的原則，只要輸入有關的測量數據，屏幕上便顯示出雷諾數的大小和管道中流體的流態。圖2和圖3分別是測量數據的輸入窗口和雷諾數的校準圖。

四、CAI在雷諾實驗課程中的教學效果

1.鼓勵和指導對實驗感興趣又學有余力的學生進入更深層次的實驗，實現理論與實驗課程的電腦化教學，可通過電腦觀看預習教學錄像，實驗課程講義，給學生提高動手能力和創新能力創造了條件。

2.運用先進的實驗設計手段，通過CAI對雷諾實驗進行模擬仿真，再進行實驗的搭建和調試，讓學生更好掌握軟硬件結合設計實驗的流程和方法，提高了學生的學習興趣和熱情。

3.計算工具的改進。通過CAI將學生從煩瑣的數據計算中解脫出來，可以快速理解實驗原理，準確校準實驗數據，便于教師快速掌握學生實驗測量和計算情況。

參考文獻：

[1]曹桂萍，孫杰，潘亮，閆亭亭.雷諾實驗的創新性教學[J].高師理科學刊，2011，（3）：110-112.

[2]蘭雅梅，王世明，宋秋紅，劉爽.工程流體力學課程體系的建設與完善[J].中國現代教育裝備，2014，（15）：42-44.

[3]宋秋紅，夏泰淳，王世明，蘭雅梅.工程流體力學[M].第2版.上海交通大學出版社，2012：191-193.