新工科背景下流體動量方程實驗教學探索與建設

楊 嵩， 朱先勇， 于 萍， 王 輝， 王繼利

(吉林大學 機械與航空航天工程學院， 長春 130025)

0 引 言

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速進行，正催生并推動著新經(jīng)濟模式的蓬勃發(fā)展[1-2]。工程教育作為科技發(fā)展和應用的加速器與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系、相互支撐。新工科教育正是在此背景下應運而生的。新工科教育建設要堅持新工科專業(yè)孕育和現(xiàn)有工科專業(yè)改革創(chuàng)新并進的思路。交叉與融合成為工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的著力點和重大工程科技創(chuàng)新的突破點[3-8]。

基礎科學和基礎技術作為推動人類社會進步和發(fā)展的基本源泉，是人類智慧的結晶，是人類對生產(chǎn)生活過程中基本原理、方法的總結、精煉，是科學進步和技術發(fā)展的基石。流體力學作為研究流體(包含氣體、液體及等離子體)現(xiàn)象以及相關力學行為的基礎科學，其在推動科學發(fā)展和技術進步方面發(fā)揮了廣泛且巨大的作用。其應用范圍及交叉學科涵蓋物理學、化學、航空工程、機械工程、動力工程、礦業(yè)工程、醫(yī)學等諸多學科和領域[9-10]。流體力學教學內(nèi)容涵蓋基本概念、理論分析和科學實驗；教學體系包含理論教學和實驗教學兩部分[11]。實驗教學作為鞏固理論知識認知、關聯(lián)工程實踐的中間環(huán)節(jié)，是基本理論檢驗和發(fā)展的手段，是培養(yǎng)學生知識與能力轉化、理論與實踐結合、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)養(yǎng)成的重要環(huán)節(jié)，是養(yǎng)成嚴謹求實科學態(tài)度的重要手段[11-12]。新產(chǎn)業(yè)、新科技需求帶給流體力學實驗教學帶來新的機遇和新的挑戰(zhàn)。將信息技術、互聯(lián)網(wǎng)+技術與傳統(tǒng)的流體力學實驗相融合，建設具備交融性、創(chuàng)新性的人才培養(yǎng)實踐教學體系，不僅僅是適應高等教育的發(fā)展趨勢，更是新工科背景下提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑[13]。

動量定律是流體力學的三大基本定律之一。動量定律的本身雖不復雜，但是作為基礎理論對流體力學理論知識延伸和以其為基礎的工程實踐應用拓展有廣泛且深入的影響。水射流切削加工、渦輪機葉片高溫射流沖擊腐蝕、燃油噴射等高新技術均與流體動量理論相關聯(lián)[14-15]。選擇動量方程實驗作為研究對象，對探索新工科背景下流體力學實驗教學體系的改革方向和內(nèi)容建設有一定的參考和實際意義。

1 動量方程實驗

1.1 動量方程簡介

動量方程作為牛頓第二定律(動量定律)在流體力學中的一種表現(xiàn)形式，主要闡述流體動量變化與作用力之間的關系，表示作用于控制體內(nèi)流體的外力等于控制體在單位時間內(nèi)沿外力方向凈流出的動量(流出與流入的動量之差)，其歐拉表示法為：

?VρvdV+Aρv(vdA)

(1)

式(1)是動量定律的一般表現(xiàn)形式，針對教學、工程中的定常、不可壓縮、一元流動，其方程簡化為:

F=ρQ(β2v2-β1v1)

(2)

式中：F表示作用外力；ρ表示流體的密度；Q表示流體的流量；β1表示入流的動量修正系數(shù)；v1表示入流的流速；β2表示出流的動量修正系數(shù)；v2表示出流的流速。

1.2 動量方程實驗簡介

傳統(tǒng)的流體動量方程驗證實驗以動量定律實驗裝

置為工具，通過測量射流沖擊模型所受的沖擊反力、計算動量系數(shù)β，進而驗證不可壓縮流體恒定總流的動量定律[16]。學院實驗教學所使用的動量定律實驗裝置見圖1。

圖1 動量方程實驗裝置

1.3 傳統(tǒng)實驗存在的問題

實驗過程中考慮到實驗安全等因素，工作介質(zhì)多選擇水；通過改變?nèi)肓髁髁康姆绞綔y量不同流量條件下的射流沖擊力，驗證不同流量條件下的動量方程。對比式(2)可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實驗方法在實驗過程中只針對單一變量(流量Q)進行調(diào)整，通過實驗,學生只能分析獲得流量一個物理量對沖擊力的影響，無法真實感知其他物理變量(如流速u、工作介質(zhì)密度ρ)對射流沖擊力的影響，導致學生對動量方程理解的局限。工程實踐中，很多設備是基于動量方程中流速變化原理實現(xiàn)工作的，這種理解的局限部分限制了學生工程視野的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

依據(jù)筆者的實驗教學經(jīng)驗，現(xiàn)有動量方程實驗存在4點不足：① 方程中各物理量對沖擊力影響驗證不足；② 實驗設備及操作講解占用學時較長；③ 基于動量定律的工程應用等擴展類、創(chuàng)新類內(nèi)容較少；④ 實驗考核方式單一。

2 教學建設目標與方法

針對實驗存在的不足，探索將信息技術和互聯(lián)網(wǎng)技術引入動量方程實驗中，在傳統(tǒng)實驗教學環(huán)境基礎上搭建數(shù)字環(huán)境，建設數(shù)字資源[17-18]。通過設計、制作動量方程數(shù)字化實驗課程，結合新的教學方法，突破實驗條件、實驗設備等約束，拓展實驗教學的時間及空間維度，提高實驗教學效率，改善實驗教學效果，構建適合新工科需求的流體力學實驗教學方法[19]。

新的實驗教學采用數(shù)字實驗教學與真實物理實驗教學相結合的方式展開。通過虛實結合的方法，充分發(fā)揮兩種教學方法的優(yōu)勢，相互取長補短，保障并提高教學質(zhì)量，具體方法如圖2所示。

圖2 動量方程虛實結合實驗方案

3 教學資源建設

3.1 教學文件建設

教學文件是教學實施的指南與依據(jù)。其主要包含實驗教學大綱、實驗教案、實驗指導與報告幾部分。

(1) 實驗教學大綱。實驗教學大綱確定了實驗內(nèi)容、教學目標和學時分配，是實驗教學運行的“憲法”[20]。動量方程實驗為主要面向全校工學部3個學院4門課程(工程流體力學A、工程流體力學B、流體力學、水力學與橋涵水文)設置1～2個課內(nèi)教學學時的專業(yè)基礎實驗，采用2～4人/組使用1臺設備的形式開展實驗教學。實驗教學內(nèi)容增設虛擬實驗部分，虛擬實驗采用課外學時教學制，學生提交實驗申請后，根據(jù)各自情況自行登錄網(wǎng)站進行在線學習，學習時長無上限限制，學生可根據(jù)自己的興趣點和知識薄弱點進行重復學習，學生通過虛擬實驗考評后，方可進入課內(nèi)實驗的學習。以工程流體力學A為例，其教學內(nèi)容分配如表1所示。

表1 動量方程實驗教學內(nèi)容

(2) 實驗教案。實驗教案是包含具體教學設計及安排的教學文書。動量方程實驗教案依據(jù)實驗教學大綱編寫，其中增加數(shù)字化實驗教學內(nèi)容。教案豐富了教學授課內(nèi)容，在保證基本授課內(nèi)容的基礎上，教師可以根據(jù)自己的教學經(jīng)驗進行擴展講解，這樣做既有效的避免了教師隨意授課導致的必要知識點漏講又保障了授課內(nèi)容的豐富性。

(3) 實驗指導與報告。實驗指導與報告是學生了解實驗，記錄、匯報實驗，教師了解學生實驗效果的文字材料。動量方程實驗指導與報告依據(jù)實驗大綱和實驗教學經(jīng)驗進行修訂；其中指導部分增設了安全操作規(guī)程和具體的操作步驟，保障實驗教學安全、順利地開展；報告部分增設思考題和工程拓展題，內(nèi)容緊扣虛擬實驗教學、物理實驗操作和各自專業(yè)方向的工程實踐拓展，在檢驗學生對基本知識、操作技能掌握程度的基礎上，注重激發(fā)學生在專業(yè)方向上的創(chuàng)新思維，讓基礎理論的“根”越扎越深，工程拓展的“花”越開越艷。

3.2 數(shù)字資源建設

數(shù)字教學資源是虛擬實驗順利開展的基礎。數(shù)字化實驗主要包含如下幾個方面的內(nèi)容：

(1) 運用多媒體技術對實驗的基本信息(目的、原理、儀器設備等)、實驗理論的工程拓展應用，儀器設備的原理、操作流程、安全注意事項等進行講解[21]。為了簡單、充分、完整的表達相關信息，根據(jù)需要采用文字、圖片、視頻、動畫等方法，如圖2、3所示。

(a) 實驗原理界面圖(b) 實驗儀器介紹圖

圖2 實驗基本信息

圖3 實驗操作信息

(2) 運用人機交互功能實現(xiàn)實驗設備的真實物理實驗虛擬操作、工程拓展虛擬操作和虛擬實驗的考評工作。虛擬實驗全面數(shù)字化真實物理實驗的相關操作，學生通過虛擬操作，可以全面掌握實驗的操作流程及注意事項；以大量真實實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)構建了誤差函數(shù)，誤差函數(shù)的引入，讓虛擬實驗與物理實驗的貼合度更強，如圖4所示。工程拓展虛擬實驗的引入目的在于讓學生了解動量方程的工程應用，拓展學生的工程視野，此類工程應用因安全等因素不宜在實驗教學中引入；動量方程的工程拓展虛擬實驗以動力設備中常見的燃油噴射裝置為范例，設置了不同工作介質(zhì)(汽油和柴油)和不同尺寸的噴嘴直徑選項，學生可選擇不同工作介質(zhì)、不同尺寸的噴嘴組成差異化的實驗組，通過實驗結果對比，感知不同實驗參數(shù)對沖擊力的影響，強化學生對基本理論在工程專業(yè)實踐中的應用，如圖5所示。

圖4 真實物理實驗虛擬操作

圖5 工程拓展實驗虛擬操作

虛擬實驗考評和數(shù)字教學運行依托校虛擬仿真實驗教學中心的網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)選-學-做-評的一站式教學。

3.3 師資隊伍建設

師資隊伍是實驗教學實施的人員保障。為保證實驗教學工作的順利開展，建立了實驗教學團隊，采用課程負責人中心責任制。實驗教學團隊由不同層次的理論課教師、實驗課教師、信息化經(jīng)驗豐富的教師及助教共同組成，以高級職稱的教師組成指導委員會，對實驗指導、人員安排、效果評估進行實時跟蹤和指導。實驗教學團隊定期進行教學總結、培訓和考核，確保實驗教學水平穩(wěn)步提高。

3.4 考核評價方法建設

動量方程的實驗考核評價方法由傳統(tǒng)的過分重視實驗操作和實驗報告的考評方法轉化為注重實驗教學全過程及工程能力拓展的綜合考評方法。綜合考評法的實驗成績由虛擬實驗考核成績、實驗操作、實驗報告提交成績、實驗態(tài)度及工程拓展成績5部分組成。其中數(shù)字虛擬實驗考核成績占25%，實驗操作占35%，實驗報告占15%，實驗態(tài)度占5%，工程拓展成績占20%，所有成績經(jīng)加權最終匯入流體力學課程的總成績。

4 教學應用

動量方程數(shù)字化虛擬仿真實驗于2016年建成，并于2017年在校虛擬仿真實驗教學平臺上線進行試運行。與傳統(tǒng)的物理實驗相協(xié)作，共同助力流體力學實驗教學?？紤]到現(xiàn)行本科培養(yǎng)方案和實驗教學大綱的執(zhí)行周期，新的實驗教學方法選擇部分課程、部分學生進行試驗性運行，教學反饋效果良好。

(1) 新教學模式的應用，豐富了實驗教學內(nèi)容，充實了實驗教學環(huán)節(jié)，教學方法的多樣化和考評體系的完善有益于激發(fā)學習興趣、端正學習態(tài)度。

(2) 新教學方法的應用有效解決了傳統(tǒng)實驗教學中學生對理論方程、物理變量影響程度認識不充分、工程拓展方向模糊的不足。

(3) 虛擬實驗在幫助學生熟悉實驗設備、操作流程，減少盲目操作造成實驗設備損耗，降低教學運行成本方面發(fā)揮了積極的作用。

5 結 語

本文對新工科建設背景下流體動量方程實驗的改革和建設進行了探討。信息技術、互聯(lián)網(wǎng)技術與傳統(tǒng)實驗相融合教學方法更適合高校新工科建設的培養(yǎng)目標。新的教學方法中的“融合”不是簡單、機械地將虛擬實驗與傳統(tǒng)物理實驗相疊加，與之相對應的是包含教學文件、師資隊伍、考評方法等一系列教學內(nèi)容、方式的改革和建設。虛擬實驗不僅僅是傳統(tǒng)物理實驗的數(shù)字化，其中更包含了工程拓展和工程創(chuàng)新的內(nèi)容和啟發(fā)。新的實驗教學模式有效地提高了實驗教學的效率和質(zhì)量。在新技術的助力下，學生可以結合自己的知識薄弱點和興趣點進行任意時間、任意地點的自主學習和創(chuàng)新思考；教師從傳統(tǒng)的繁復的灌輸式教學中解放出來，可以將更多的時間和精力用于啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，解決學生在實驗過程及創(chuàng)新過程中所遇到的問題；學與教的變革和重組，將改變傳統(tǒng)流體力學實驗教學體系，讓學生在掌握理論知識的基礎上，搭建更高、更美的工程創(chuàng)新應用大廈。