工科院校流體力學實驗教學內容和方法的實踐探索

隋秀香

[摘 要]流體力學是工科院校重要的專業基礎課，其中的實驗教學在鞏固理論知識、培養實踐能力和增強研究創新等方面發揮著重要作用。本文從合格人才培養出發，分析工科院校流體力學實驗教學內容與方法上存在的問題。介紹了中國石油大學（北京）流體力學實驗室在實驗內容設計、學科交叉關聯、實踐應用轉化、前沿技術滲透等方面進行的實驗教學探索，為培養新時代的科技創新人才提供參考。

[關鍵詞] 工科院校;流體力學;實驗教學

中國高等教育質量報告指出，社會對高校畢業生的實踐能力、動手能力等相關評價較低，高等教育在創新能力、實踐能力培養等方面存在短板[1]。具體表現是：工程性缺失和實踐教學薄弱問題長期未得到解決;人才培養模式單一，多樣性和適用性欠缺;評價體系導向重論文、輕設計、缺實踐[2]。這些都與當前合格人才培養、社會對人才的要求不相適應。

流體力學是建立在理論、實驗和計算三大支柱上的一門課程，在我國工科類高校已形成相對穩定的課程體系[3]，是很多專業，如石油工程、油氣儲運工程、熱能與動力工程等重要專業的基礎課。流體力學的基礎理論和物理概論比較抽象，而實驗教學借助于看得見、摸得著的儀器設備，以及生動靈活的學習方式在理論知識學習、增強感性認識和激活理論等方面無法替代[4]，因此，重視實驗教學、深化實驗教學才能使課堂教學跨上更高臺階。

傳統的流體實驗教學也存在如下問題：注重實驗項目的理論驗證，忽視實驗項目之間的關聯銜接，忽視理論知識向工程應用的自然過渡;倡導實踐動手能力培養，忽視實踐中對學生創新思維的開發，忽視對學生科學視野的提升和拓寬。

流體力學實驗作為石油高校必修的專業基礎實驗，其理論和實踐與石油工業的上下游聯系緊密，是一門理論性、技術性、實踐性很強的課程。中國石油大學（北京）流體力學實驗室借助于國家級實驗教學示范中心和北京市級實驗示范中心的支持，在多年的工作中，在教學內容方面積累了一些行之有效的方法，并取得了很好的效果。

一、合理布局實驗，促進理論知識的關聯和提升

課堂教學永遠是高等教育最重要的環節，但實驗教學作為課堂教學的一部分，具有實驗種類多樣，方式靈活生動的特點，其學習模式深受學生喜歡。實驗教學的目標之一是充分利用自身優勢，在實驗過程中鞏固強化課堂知識，并將流體力學的各部分知識點有機地聯系起來，使之形成完整的知識鏈[5]，為課堂教學注入新的活力。因此，合理設計實驗，鞏固強化課堂知識，實現知識的關聯和認知的漸進提升，為課堂理論提供實踐支撐，是實驗教學不懈的追求，也是決定教學質量、教學效果的關鍵環節。

流體力學知識點之間的聯系非常廣泛，在實驗設計時要充分考慮實驗內容的安排，提高學生對知識的融會貫通能力。為此，按照理論內容、關聯時序、層層遞進等規律進行實驗編排，將實驗項目歸成五個板塊，如圖1實驗項目時序框圖所示。

圖1中，實驗項目基本遵循了理論驗證、逐步提高的思路來安排的。但光有內容安排顯然不夠，教師還要在實驗過程中加強對學生的引導啟發，鼓勵學生認真思考，主動關聯。比如，恒定總流基本方程實驗板塊中，文丘里測流量和伯努利方程的聯系;流動阻力及能量損失板塊和恒定總流基本方程的關系等。通過啟發引導，同學對板塊內知識、板塊之間知識的密切聯系有了深刻理解，不僅促進了學生對課堂理論的理解鞏固，也實現了知識的銜接和認知的提升。

好的實驗設計不僅能幫助學生順利完成實驗項目，鞏固課堂理論知識，還能提高其實踐動手能力，促進知識之間的融合銜接，對于學生掌握知識，應用知識，促進知識的活學活用具有重要的作用。

二、強化理論向實踐應用轉化

工程實踐是工科類學生培養體系的重要環節，現有的教育模式傾向于理論知識的灌輸傳授，不注重理論與實踐的相互關聯，導致理論與實踐存在脫節現象[6]。為了彌補這一缺憾，流體力學實驗就要在設計上力爭最大程度地體現理論與工程實踐的統一，逐步解決中國高等教育質量報告指出的大學生實踐能力欠缺這一問題。

流體力學知識在工程中的應用極其廣泛，如果在實驗教學中將流體知識與工程實踐緊密聯系起來，不僅能鞏固所學流體知識，也能樹立理論知識和實踐應用相統一的思維，使流體力學實驗更好發揮其紐帶和傳承作用。

在工程實踐中，流量測量手段多種多樣，其中，文丘里傳感器測流量被廣泛使用。雷諾實驗是流體力學具有代表性的實驗，流量測量是其中的重要參數。因此，在雷諾實驗中，將流量測量設計成用文丘里計進行測量，由前面可知，文丘里測流量既是必做的驗證型實驗，在理論上也是伯努利方程的具體應用。通過這樣的設計，將課堂理論、實驗項目、工程應用關聯起來，達到了“穿針引線”的效果，使理論、實驗和工程之間產生良性互動，實現了1+1>2的效果，對學生的啟發影響意義深遠。其實驗關聯如圖2所示。

實驗項目之間不僅有理論銜接還有具體的實踐應用，在實驗過程中，要充分引導學生主動實現理論向實踐應用的過渡，避免了理論知識被“石化”，對于拓展學生的學習思維具有積極的意義。

三、借助科技創新，促進理論向工程研究轉化

每個行業都有其自身的特點，石油工業從上游到下游都與流體流動息息相關。石油高校面向石油行業培養人才，而石油行業具有系統龐大、學科交叉、技術更新快等特點[2]。借助于大學生科技創新平臺，充分利用實驗設備，能幫助學生充分利用所學知識解決工程實踐中遇到的問題，培養學生的科技創新能力，提高學生的工程素養。逐步解決高等教育在創新能力、實踐能力培養等方面存在的問題。

大學生的科技創新要堅持學生為主體，教師承擔指導作用，但不替代學生思考。要引導學生以所學書本知識為出發點，結合實際，解決工程問題，同時讓學生了解學科專業領域最新的研究成果，增強學生對科技創新的正確認識。

中國石油大學（北京）流體力學實驗室為鼓勵大學生的科技創新，緊緊結合石油工程的工程問題和實踐應用，建立自循環流動與控制實驗裝置，學生可以觀察研究氣液兩相流動，研究流動特性，研究早期氣體侵入的檢測等，以便充分認識鉆井過程中的流動問題，為安全鉆井和井控實施提供實驗數據和理論支持。

大學生的科技創新不僅幫助學生將課堂理論向工程研究滲透，也提高了他們對探索油氣流動奧秘的決心和信心。通過具體的科技創新項目，能挖掘學生的創新意識和創新欲望[ ]，激勵他們活學活用所學知識和技能，主動學習，努力思考，培養學習和研究的成就感、自豪感。

四、透過現象看本質，擴大知識的交叉聯系

隨著科學技術的高速發展，學科之間的聯系愈加緊密。大學階段是思想最活躍，創新思維最容易建立的時期，必須引導學生重視和加強學科之間的交叉聯系，主動建立知識之間的網格化關聯和發散性思維，避免禁錮了學生的創新思維。

為使學生加深對抽象概念的感性認識和擴大知識面，流體力學實驗建有多種演示型實驗，包括流動現象演示、水擊綜合演示等，這些演示型實驗生動直觀，深受學生喜愛。

在流動演示實驗中，學生通過近距離觀察突然擴大段、突然收縮段的平面流動圖像，觀察突擴段出現的較大漩渦區，和突縮段出現的較小漩渦區，借此理解突擴段和突縮段的水頭損失差異以及在工程中的影響。借此，學生能很好地認識在局部水頭損失的實驗中，水頭損失產生的原因和實驗結果的由來。將理論以一種更為生動的方式展示出來，對促進學生理解消化課堂理論有積極作用。

測量技術課程是很多工科院校不可或缺的重要課程，測量技術已經滲透到石油工業的每一個角落，而且影響愈來愈大。在流動演示實驗中，學生可以觀察到單圓柱繞流出現的卡門渦街現象，借此可以了解卡門渦街傳感器的測量原理，并推斷工程中使用該種測量方法的優勢和局限性。通過流動演示，真正實現透過現象看本質的效果，不僅向學生揭示了流動的奧秘，還激發他們利用所學知識向其他領域積極拓展的作用。

五、跟蹤行業的前沿技術動態

大學生思維活躍，接受新生事物能力強，大學期間是培養一個人思維特點的關鍵時期。大學教育除了傳授知識，更要下大力氣培養學生對新事物、新技術的興趣，使掌握新技術、研究新內容成為他們終生的學習習慣和追求目標。

目前的石油工業在技術方面達到了前所未有的水平，一些前沿的科技進展叫人刮目相看，讓學生了解前沿的科技動態，能開闊他們的眼界和視野，提高認識和拓寬思維，在以后的工作和學習中向著更高的目標努力。

流體力學實驗室動畫演示分兩種，一是根據科研成果編制的動畫，二是聯合科研院所針對前沿技術編制的動畫。例如，根據羅家寨16號惡性井噴事故的研究結果制作的動畫和科研院所編制的定向井鉆井測量技術的動畫。前者模擬了鉆井過程中流體流動的復雜情況，再現從井下氣體侵入到井噴發生的全過程，分析了井下流體流動異常發生的根本原因。后者生動展示了在定向井鉆井過程中，信號通訊、軌跡調整直至按照預期順利完成的全過程，其間也重點介紹了利用流動的泥漿對鉆井液的壓力波信號進行編碼和傳輸，這是目前隨鉆測量的重要信號傳輸方式，展示了流動流體作為壓力信號的載體功能，其作用非同尋常。

多角度認識和體會流體和流動，對于啟發和激勵學生的學習積極性和研究創造性具有極大的示范作用，對流體力學和專業知識的學習也提到了一個前所未有的高度。

六、結語

隨著社會對科技創新型人才需求的增多，培養高素質科技創新人才日益成為工科類高校的發展目標。只有全方位、多角度深化人才培養方案，強化基礎理論，促進向實踐應用轉化，提高科技創新思維與能力培養，才能為國家、為企業輸送一大批綜合素質過硬、創新能力強的高水平科技人才。

參考文獻

[1]寧旭，徐林，許佳，等.以設計為中心改革實踐教學，培養合格生物醫學工程人才[J].醫療衛生裝備，2018（12）：90-94.

[2]郭廣生，李慶豐.培養創新人才呼喚教學方法大變革[J].中國高等教育，2011（18）：7-10.

[3]聞建龍.流體力學實驗課程教學改革[J].江蘇大學學報（高教研究版），2002（4）：84-86.

[4]雷標.工程流體力學實驗課程教學改革理論與實踐[J].科技信息，2012（21）：5.

[5]劉建龍，譚超毅，曾美玲.流體力學實驗課程教學改革[J].中國電力教育，2009（129）：123-124.

[6]李志勇，周勁輝.工科類高校科技創新人才培養與理論教學實踐研究[J].教育教學論壇，2018（20）：195-197.