流體力學實驗課程教學探索與啟示

李正一 宋洪慶

[摘 要] 針對北京科技大學流體力學實驗教學現狀及存在的問題，結合實際教學需要和課程體系教學改革的實踐經驗，提出了流體力學實驗教學改革的辦法，優化了實驗教學改革內容，對實驗課程進行了教學探索，指明了流體力學實驗課程教學講授和改革的正確方向。

[關鍵詞] 流體力學;實驗教學;線上線下;教學探索

[基金項目] 北京科技大學本科教育教學改革項目（JG2019M03）;北京科技大學“十三五”規劃教材建設項目（JC2018YB008）

[作者簡介] 李正一（通信作者）（1982—），男，河北唐山人，碩士研究生，工程師，主要從事流體力學實驗研究;宋洪慶（1982—），男，遼寧大連人，博士研究生，教授/博士生導師，主要從事流體力學研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0251-02? ? [收稿日期] 2020-01-03

一、前言

流體力學是力學的一個重要分支，具有廣泛的工程應用背景，在建筑環境工程、能源工程、環境工程、材料科學、生命科學、機械工程、土木工程等多個工業門類中具有廣泛應用。北京科技大學土木與資源工程學院流體力學專業研究方向以流體力學理論與滲流科學研究為基礎，并與工程實際緊密結合，主要進行計算流體力學、流體力學實驗方法與實驗技術、滲流、環境流體力學、物理-化學流體力學、工業流體力學等方面的研究。該專業的培養目標是“擁有扎實的基礎理論、寬廣的專業知識，掌握力學計算分析方法和軟件、力學相關測試方法與技能，具備創新能力、實踐能力和國際競爭力的復合型人才”。

流體力學實驗課程是學院各個專業的基礎課，是很多應用科學和工程技術領域的基礎。通過流體力學實驗課程專業知識學習，針對交叉學科實際問題，利用流體力學理論知識進行建模研究，與工程實際進行對比分析，培養流體力學實驗專業知識學習應用能力、探究性學習能力，對擴展學生的創新性思維具有重要的意義。在流體力學的教學過程中，實驗環節對于教學質量的影響具有十分重要的影響，對流體力學理論知識的進一步理解和掌握起到了無法替換的作用，因此實驗教學環節引起到高校教師的足夠重視[1]。因為學生對專業知識的熟練程度，以及動手實踐能力的培養，都與實驗教學有著千絲萬縷的聯系，甚至也會影響到學生就業后對專業知識的靈活運用[2]。本文就流體力學實驗課程中存在的問題，提出解決方案，并對流體力學實驗課程進行相應探索，進而確定流體力學實驗課程講授的正確方向。

二、流體力學實驗教學現狀及存在的問題

1.實驗教學內容單一。我校流體力學實驗課程教學項目主要包括水靜壓強實驗和油密度測定、雷諾實驗、伯努利實驗。開設流體力學實驗課程的目的是要求學生掌握用測壓管測量流體靜壓強的技能，會驗證不可壓縮流體靜力學基本方程;熟悉并掌握層流、紊流兩種流態的運動學特性與動力學特性;釋“體積法”測流量的方法，能夠刻畫彎道水流壓強分布規律等。這些實驗均為傳統的流體力學教學實驗，且教學內容過于單一。由于實驗空間、硬件設施、實驗教師人員等方面的限制，導致一些綜合型、設計型的流體力學經典實驗無法開設。現有流體力學實驗指導老師會根據實驗目的、實驗原理、實驗設備、實驗步驟、數據記錄與處理、注意事項、思考題等方面對實驗課程教學內容進行細致講解，之后將授課學生進行分組實驗，要求每位學生主動參與教學實驗，出現問題及時與小組組員或者指導老師進行溝通解決，按時記錄并分析實驗數據，得出實驗結論，撰寫實驗報告。實驗指導教師根據每位學生的課堂表現以及實驗報告，對學生的綜合成績進行評判。雖然每位學生都能從實驗中學到很多技能和知識，但是由于開設實驗項目少，不能在最大程度上發揮學生學習的主觀能動性[3，4]，而且學生自主設計實驗的能力無法展現。

2.學校教學設備笨重。我校作為引領國家鋼鐵行業發展，支撐國家工業化建設的典型高校，現擁有1個國家科學中心，1個“2011計劃”協同創新中心，2個國家重點實驗室，2個國家工程（技術）研究中心，2個國家科技基礎條件平臺，2個國家級國際科技合作基地，50個省部級重點實驗室、工程研究中心、國際合作基地、創新引智基地等。但是學校場地技術條件有限，眾多實驗室和基地的教學設備過于笨重，教學實驗設計內容老舊。一方面給學校教師授課帶來了困擾，教師在操作這些笨重的設備時，時常遇到難以掌控機器、設備不夠靈敏等問題，也在一定程度上影響教學質量;另一方面妨礙學生聽課情緒，降低了學生探索實驗設備的好奇心。所以應考慮引進一些小型化、智能化的教學設備，實現場地的高效利用。

3.線上線下實驗教學資源過少。當今時代學生可以利用慕課等網絡資源自行安排時間自主學習，突破了課堂實驗學習受限的弊端，科學設置時間，大大提高學習效果。實驗課程研究型教學，也稱研討式教學，是指實驗指導教師以課程內容和學生的學識積累為基礎，引導學生創造性地運用知識和能力，發現問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識、培養能力和鍛煉思維的新型教學模式。無論慕課等線上“金課”，還是研究型教學等線下“金課”，目前只是針對本科教育教學方法提出的線上或線下的創新型教育教學方法，學生依舊會出現學完慕課后就忘記實驗課程內容，或者完成實驗教學內容中的研究內容后，仍無法真正掌握實驗課程內容，達不到“吃透會用”的效果。

三、流體力學實驗教學改革與探索

1.增加實驗教學設備。我校流體力學實驗室針對教學現狀及存在的問題，從源頭入手，著力解決實驗教學內容單一的問題。首先，購置擁有性能先進的MTS巖石力學實驗機、電液伺服巖石三軸試驗機、EH-4大地連續電導率成像系統、多尺度多相流動力學實驗系統、復雜介質微細觀動力學實驗系統、多場耦合測試與仿真模擬系統、高溫高壓多介質流動系統等，實現研究型流體力學實驗課程內容。其次，采取增加實踐性流體力學實驗的辦法，進而解決實驗教學項目過少的問題。

2.加大對線上線下實驗教學資源的投入。通過慕課、微信群、在線問卷調查等線上線下方法，對流體力學實驗課程內容、課程評價實時反饋，不斷優化完善。學生可以利用網絡資源自行安排時間自主學習，避免了課堂學習受限的弊端，有效降低投入成本。

3.開展廣泛的學術交流活動。我校流體力學實驗室與國內外同行開展了眾多的學術交流活動，提高了實驗室在國內外的影響力。2019年，實驗室先后接待前來參觀和進行技術交流的學術團體30余次;組織國內外學術會議15次，參加國際學術會議40余人次。不僅如此，實驗室所在團隊還與美國斯坦福大學、美國德克薩斯A&M大學、沙特阿卜杜拉國王科技大學、美國北達科他大學、中國科學院、清華大學等國內外知名機構長期開展學術合作、交流及人才聯合培養計劃。

四、結語

百年大計，教育為本;高教大計，本科為本。增強本科教育是提高國民素質，促進社會發展，增強中華民族創新創造力的重要基石，對實現中華民族偉大復興具有決定性意義。流體力學實驗課程是我校建筑環境、土木、礦業、能源應用學科的基礎，在國家重點實驗室基礎研究中起到了重要的支撐作用。通過流體力學實驗課程的系統學習，培養了學生高尚情操，鍛煉了他們獨立解決問題的創新能力，使學生及時接觸到最新的技術和理論，提高了學生對流體力學實驗課程專業知識的認知層次，將有助于學生成為德才兼備、視野廣闊的德智體美勞全面發展的社會主義合格建設者和可靠接班人。

參考文獻

[1]吳瓊，王文歡，劉海龍，任洪波.流體力學實驗教學改革與探索[J].教育教學論壇，2016（42）：124-125.

[2]陳俊俊，龐赟佶，王曉彤，劉素霞.建筑環境與能源應用工程專業流體力學課程實驗改革研究[J].教育教學論壇，2016（16）：225-226.

[3]朱暉，張智明，王毅剛.實驗引導法在流體力學課程中的創新與實踐[J].教育教學論壇，2019（40）：3-4.

[4]祝會兵，戴文琰，李建.工程流體力學實驗教學的改革與創新[J].寧波大學學報（教育科學版），2008（02）：107-109.