新工科下“流體力學與液壓傳動”的實驗教學探索

陳羽 王毅剛 張智明

［摘 要］ 高校新工科建設是應對新一輪科技革命和產業變革的戰略行動。面對我國雙碳目標和智能電動汽車續駛里程等關鍵技術指標，產業快速發展與人才匱乏之間的矛盾日益突出，兼顧理論與實踐的新工科人才培養實踐教學體系亟須建立。以同濟大學車輛工程專業本科生“流體力學與液壓傳動”課程為載體，結合課程大綱重點和難點，探索了研討式、虛擬式、案例式實驗教學、實物式等多種形式結合的課程實驗教學方式，實現學生專業素質和創新思維的培養。

［關鍵詞］新工科；車輛工程；流體力學與液壓傳動；實驗教學

［基金項目］ 2021年度同濟大學第十六期實驗教學改革專項基金項目“流體力學中壁面剪切應力及車輛流動分離虛擬教學系統”（1700104200）

［作者簡介］ 陳 羽（1986—），男，山西太原人，工學博士，碩士生導師，主要從事車輛空氣動力學與氣動聲學研究；王毅剛（1964—），男，陜西西安人，博士生導師，工學博士，主要從事風洞試驗技術與氣動聲學研究；張智明（1979—），男，遼寧遼陽人，博士，同濟大學汽車學院講師，主要從事新能源汽車燃料電池發動機研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-07-02

引言

高校新工科建設是主動應對新一輪科技革命與產業變革的戰略行動。為貫徹落實國家“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設［1］。為此，世界各國的高等教育機構均大力進行智能汽車新工科專業人才培養［2］。在車輛工程領域，已建立了一些車輛動力學、智能交通、自動駕駛等領域的專業人才培養課程和教學實踐平臺［3］。

面對我國“雙碳”目標和產業變革，我國智能電動汽車發展近年來進入快車道，出現了新的技術特點。首先，純電動汽車的續駛里程焦慮是業界的難點和痛點，氣動阻力消耗的能量在電動汽車總能耗占據的比重更高；其次，電動汽車取消了發動機和變速箱等動力裝置，動力系統噪聲掩蔽效應顯著下降，氣動噪聲凸顯；再次，電動汽車車載電源和電驅動系統的工作溫度相比內燃機低一個數量級，且熱源更加分散，對環境溫度的變化更加敏感，動力系統的流體熱管理要求更高。解決上述問題，需要具備扎實的流體力學專業知識和實踐能力。因此，培養主動應對產業變革的科學技術人才和工程師隊伍，對“流體力學與液壓傳動”課程教學提出了更高的要求。

本文充分利用同濟大學汽車學院、上海市地面交通工具空氣動力學與熱環境重點實驗室已有的教學、科研成果，在“流體力學與液壓傳動”課程中進行實驗教學的改革與探索，以期形成車輛工程專業“流體力學與液壓傳動”課程的實驗教學最佳實踐。

一、課程教學現狀與改革目標

（一）課程教學現狀分析

“流體力學與液壓傳動”是一門理論性、實踐性較強的基礎性學科，是車輛工程專業的專業基礎課，是后續專業課程的核心基礎課程之一，在課程體系中具有重要地位。該課程屬于理論課程體系，經過多年建設，已形成一套成熟的理論授課體系。以流體力學部分為例，在流體基本屬性、流體靜力學、流體動力學、相似原理與量綱分析、無粘流動和粘性流動等教學過程中，基本概念、基本理論主要以方程推導和概念講述為主（如牛頓內摩擦定律、湍流雷諾應力、邊界層動量積分方程），基本方法講授還停留在傳統的工程應用問題上（如翼型的曲面流動分離）。

結合近三年本科教學評價意見，以及與本科生課后交流，學生普遍反饋：（1）相比于其他經典力學課程，“流體力學與液壓傳動”內容抽象，概念性強，課程從頭到尾以偏微分方程推導為主，公式多且繁雜；（2）希望經典理論能更好結合工程實際應用前沿，培養學習興趣。因此，在新工科和行業快速發展的背景下，構建與工程應用相銜接的基本概念、基本理論教學方法、積極開展實驗和實踐教學模式創新，以此培養學生學習的積極性和主動性，成為“流體力學與液壓傳動”課程改革的重要任務。

（二）基于新工科背景的實驗教學改革目標

傳統的實驗教學定義，是指實踐性教學的一種組織形式。學生利用儀器設備，在人為控制條件下，引起實驗對象的變化，通過觀察、測定和分析，獲得知識與發展能力。在基礎課和專業課中廣泛應用，其目的不僅驗證書本知識，更著重于培養學生正確使用儀器設備，能夠進行測試、調整、分析、設計實驗方案和編寫實驗報告等能力［4］。但隨著科技和行業的快速發展，前沿性流體力學實驗存在高成本、高消耗，以及有的實驗還需要單獨進行安全培訓后才可操作等問題，如流體力學中粒子圖像測速技術實驗，很大程度上限制了本科生學習的深度和興趣。

在推進新工科建設、組織和實施時，新型工程教育信息化的探索與實踐是其中的重點。近年來，出現了優質在線開放課程、基于虛擬仿真等技術的工程實踐教學平臺［5］、創新“互聯網+”工程教育教學方法等一批教育信息化成果。

在實驗教學的信息化探索與實踐中，實驗原理、實驗方法與流程、實驗方案設計等實驗教學的核心內容仍是重點。基于教育信息化，其方式方法可以多樣化，但需要重視以下幾點：（1）在滿足教學大綱要求的基礎上［6］，為本科教學而設計和實現虛擬仿真實驗；（2）工程教育信息化在于提高工程教育效率和教學效果，但不能取代教師的作用，而是需要對教師作用重新定位，使之更精準、更高效；（3）在工程教育信息化的同時，要注意處理好學生共性培養與個性化需求的關系［7］。

二、實驗教學探索思路及改革

在明確教學內容和目標的基礎上，梳理大綱中的概念難點和應用重點。采用研討式、虛擬式、實驗案例式、實物實驗參觀式等多種實驗教學方式，對“流體力學與液壓傳動”中的基本概念、基本理論和基本方法進行講授與互動。以下分別舉例說明該教學實踐過程。

（一）實驗方法研討式教學

《流體的基本屬性》章節中，重點是流體的粘性。對于液體的粘性，部分教材中有案例說明其測量方法，但對于氣體的粘性，并未給出測量方法。物質基本屬性的測量，通常伴隨著科學理論和技術的進步，比如光速、聲速的測量。針對氣體粘性的實驗測量方法。采用研討式教學，學習不局限于書本知識，而是要接近學術前沿，目的是啟發學生思考，有自己獨特的見解。

在課后學習時，請學生針對氣體、混合氣體的粘性測量實驗方法，通過查閱文獻和實驗案例，撰寫實驗原理、實驗設備及裝置、實驗流程，分析該實驗方案下氣體粘性測量的精度、儀器設備成本。在課堂上以報告、師生研討式教學進行開展，要重視教師在前沿技術方面的綜述及評價作用，如圖1所示。

（二）實驗案例教學

《相似原理與量綱分析》章節中，重點之一是決定性相似準則數、自模化性和穩定性在試驗設計中的作用，難點之一是決定性相似準則是基于大量實驗總結規律。需要給學生介紹實例，并做到理論聯系實踐、知識結構邏輯由淺入深、及時與學生討論和反饋的方法開展教學活動。

對于有壓流動，決定性相似準則為雷諾數。流動分層流、過渡和湍流三種狀態，由臨界雷諾數決定。當大于臨界雷諾數時，湍流狀態的速度分布不隨雷諾數增加而變化，這時的流動進入自動模化狀態。當實物與模型都處于同一種自模化區，模型試驗的雷諾數可不必與在實物的雷諾數相等。同濟大學上海地面交通工具風洞中心有很好的實驗基礎，給出MIRA汽車標準模型、我國CRH3高速列車等基礎形體和工業產品的氣動阻力自模化特性，圖2展示為MIRA汽車標模實驗案例。

（三）虛擬實驗教學

《粘性流體力學》章節中，重點內容有平板剪切應力、層流平板邊界層、湍流平板邊界層和流動分離。難點在于平板邊界層摩擦力由邊界層動量積分方程得到，公式繁雜，流動分離概念主要講述必要條件和現象，且兩個基本概念都缺少與工程問題結合。考慮到實際風洞實驗的高成本，需要安全培訓等限制因素，可以采用虛擬實驗教學的方法，講授平板壁面摩擦系數實驗測量和流動分離實驗。

設計的油膜法測量壁面摩擦系數虛擬實驗包含：（1）牛頓內摩擦力及雷諾應力定義；（2）油膜法測量實驗原理；（3）油膜法測量壁面剪切應力實驗過程。其中（3）又包含平板模型實驗對象、光學儀器及油膜準備、測試4步流程。粒子圖像測速儀（PIV）測量車輛流動分離虛擬實驗，包含（1）流動分離現象及定義；（2）粒子圖像測速儀測量原理；（3）PIV測量風洞試驗。其中（3）又包含車型及風洞、粒子圖像測速儀布置、測試4步流程。虛擬實驗設計需重點考慮便于理解和流程清晰，教師在課堂上講授，除基本內容外，還重點介紹了實驗過程中的難點（如實驗標定），圖3為油膜法測量壁面摩擦系數虛擬實驗。

（四）實物實驗參觀

在理論教學、實驗案例教學、虛擬實驗教學基礎上，學生已對“流體力學與液壓傳動”課程產生了興趣，并反饋想進一步了解實際實驗過程，以及參與部分工作的意愿。引導學生參觀實物實驗、直觀感受風洞，通過教師現場講解和相關實驗演示，使學生了解汽車風洞，掌握空氣動力學風洞試驗技術和測試方法等基礎知識。之后結合當前科學和工程問題，引導學生開展大學生創新創業項目工作。

三、實驗教學效果

通過研討式、虛擬式、案例式、實物實驗參觀式等多種實驗教學方式，激發了學生自主學習的熱情，對“流體力學與液壓傳動”的基本概念、基本理論和基本方法有了更深刻和直觀的認識；減輕了獨自面對繁雜公式、難題的挫折感；激發學生在學習中勇于面對新的挑戰。

引導本科生積極參與科學研究與實踐活動。在實驗教學過程中，個性化的研討和交流會促進師生之間科研火花的碰撞。在2020—2021學年里，學生積極申報并獲得國家級大學生創新創業計劃項目資助，并發表研究論文1篇。

結語

“流體力學與液壓傳動”是車輛工程專業的專業基礎課，也是上海市教委重點建設的課程之一。通過研討式、虛擬式、案例式、實物實驗參觀式等多種形式結合的實驗教學方式，實現學生專業素質和創新思維的培養，加深了學生對知識的理解和融會貫通。通過創新實驗教學方法，提高了學生解決實際問題的能力，獲得較好的教學效果。

（課題組成員：李辰悅、鄧世越、郭軼）

參考文獻

［1］教育部高等教育司.關于開展新工科研究與實踐的通知：教高司函〔2017〕6號［A/OL］.（2017-02-20）［2022-06-23］.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

［2］劉秀清，剛憲約，王玉瓊．“新工科”背景下車輛工程專業人才培養體系改革［J］．教育現代化，2019，6（96）：5-7+10．

［3］朱冰，趙健，高振海，等.智能汽車新工科人才培養實踐教學體系探索［J］.實驗室研究與探索，2021，40（6）：172-175.

［4］顧明遠.教育大辭典［M］.上海：上海教育出版社，1998.

［5］張智明，張娟楠，李昌昊，等.關于虛擬實驗技術在汽車《流體力學與液壓傳動》課程中應用的探討［J］.教育教學論壇，2017（10）：265-267.

［6］李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

［7］林健.深入扎實推進新工科建設：新工科研究與實踐項目的組織和實施［J］.高等工程教育研究，2017（5）：24-37．

Abstract： The construction of “new engineering disciplines “ in universities is a strategic action in response to a new round of scientific and technological revolution and industrial transformation. In the face of Chinas carbon goals and key technical indicators such as the driving range of intelligent electric vehicles， the contradiction between the rapid development of industry and the shortage of talents has become increasingly prominent. It is urgent to establish a practical teaching system for the cultivation of new engineering talents that considers both theory and practice. Taking the course of “Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission” for the undergraduates majoring in vehicle engineering in Tongji University as the carrier， combined with the key points and difficulties of the curriculum outline， this paper explores the experimental teaching methods of courses in the combination of discussion type experimental teaching， virtual experimental teaching， case experimental teaching， physical experiment and other forms， so as to achieve the cultivation of students professional quality and innovative thinking.