工程教育專業(yè)認證背景下流體力學實驗教學改革

［摘 要］ 工程教育專業(yè)認證對實驗教學提出了明確的要求，應注重對學生自主、動手、實施、設計創(chuàng)新等能力的培養(yǎng)。針對當前流體力學實驗教學內(nèi)容過于簡單、方法過于傳統(tǒng)、難以調(diào)動學生學習積極性等問題，通過優(yōu)化實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新實驗教學方法，構(gòu)建“演示綜合運用自主創(chuàng)新”循序漸進的教學新模式，形成啟發(fā)式教學、CFD虛擬仿真教學、開放式管理相結(jié)合的實驗教學新方法，幫助學生夯實基礎、增強綜合應用能力、激發(fā)創(chuàng)新潛能。注重學生自主思考和探究，以滿足工程教育專業(yè)認證對實驗教學的要求。

［關鍵詞］ 流體力學；實驗教學；教學新模式；教學新方法；工程教育專業(yè)認證

［基金項目］ 2020年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“基于OBE理念的國家級一流本科專業(yè)扁平化建設體系研究”（HNJG-2020-0484）

［作者簡介］ 宋志文（1988—），女，湖南雙峰人，碩士，湖南科技大學機電工程學院助理實驗師，主要從事流體力學實驗研究；牛秋林（1983—），男，河南林州人，博士，湖南科技大學機電工程學院副院長，教授（通信作者），主要從事機械設計與制造研究；楊國慶（1976—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士，湖南科技大學機電工程學院實驗中心主任，講師，主要從事機械設計及理論、裝配工藝規(guī)范、有限元分析研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）09-0067-04 ［收稿日期］ 2023-03-23

“流體力學”是高等院校水利、機械、環(huán)境、土木等理工科專業(yè)的必修課程。“流體力學”理論教學過程中的許多問題，雖然能用理論分析和數(shù)值計算求解，但最終還須通過實驗進一步檢驗修正。因此，在相關理工科專業(yè)教學體系中，流體力學實驗的教學一直是重要的實踐環(huán)節(jié)［1］。通過流體力學實驗教學，學生能進一步夯實流體力學基本理論，運用流體力學原理分析和解決流體實際問題。

近年來，各高校積極推進工程教育專業(yè)認證工作，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。工程教育專業(yè)認證對實驗教學提出了明確的要求，注重培養(yǎng)學生的自主、動手、實施、設計創(chuàng)新等能力。然而，傳統(tǒng)的流體力學實驗教學以驗證性實驗和“被動式”教學為主，實驗難度較低，實驗過程較為機械化，整個實驗過程主要是教師講、學生做［2-5］。這種缺乏創(chuàng)新意識培養(yǎng)的教學方式不需要學生主動思考、探索、研究，難以達到工程教育專業(yè)認證對實驗教學效果的評價標準。

本文通過優(yōu)化實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新實驗教學方法等教學改革，增加實驗教學的啟發(fā)性、綜合性、設計性和創(chuàng)新性，激發(fā)學生學習興趣，致力于培養(yǎng)學生自主分析、研究、設計創(chuàng)新能力。

一、流體力學實驗教學存在的問題

目前大多數(shù)高校流體力學實驗教學內(nèi)容上以流體靜力學、伯努利方程、文丘里實驗等驗證性實驗為主，普遍難度較低，無層次遞進，實驗教學方式為教師講解實驗原理、演示實驗步驟，學生只需按照演示機械地操作實驗設備，無須主動思考［6-9］。然而，工程教育專業(yè)認證要求實驗教學應包括認知性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和設計創(chuàng)新性實驗，須符合“從易到難、由淺入深”循序漸進的教學規(guī)律，教學過程應堅持“學生為主、教師為輔”，重視學生在實驗教學中的主體定位［10-11］。因此，流體力學實驗的教學改革勢在必行。

二、流體力學實驗教學改革

（一）優(yōu)化實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)

本文打破以驗證性實驗為主的教學模式，優(yōu)化實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)，壓縮驗證性實驗課時，增加創(chuàng)新性實驗課時，形成“演示性實驗綜合運用性實驗自主設計創(chuàng)新性實驗”新結(jié)構(gòu)，遵循循序漸進的教學規(guī)律，達到演示實驗夯實基礎知識、綜合性實驗訓練綜合能力、自主設計創(chuàng)新性實驗激發(fā)創(chuàng)新潛能的教學效果。

1.開設演示性實驗。演示性實驗最大的特點是實驗現(xiàn)象直觀可視、形象生動，能快速切入實驗主題，根據(jù)學生好奇心強這一特點，演示性實驗能極大地激發(fā)學生的求知欲望，對提高實驗教學質(zhì)量起著至關重要的作用。

演示性實驗可設置靜壓傳遞自動揚水演示實驗、自循環(huán)虹吸原理演示實驗［12］10-41。通過實驗掌握靜壓傳遞特性、分析“靜壓奇觀”、虹吸現(xiàn)象的工作原理，幫助學生夯實流體力學基礎知識，掌握“靜壓奇觀”、虹吸管工作原理實際上是能量轉(zhuǎn)換原理，并在此基礎上舉例介紹靜壓傳遞特性、虹吸管工作原理等流體力學基礎知識在工程中的應用，如自動提水裝置、虹吸閥等。開設演示性實驗，可以幫助學生夯實流體力學能量轉(zhuǎn)換原理，了解相關知識在工程中的應用，提高學習興趣，為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定理論基礎。

2.開設綜合性實驗。演示實驗幫助學生夯實了流體靜力學、動力學能量轉(zhuǎn)換特性等基礎性知識。在此基礎上設置綜合性實驗，使學生掌握流體力學基礎知識的綜合性運用。通過在靜力學、伯努利方程等傳統(tǒng)驗證性實驗中引入定性分析、定量測量、自主設計環(huán)節(jié)，形成“實驗現(xiàn)象觀察定性分析定量測量自主設計”的綜合性實驗。以恒定總流伯努利方程綜合性實驗為例，具體實施過程如下：（1）簡單介紹實驗目的、實驗裝置、實驗原理、實驗過程的注意事項，開機，引導學生觀察實驗現(xiàn)象。（2）通過對實驗現(xiàn)象的觀察，引導學生定性分析畢托管速度儀的工作原理，總水頭線的變化規(guī)律、壓測管水頭線的變化規(guī)律，并總結(jié)能量轉(zhuǎn)換特性，實驗管道沿程壓力的分布情況，急變流斷面不被選作伯努利方程計算斷面的原因，以及喉管真空度的影響因素等問題。通過定性分析環(huán)節(jié)，提高學生運用流體力學知識分析實驗現(xiàn)象的能力，幫助學生進一步掌握流體知識的運用。（3）定性分析結(jié)束后開始定量測量。在此環(huán)節(jié)，教師與學生一起探討如何驗證伯努利方程，須要測量哪些數(shù)據(jù)，如何處理實驗數(shù)據(jù)，共同擬定實驗方法和步驟，再由學生獨立完成實驗數(shù)據(jù)的測量和處理。通過定量分析環(huán)節(jié)，確定實驗方法和實驗步驟、完成伯努利方程的驗證，掌握實驗數(shù)據(jù)測量技能及分析處理方法。（4）通過定性分析與定量測量環(huán)節(jié)，學生已經(jīng)進一步掌握了流體知識的運用和實踐操作技能。在此基礎上，增加自主設計環(huán)節(jié)，自主設計實驗方案，研究水箱液位高度對喉管真空度的影響。首先，引導學生進行理論分析，選取基準面和計算斷面，根據(jù)能量方程和連續(xù)性方程，得出喉管測壓管水頭隨水箱液位變化的關系式，確定需要通過實驗測量的參數(shù)；然后，學生利用實驗裝置，測得大流量下所需的實驗參數(shù)，計算得出理論結(jié)論；最后，學生進行變水頭實驗研究，對理論結(jié)論進行驗證。通過自主設計環(huán)節(jié)，可以訓練學生理論分析與實驗研究相結(jié)合的科研能力，還能有效幫助學生掌握工程中檢驗喉管真空度是否在允許范圍內(nèi)的方法，鍛煉學生解決復雜工程問題的能力。

3.開設自主設計創(chuàng)新性實驗。在演示性實驗、綜合性實驗的基礎上，增加自主設計創(chuàng)新性實驗，更加注重實驗的“自主研究”與“創(chuàng)新”，以此培養(yǎng)學生提出、分析、解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能［12］130-137。自主設計創(chuàng)新性實驗內(nèi)容的選取可以貼近工程應用。例如，依托實驗室的資源，開設油庫液位高度檢測自主設計創(chuàng)新型實驗項目，測定油庫液位的高度值，完成該實驗。具體實施過程如下所示：（1）學生自主研究性學習。學生自由分組并選定一位負責人，每組不超過3人，分組檢索相關資料，自主學習油庫液位高度檢測計原理。（2）自主設計實驗方案。通過研究性學習，確定實驗目的、實驗原理、實驗方法及步驟，設計實驗裝置簡圖。（3）制作油庫液位高度檢測實驗裝置。學生可以選擇自主制作油庫液位高度檢測裝置，也可以充分利用實驗室已有的靜水力學實驗裝置模擬油庫。（4）自主進行實驗測量，記錄實驗數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，得到油庫液位高度值。（5）總結(jié)實驗成果，形成完整的實驗總結(jié)報告，報告包括實驗目的及要求、實驗裝置圖、實驗原理及方法、實驗數(shù)據(jù)記錄及計算表格，供教師評閱。（6）成績考核，教師綜合學生實驗過程的表現(xiàn)和實驗總結(jié)報告的質(zhì)量，且更加注重學生實驗過程表現(xiàn)，按照2∶1的比例形成最終成績。

自主設計創(chuàng)新性實驗內(nèi)容的選取應隨工程應用的變化動態(tài)調(diào)整，盡可能選用當前流體力學具有代表性的工程實用案例，及時總結(jié)實施過程中存在的問題，持續(xù)收集學生對實驗的建議，不斷改進實驗，使實驗教學更契合工程教育專業(yè)認證持續(xù)改進的理念。通過實驗內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整，凸顯了流體力學實驗教學“基礎夯實、綜合訓練、創(chuàng)新激發(fā)”循序漸進的教學規(guī)律，提高了學生學習的積極性，鍛煉了學生利用流體力學知識解決復雜工程問題的能力，有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

（二）創(chuàng)新實驗教學方法

傳統(tǒng)“被動式”的實驗教學常為通教師講、學生做，學生參與度不高，不符合工程教育專業(yè)認證“以學生為中心”的理念。本文改變傳統(tǒng)的實驗教學方法，探索啟發(fā)式教學、CFD虛擬仿真教學、開放式管理相結(jié)合的實驗教學新手段，更加注重學生主動“思考、探索、研究”，提升實驗教學效果。

1.采用問題導向的啟發(fā)式教學。問題導向的啟發(fā)式教學，即整個實驗過程應以學生主動思考、設計、探索為主，教師只做啟發(fā)性引導，緊扣“以學生為中心”的理念。以伯努利方程實驗為例，實驗目的、實驗裝置、實驗原理、實驗步驟只作簡單介紹，重點放在定性分析、定量分析與自主設計環(huán)節(jié)，在定性分析與定量分析環(huán)節(jié)，針對實驗現(xiàn)象提出一系列實驗問題，引導學生主動思考、分析、實踐，在自主設計環(huán)節(jié)，啟發(fā)學生先進行理論分析、得出理論結(jié)論，再進行實驗研究，驗證理論結(jié)論。更加注重學生自主研究過程，教師只在學生遇到困難時做啟發(fā)性引導。

2.采用CFD虛擬仿真實驗教學。CFD數(shù)值仿真技術廣泛應用于流體力學工程問題分析，但目前本科教學中涉及該項技術較少［13-16］，因此，通過實驗將CFD仿真技術引入本科教學，不僅能增加實驗教學的吸引力，還可以鍛煉學生使用CFD仿真技術分析研究工程問題，培養(yǎng)學生使用現(xiàn)代技術對復雜工程問題進行模擬和分析的能力。

由于線下實驗課時的限制，虛擬仿真實驗采取學生課前自主完成的形式。教師提前準備好CFD數(shù)值仿真實驗學習的資料包及實驗任務，課前兩周發(fā)送給學生，并建立CFD數(shù)值仿真實驗學習QQ群。通過學習資料，學生熟悉CFD軟件的使用，完成實驗任務，并形成實驗報告，教師通過QQ群對學生遇到的問題線上答疑，線下實驗時引導學生將線下實驗結(jié)果與虛擬仿真結(jié)果進行比較，驗證仿真模型的可靠性。這種將線下實驗與虛擬仿真實驗高效結(jié)合的教學模式，增加了實驗教學的創(chuàng)新性和吸引力。

3.實驗室實施開放式管理。搭建科技創(chuàng)新資源共享平臺。依托學校資源共享平臺對流體力學實驗室的開放式管理，及時更新實驗室儀器設備目錄及技術參數(shù)，師生只需提前網(wǎng)絡預約，就可以共享實驗室資源，為科技創(chuàng)新活動提供場地和資源支持，促進學生科技創(chuàng)新能力的提升。同時，設置實驗室開放周［17］。學生基礎存在差異，對于難度較大的實驗，部分學生無法在規(guī)定的課時完成相應的實驗任務。設置實驗室開放周，學生在開放周可以自由選擇任一時間完成實驗，沒有了實驗課時的限制，學生可充分進行自主研究與設計。通過搭建資源共享平臺、設置實驗室開放周的形式，使流體力學實驗室達到向?qū)W生開放的專業(yè)認證要求，提高學生科學研究、設計創(chuàng)新能力。

結(jié)語

在工程教育專業(yè)認證背景下，本文打破以驗證性實驗為主的“被動式”教學模式，通過優(yōu)化實驗內(nèi)容，凸顯實驗教學“基礎夯實、綜合訓練、創(chuàng)新激發(fā)”循序漸進的教學規(guī)律，培養(yǎng)學生運用基礎原理分析復雜工程問題的能力。通過創(chuàng)新實驗教學方法，強化學生在教學過程中的主體地位，更加注重培養(yǎng)學生主動思考和探究的精神，促進學生工程實踐能力的培養(yǎng)。

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Reform of Fluid Mechanics Experiment Teaching Based on Engineering Education Accreditation

SONG Zhi-wen， NIU Qiu-lin， YANG Guo-qing

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan， Hunan 411201， China）

Abstract： Engineering Education Accreditation puts forward clear requirements for experimental teaching that it should pay attention to the cultivation of students’ ability of autonomy， operation， implementation and design innovation. Aiming at the problems that the teaching content of the current fluid mechanics experiment is too simple and the method is too traditional to arouse students’ learning enthusiasm， this paper constructs a progressive teaching model （demonstrationn→ comprehensive application→ independent innovation） by optimizing the content structure of the experiment and innovating the experimental teaching method， and a new experimental teaching method combining the heuristic teaching， CFD virtual simulation teaching and open management is formed to help students consolidate their foundation， enhance their comprehensive application ability and stimulate their innovation potential. This paper pays more attention to students’ independent thinking and exploration to meet the requirements of engineering education accreditation for experimental courses.

Key words： engineering education accreditation; fluid mechanics; experimental teaching; new experimental teaching model; new experimental teaching method