能量轉換與阻力測定綜合性實驗的設計與實踐研究

焦學然，張 霞

(河南城建學院環(huán)境與市政工程系，河南 平頂山 467044)

《水力學》、《流體力學》是環(huán)境工程、給水排水工程、水文學與水資源工程、土木工程等理工科專業(yè)的專業(yè)基礎課之一，是一門實踐性很強的課程。水力學實驗教學課時數(shù)約占該課程總課時數(shù)的30%—46.7%。由于傳統(tǒng)的實驗教學中，所有的實驗幾乎都是演示性實驗和驗證性實驗，實驗老師課前把實驗裝置和儀器準備好，實驗課上再詳細講解實驗目的、原理、操作步驟等。這種實驗教學模式致使學生處于被動低位，不利于學生潛能的挖掘和學生積極思維的養(yǎng)成，更不利于學生分析、解決問題能力的培養(yǎng)和綜合素質的提高［1］。近年來，筆者在《水力學》、《流體力學》實驗教學改革過程中進行了一些嘗試，根據(jù)實驗室已有的實驗條件，并結合現(xiàn)有的實驗儀器開設綜合性實驗項目，這對鞏固理論課所學的知識、挖掘學生的潛能、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、提高學生的綜合素質都具有非常重要的意義。筆者利用能量方程驗證性實驗裝置，重新設計轉變?yōu)槟芰哭D換與阻力測定綜合性實驗。

一、設計思想

能量方程實驗教學項目是一個驗證性實驗，目的是在驗證能量守恒定律的基礎上，理解水體的各種能量之間的相互轉化關系和規(guī)律。對于此實驗，學生往往只側重實驗數(shù)據(jù)測量和記錄，忽略了對實驗成果的分析討論，不利于學生對知識的掌握和應用［2，3］。通過對能量方程實驗儀研究發(fā)現(xiàn)，液體在管道中流動過程中經(jīng)過突然擴大管、突然縮小管、漸擴管、漸縮管、閥門等局部阻礙，會產(chǎn)生沿程水頭損失和局部水頭損失，在局部阻礙的前后分別設置有測壓管和測速管，可進行沿程水頭損失和局部水頭損失計算。因此可以將質量守恒定律、連續(xù)性方程、沿程水頭損失計算、局部水頭損失計算等內容融入綜合性實驗項目中。

二、實驗儀器與方法

(一)實驗儀器

采用能量方程實驗儀，如圖1所示。

(二)實驗方法

能量轉換與阻力測定綜合性實驗不僅包括能量方程驗證性實驗的內容，而且新增了實驗內容，見表1。

1.驗證能量方程

2.掌握壓能和動能的轉換關系

讀取每個測壓管、測速管的數(shù)值，觀察在不同位置時測壓管和測速管數(shù)值的變化，從而掌握壓能和動能的相互轉換關系。

3.連續(xù)性方程的應用

采用體積—時間法測出通過管路的流量，再由連續(xù)性方程v1A1=v2A2=Q計算每段管道平均流速v及流速水頭，并與實際測得流速水頭相比較。

4.計算沿程水頭損失

5.計算局部水頭損失

果與由測速管數(shù)值所求的局部水頭損失h'ξ比較并分析原因。

圖1 能量方程實驗儀

表1 能量轉換與阻力測定綜合性實驗的實驗內容

三、實踐教學效果

能量轉換與阻力測定綜合性實驗不僅增強了實驗內容的綜合性，而且增強了學生學習的主動性，使學生創(chuàng)新思維和綜合分析問題的能力得到普遍提高，因此實驗教學質量有很大的提高。

第一，學生創(chuàng)新思維與分析、解決問題的能力提高。在驗證性實驗中，學生學習的積極性和主動性較差，實驗興趣不高，缺少探索精神。而綜合性實驗提供了更多的思考與分析、解決問題的空間，學生通過查資料主動地搜索、處理、加工、利用信息，獨立解決問題，學習興趣提高［4，5］。例如在能量轉換與阻力測定綜合性實驗中，沿程阻力系數(shù)λ的計算是求解沿程水頭損失的關鍵，而λ的計算又與雷諾數(shù)密切相關，怎樣求雷諾數(shù)呢?學生通過查閱文獻資料，找到雷諾數(shù)的計算公式，測定水溫求水的運動粘度ν，代入公式求出雷諾數(shù)，然后根據(jù)雷諾數(shù)的大小查資料計算λ，最后求出沿程水頭損失，問題得到解決。學生也可查閱文獻資料利用其他方法計算沿程水頭損失，提高學生的思考問題、分析問題、解決問題的能力。

(2)學生的實驗報告質量提高。撰寫實驗報告是實驗教學的重要環(huán)節(jié)，又是衡量實驗教學效果的重要依據(jù)。但在驗證性實驗中，大部分學生往往是被動地按照實驗指導書中的原理、方法、步驟，測測數(shù)據(jù)，完成實驗，而實驗報告中忽略了對實驗結果的分析與討論。在綜合性實驗中，大部分學生都能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，并結合有關文獻資料得出實驗結果，撰寫實驗報告［6，7］。例如，計算沿程水頭損失和局部水頭損失時，學生通過查閱文獻資料采用半經(jīng)驗公式或經(jīng)驗公式計算，方法多樣，改變了以往實驗報告千篇一律的狀況，提高了實驗報告的質量。

四、總結

《水力學》、《流體力學》作為理工科專業(yè)中一門重要的專業(yè)基礎課程，其實踐性很強。傳統(tǒng)的實驗教學往往導致學生學習的積極性降低，使學生處于比較被動的學習狀態(tài)。在實驗教學內容的更新和完善過程中，進行實踐研究，補充和完善驗證性實驗內容，使之轉變?yōu)榫C合性實驗，也是綜合性實驗教學內容改革中值得考慮和重視的問題。從能量轉換與阻力測定綜合性實驗的開設效果和學生實驗報告的質量來看，由于綜合性實驗項目要求學生必須掌握一定的基礎知識，在進入實驗室之前必須對整個實驗有很好地掌握，這就促使學生必須對實驗進行預習和準備。同時學生的實驗報告必須依靠學生自己分析并結合有關文獻資料才能完成，這樣既提高了學生實驗報告的質量，也培養(yǎng)了學生創(chuàng)新性思維和分析、解決問題的能力。因此，設計和開設更多的綜合性實驗，對提高水力學實驗教學效果、培養(yǎng)學生的綜合素質都將具有非常重要的意義。

［1］史文海，李校兵.水力學綜合性實驗教學改革探索［J］.溫州大學學報(自然科學版)，2007，8(5).

［2］蔡禮權.不可壓縮流體恒定流能量方程實驗分析［J］.機電技術，2007，(1).

［3］蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學泵與風機［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］淮虎銀，金銀根，孫國榮，等.植物學綜合性實驗項目的設計與實踐［J］.實驗室研究與探索，2006，(5).

［5］王茜.自動化專業(yè)綜合性實驗平臺的建設模式［J］.實驗室研究與探索，2009，(10).

［6］姜衍倉.基于實驗教學的大學生物物理科研素質提升策略［J］.教育研究與實驗，2009，S3.

［7］李忠光，楊仕忠，龔明.植物生理驗證性實驗轉變?yōu)榫C合性實驗的幾個實例［J］.植物生理學通訊，2008，(1).