依托大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目 探索力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

蘭雅梅+肖世貴+李明+王世明+宋秋紅+劉爽

摘 要 通過總結(jié)一項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，即對不同形狀繞流物體受力進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，探索一條力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革的創(chuàng)新之路。通過大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施，使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式得以提升，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容得以充實(shí)，大大強(qiáng)化了學(xué)生的動手能力，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維，將課堂真正遷移到了實(shí)驗(yàn)室，知行合一，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞 繞流物體 雷諾數(shù) 大學(xué)生創(chuàng)新 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Rely on Students' Innovative Projects and Explore

Mechanics Experiment Teaching Mode

LAN Yamei， XIAO Shigui， LI Ming， WANG Shiming， SONG Qiuhong， LIU Shuang

（Shanghai Ocean University， Shanghai 201306）

Abstract By summing up a college innovative project， namely the flow around objects of different shapes force wind tunnel experimental study to explore the road of innovation practice a mechanical experiment teaching reform. Students through the implementation of innovative projects， the traditional experimental teaching model can be improved， experimental teaching content can be enriched greatly enhanced the abilities of students， training the students' creative thinking， will truly move to the laboratory classroom， apply what they learn to improve overall quality of students.

Key words flow objects； Reynolds； college students' innovation； experimental teaching

本文對一項(xiàng)上海海洋大學(xué)市級大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃進(jìn)行總結(jié)，該項(xiàng)目主要針對不同形狀繞流物體受力進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，從模型的設(shè)計(jì)制作到實(shí)驗(yàn)測試、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析，每個(gè)環(huán)節(jié)都由學(xué)生親力親為，真正將課堂轉(zhuǎn)移到了實(shí)驗(yàn)室，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力，充分利用了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室資源，將生活中的現(xiàn)象以模型的方式抽象出來，用實(shí)驗(yàn)的方法解釋說明，得出更深刻的科學(xué)證明，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

1 大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目研究背景及內(nèi)容

為什么打高爾夫球比光滑圓球打得更遠(yuǎn)？為什么魚雷的頭部接近流線型？為什么場地自行車賽的運(yùn)動員都要帶一頂具有尖尾巴的帽子？風(fēng)對汽車的阻力主要來自于迎風(fēng)面還是背風(fēng)面？很多人對以上流體力學(xué)現(xiàn)象缺乏認(rèn)識，這主要是因?yàn)榱黧w變化難以用肉眼觀察、辨認(rèn)，必須借助相應(yīng)的流體測試儀器進(jìn)行分析研究。這些繞流物體阻力問題同尾部漩渦流有關(guān)，用風(fēng)洞結(jié)合現(xiàn)代流體力學(xué)測試技術(shù)可得到阻力變化規(guī)律。

在流體中運(yùn)動的物體統(tǒng)稱為繞流物體。繞流的運(yùn)動一般可分為兩類，一類是流體運(yùn)動，物體靜止，流體繞過物體運(yùn)動；另一類是物體運(yùn)動，流體靜止，物體在流體中運(yùn)動；當(dāng)然也可以上述兩種運(yùn)動都有。前者運(yùn)動如河水繞過橋墩、風(fēng)吹過建筑物；后者如船在水中運(yùn)動、飛機(jī)在大氣中飛行、以及粉塵、泥沙在空氣和水中的沉降等。對于后一類運(yùn)動，可以在運(yùn)動的物體上建立動坐標(biāo)系，而將運(yùn)動轉(zhuǎn)換為流體相對于動坐標(biāo)系的運(yùn)動。就研究流體與物體之間相互作用力的問題而言，兩者是等價(jià)的。

粘性物體繞有曲率物體運(yùn)動時(shí)，在物體后部緊貼壁面區(qū)域，將產(chǎn)生逆壓梯度。后部靠近壁面的流體在逆壓的作用下，將產(chǎn)生倒流現(xiàn)象，并發(fā)展成旋渦，這就是曲面邊界層的分離現(xiàn)象。一旦產(chǎn)生該現(xiàn)象，邊界層的厚度將明顯增加，物體后部將形成尾渦區(qū)，將外部勢流隔離于壁面之外，使得作用在物體上的壓強(qiáng)分布具有前后不對稱性，且后部的壓強(qiáng)小于前部，這種不對稱的壓強(qiáng)分布產(chǎn)生的合力與來流方向相同，定義為壓差阻力。由于物體后部的逆壓梯度大小與物面形狀緊密相關(guān)，因此壓差阻力又被稱為形狀阻力。

流體繞過物體，作用在物體上的力按其方向不同，可分為阻力和升力。前者包括摩擦阻力和壓差阻力兩部分。摩擦阻力是由于流體與物面摩擦而產(chǎn)生的應(yīng)力，可用邊界層理論計(jì)算，而形狀阻力一般通過實(shí)驗(yàn)測定。繞流阻力用無量綱的阻力系數(shù)來表示，計(jì)算公式為：

=

式中為繞流阻力；為流體的密度；為來流速度；為物體特征面積，即水平最大截面積。此外，研究發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)的大小會影響阻力系數(shù)，計(jì)算公式為：

=

式中為特征長度；為流體的運(yùn)動粘度；為來流速度。

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在風(fēng)洞中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)對象為直徑80mm的圓板、圓錐、半球，后部由細(xì)長支撐架固定。實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備主要有：直流式低速風(fēng)洞，是實(shí)驗(yàn)中風(fēng)的來源，將圓盤置于風(fēng)箱中，用來測定各個(gè)物理量，采用風(fēng)速調(diào)頻儀調(diào)節(jié)頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)速；YD-28A型應(yīng)變放大器，測量由于風(fēng)吹動圓盤而引起的支架形變，從而得到阻力，畢托管測得實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，進(jìn)一步分析可以得到雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系。

2 大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目與力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合

將大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來，一方面能將大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目落到實(shí)處，有利于更進(jìn)一步地激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新性思維，另一方面可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。同時(shí)，在創(chuàng)新計(jì)劃中，改變了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，由傳統(tǒng)的灌輸模式，發(fā)展為學(xué)生根據(jù)自己感興趣的課題或者方向，自主實(shí)驗(yàn)，具體為學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)、管理實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目實(shí)施的過程中，學(xué)生的自主性、創(chuàng)新性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作性，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量都得到明顯提高。傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施，難以實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，學(xué)生普遍都對教師有依賴思想，其次由于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書描述的步驟過于詳盡，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式較為固定死板，將學(xué)生的思維始終局限在設(shè)定的框架內(nèi)，難以激起學(xué)生創(chuàng)新的興趣和熱情。endprint

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠?qū)α黧w力學(xué)理論有更深層次的認(rèn)識，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)更好的平臺，能夠解決很多難以在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中解決的問題，為力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)注入了新的活力。根據(jù)研究方案，選擇圓板、半球、圓錐三種模型，實(shí)驗(yàn)研究雷諾數(shù)對阻力的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，完成了三分力天平的標(biāo)定工作，得到力與電壓之間的關(guān)系；利用壓差計(jì)，得到來流風(fēng)速與電機(jī)頻率之間的關(guān)系。通過多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方法，最終得到Re數(shù)與三種模型阻力系數(shù)Cd的關(guān)系。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析可知，當(dāng)風(fēng)速比較小，Re<5000時(shí)，Cd隨著Re增大而減小，同一Re值下，平板的阻力系數(shù)最大，半球的最小，這是因?yàn)榘肭蛐螤钕鄬A滑，后部的邊界層分離點(diǎn)靠后，尾渦區(qū)域較??；而當(dāng)風(fēng)速增大，Re>5000時(shí)，Cd趨于定值，風(fēng)速影響不大。實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論相吻合，因?yàn)轱L(fēng)速越大，粘性力的影響越小。

在整個(gè)創(chuàng)新計(jì)劃的執(zhí)行過程中，學(xué)生自始至終積極參與前期調(diào)研、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、進(jìn)行材料的梳理整合。實(shí)驗(yàn)中遇到問題，能夠及時(shí)和導(dǎo)師進(jìn)行溝通，修訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和方案，認(rèn)真規(guī)劃和管理創(chuàng)新項(xiàng)目的基金經(jīng)費(fèi)。通過大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施完成，初步了解科研項(xiàng)目的規(guī)范與步驟，大大提高了學(xué)生的整體素質(zhì)，實(shí)驗(yàn)中分析問題、解決問題，以及動手能力都得到了鍛煉，團(tuán)隊(duì)的合作能力也進(jìn)一步提高。

3 結(jié)束語

通過大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)施完成，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式和內(nèi)容更具多樣性和豐富性，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使得學(xué)生的創(chuàng)新性得到提升。學(xué)生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，自主完成立項(xiàng)申報(bào)、設(shè)計(jì)方案、調(diào)試設(shè)備、準(zhǔn)備材料、動手實(shí)驗(yàn)、整理分析數(shù)據(jù)、撰寫結(jié)題報(bào)告等工作，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力以及綜合素質(zhì)都有較大的提升。以大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目為載體，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式和內(nèi)容較之前均有一定的提升，這也正是力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革的一條創(chuàng)新之路。

基金項(xiàng)目：本文受“2013年課程教學(xué)方法改革研究項(xiàng)目”（項(xiàng)目號：A-0201-13-0313017）和“2013年度校級大學(xué)生創(chuàng)新活動計(jì)劃項(xiàng)目（滬海洋教〔2013〕號）”資助

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