風(fēng)機(jī)方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課實驗教學(xué)改革研究

陳愛平　王偉

[摘要]本文通過對風(fēng)機(jī)方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課實驗教學(xué)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出其不足之處。并結(jié)合當(dāng)下虛擬實驗室的趨勢，就其實驗內(nèi)容、實驗方法、成績評定提出了改進(jìn)方案。

[關(guān)鍵詞]實驗教學(xué) 改進(jìn) 數(shù)值模擬

一、引言

本課題所指的專業(yè)基礎(chǔ)課不包含機(jī)械大類的專業(yè)基礎(chǔ)課，特指風(fēng)機(jī)方向的專業(yè)基礎(chǔ)課程《流體力學(xué)》、《工程熱力學(xué)》。這兩門課程是是現(xiàn)代工程技術(shù)人員必備的技術(shù)基礎(chǔ)知識，是工科類專業(yè)人工程素質(zhì)的重要組成部分。對機(jī)械大類風(fēng)機(jī)方向的學(xué)生而言，是他們學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的必要基礎(chǔ)。這兩門課程概念多、公式多、內(nèi)容多、抽象難懂。為了幫助學(xué)生更好的學(xué)好這兩門課，為了提升學(xué)生的實踐動手能力和工程意識，一般學(xué)校都開設(shè)有實驗課。

但就該課程目前的實驗技術(shù)條件和實驗手段，離預(yù)定目標(biāo)還有一定的差距。文章從兩門課程的實驗室條件和實驗教學(xué)的現(xiàn)狀分析入手，針對存在的不足，對實驗室改造、實驗教學(xué)內(nèi)容和方法和環(huán)節(jié)提出一些建議。

二、風(fēng)機(jī)方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課傳統(tǒng)實驗教學(xué)及其不足

針對《流體力學(xué)》和《工程熱力學(xué)》兩門專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)的實驗方法是每門課程安排4-5個實驗，即兩門課程共計8-10個實驗?！读黧w力學(xué)》一般開設(shè)靜水力學(xué)實驗、伯努利能量方程實驗、雷諾實驗、局部損失實驗、沿程阻力實驗，驗實驗?zāi)康姆謩e是驗證流體靜壓強(qiáng)規(guī)律；驗證能量方程、判斷層流紊流及其劃分、測量計算管道沿程水頭損失、測量計算管道局部水頭損失需要用到的實驗設(shè)備有水靜力學(xué)實驗儀能量方程實驗儀雷諾實驗儀、沿程水頭損失儀、局部水頭損失儀。

《工程熱力學(xué)》開設(shè)的實驗主要包括：空氣定壓比熱容測定、空氣絕熱指數(shù)的確定、飽和蒸汽溫度和壓力關(guān)系實驗、二氧化碳P-v-T關(guān)系的觀察和測定、噴管性能試驗，需要的實驗設(shè)備有恒溫水浴、電位計、變壓器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計（套）、保溫瓶等等。

傳統(tǒng)的實驗的實驗內(nèi)容大多是演示實驗和驗證實驗，基本不需要設(shè)計。學(xué)生在對實驗的興趣不大，他們按照實驗指導(dǎo)書的實驗步驟操作得出結(jié)論了事。很難發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，更別提提高學(xué)生的實踐能力和工程意識。

這些實驗的實驗設(shè)備比較昂貴，又占很大的空間。為了節(jié)約成本，一般學(xué)校購買的臺套數(shù)有限，這樣一來，一臺套設(shè)備同時接納的學(xué)生就較多，很難有每個學(xué)生親自操作的機(jī)會。甚至對于一些使用較為貴重、操作中容易出現(xiàn)故障的儀器實驗，很多由老師親自演示讓學(xué)生在一旁觀看，了解操作的過程，讓學(xué)生直接抄取實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生自由由發(fā)揮的余地很少。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法也存在弊端，一般采用灌入式填鴨教學(xué)方法，通過“老師講解—實驗演示—實驗報告”的模式進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生走進(jìn)實驗室， 師事先將實驗原理、目的、步驟寫在黑板上講述一遍，然后將實驗步驟演示給學(xué)生看一遍，學(xué)生按照設(shè)定的實驗固定模式進(jìn)行機(jī)械地重復(fù)性操作，依照實驗報告的內(nèi)容一步步地做下去，最后得出大同小異的實驗結(jié)論。這些實驗前人已經(jīng)做過多次，區(qū)別就在于是用同學(xué)各異的操作能力重復(fù)同一內(nèi)容，結(jié)果最多只是誤差存在些微差距。學(xué)生的感性認(rèn)知很差，實驗效果很難達(dá)到預(yù)期的理想目標(biāo)。

傳統(tǒng)的實驗成績評定也是一塊硬傷。由于不是一對一教學(xué)，對于實驗過程的給分老師幾乎無能為力。只能從學(xué)生上交的實驗報告進(jìn)行批閱。但是實驗報告的數(shù)據(jù)有可能是抄襲的，也有可能是捏造的。其結(jié)果是大家分?jǐn)?shù)大同小異。甚至出現(xiàn)實驗動手的學(xué)生比不動手學(xué)生的分?jǐn)?shù)還低的情況。極大地打擊了學(xué)生上實驗課的積極性。

三、風(fēng)機(jī)方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課實驗教學(xué)改革

從上面的論述可以看出，針對風(fēng)機(jī)方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課實驗課，要想改變現(xiàn)有傳統(tǒng)的實驗教學(xué)弊端。必須從實驗設(shè)備、實驗內(nèi)容、實驗方法和實驗評定上三管齊下。

（一）實驗室由實體的實驗室改造為數(shù)值虛擬實驗室 （花費(fèi)很少）

建造熱流體數(shù)值實驗平臺（現(xiàn)在已經(jīng)是很成熟的實驗平臺），一個實驗平臺可以開設(shè)兩門課程的所有實驗（驗證性的、設(shè)計性的、綜合性的）。不需要像傳統(tǒng)實驗室要買很多實驗設(shè)備。只需將實驗平臺安裝在一般的機(jī)房即可實施。

不用擔(dān)心學(xué)生措手損壞儀器而只讓老師演示，更不用擔(dān)心五個、十個個學(xué)生共用一套設(shè)備。該數(shù)值實驗室可以實現(xiàn)一次性容納50-70學(xué)生同時做實驗，并且保證人手一套儀器（虛擬），每個學(xué)生都要親自操刀動手，提高了學(xué)生的能動性，規(guī)避了人的惰性（一人一組，不能依靠其他組員）。

（二）實驗內(nèi)容的改進(jìn)

傳統(tǒng)的實驗基本都是驗證性和演示性實驗。熱流體數(shù)值實驗運(yùn)用CFD技術(shù)，通過模擬流體力學(xué)以及傳熱學(xué)中一些簡單物理問題，使一些基本概念、基本現(xiàn)象、基本模型數(shù)值化，可視化，從而加強(qiáng)同學(xué)們對流體力學(xué)和傳熱學(xué)基本概念的認(rèn)識，并將這些基礎(chǔ)知識與風(fēng)機(jī)工程應(yīng)用結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生更有效的利用CFD工具解決熱流體方面的有關(guān)問題。

熱流體數(shù)值實驗平臺中可供實驗的項目見圖1，圖1表示了部分實驗項目。這些項目內(nèi)容包括工程應(yīng)用中最常見的流體動力學(xué)問題——對流體通過管道系統(tǒng)時流場分布的分析。研究有熱傳遞或無熱傳遞時等截面管道的流動狀況。

在管路系統(tǒng)中，壓頭損失或阻力是風(fēng)機(jī)工程中要解決的2個主要問題之一，熱流體數(shù)值實驗可以研究不同管道的損失機(jī)理，損失與管道結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系。

風(fēng)機(jī)工程中要解決的另外的主要問題之一是風(fēng)機(jī)葉片作功，熱流體數(shù)值實驗通過模擬流過機(jī)翼（翼型葉片）物理現(xiàn)象，介紹機(jī)翼（翼型葉片）繞流的基本過程，得出翼型葉片升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

以上內(nèi)容既是《流體力學(xué)》、《工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)》兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)的需要，又與風(fēng)機(jī)方向的專業(yè)知識相關(guān)聯(lián)。

（三）實驗教學(xué)方法的改進(jìn)

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法是教師怎么教授，學(xué)生就怎么復(fù)制，機(jī)械性地重復(fù)。學(xué)生積極性不高。而對于在熱流體數(shù)值實驗臺上做實驗的學(xué)生來說，想要完全地照搬實驗規(guī)程，恐怕有難度。老師講解時，一般是講起實現(xiàn)原理，并且舉一個例子（不可能把每一種情況都提到）。學(xué)生根據(jù)原理，自由發(fā)揮。

學(xué)生必須從熱流體數(shù)值實驗臺里選取合適的實驗儀器自己搭建某一個實驗平臺（熱流體數(shù)值實驗臺對于每一個實驗都會提供幾十種甚至上百種可相互替代但效果不相同的虛擬儀器）。只要不抄襲，每個同學(xué)搭建的虛擬實驗平臺都很難重復(fù)，更何況，實驗平臺搭建后還要自己選取合適的模擬分析方法也存在差異。比如說究流體在研究不同管道的損失機(jī)理時，學(xué)生在搭建實驗平臺時，有的學(xué)生搭建的實驗對象：第一段是直管（直徑可自選，材料也可自選），第二段是彎管（彎管方向可變），第三段開一個小孔，第四段變直徑等等。也有的學(xué)生第一段選彎管，第二段直管，第三段管道突擴(kuò)等等。通過數(shù)值虛擬實驗平臺可以搭建無數(shù)種可行的虛擬實驗平臺。

當(dāng)然，學(xué)生在搭建虛擬實驗平臺時可能會出錯，但不要緊?？梢灾匦聛?。不用擔(dān)心閥門拆了裝，裝了拆會出現(xiàn)漏隙，不用擔(dān)心重復(fù)搭建會損壞儀器。

虛擬實驗平臺搭建好之后，學(xué)生可根據(jù)老師所講的實驗原理選取合理的軟件模擬方法。這是最有意思的地方了。很多學(xué)生把參數(shù)，實驗條件虛擬加入到實驗平臺后，會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果?？赡苣莻€地方流體損失過多，可能都不能夠六流到最后，學(xué)生只能從搭建實驗平臺重新開始。有的學(xué)生在模擬過程中會發(fā)現(xiàn)各種各樣的實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)論，這些現(xiàn)象和結(jié)論可能是老師也不能預(yù)見的。因為老師不可能把所有可能的實驗平臺都搭建到。從實驗教學(xué)中，老師也可以增長不少“見聞”。

這樣一來，學(xué)生覺得既有壓力又有意思。壓力是所有的實驗過程每個人都必須會，如果不會，實驗不能完成 。不像以前，一組10個學(xué)生，只要有一個學(xué)生會了其他人抄抄數(shù)據(jù)就行了。讓人覺得興奮的是，實驗過程與現(xiàn)象、結(jié)論不再千篇一律，每一個學(xué)生都可以展開想象的翅膀自由發(fā)揮。甚至其實驗?zāi)M方案可能優(yōu)于老師，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性。

（四）改進(jìn)實驗成績評定方式

老師根據(jù)每一個實驗特點，確定該實驗的評分細(xì)則。比如說對于研究不同管道的損失機(jī)理實驗時，可以規(guī)定實驗臺搭建總分40分（搭建合理35-40分，比較合理25-35分，基本合理20-25分，有錯誤重做），模擬現(xiàn)象描述20分，

軟件分析總分40分（分析方法合適，結(jié)論合理35-40分，方法有待優(yōu)化30-50分，方法未出原則性錯誤20-25分，方法出現(xiàn)大錯重做）。這樣老師的評分有理有據(jù)又合理，學(xué)生得到公平對待才能有積極性。

四、結(jié)論

通過上面的分析可看出，對于風(fēng)機(jī)方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課的實驗教學(xué)，可以通過對驗儀器的虛擬改造，對實驗內(nèi)容的優(yōu)化，實驗方法和實驗成績評定的改進(jìn)提高學(xué)生的實驗積極性、激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，從而達(dá)到實驗的教學(xué)目標(biāo)與效果。

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（作者單位：湖北省武漢市 武昌工學(xué)院機(jī) 械工程學(xué)院）