CAI在雷諾實驗教學(xué)中的應(yīng)用與探討

張若玫　蘭雅梅　李慶軍

摘要：文章探討基于CAI進(jìn)行學(xué)生雷諾實驗的教學(xué)改革，在分析雷諾實驗的基本原理和教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，對教學(xué)方法、教學(xué)工具等方面進(jìn)行了一系列改進(jìn)措施。改進(jìn)后的雷諾實驗教學(xué)有助于學(xué)生對原理的理解，提高了實驗效率和計算準(zhǔn)確度，優(yōu)化了實驗教學(xué)效果，提升了學(xué)生滿意度。

關(guān)鍵詞：CAI；流體力學(xué)；雷諾實驗

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0265-02

一、引言

實驗是理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)。它不僅是為了傳授學(xué)科知識、驗證學(xué)科理論、掌握實驗操作的基本技能，更著意于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、開拓意識、創(chuàng)新和動手能力。為適應(yīng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，擺脫煩瑣的實驗數(shù)據(jù)計算，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論的理解，深度挖掘?qū)W生運用理論解決實際問題的潛在能力，努力探索創(chuàng)新型的教學(xué)方法成為大學(xué)實驗改革的重點[1]。流體力學(xué)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程覆蓋了海洋漁業(yè)科學(xué)與技術(shù)、海洋環(huán)境、海洋技術(shù)、熱能動力工程、環(huán)境工程等專業(yè)。為了配合相關(guān)實驗課程的順利開展（包括針對部分專業(yè)的獨立實驗課程），各高校添置了多種類、多套數(shù)的多功能流體力學(xué)實驗裝置，確保完成流體力學(xué)的本科實驗教學(xué)任務(wù)[2]。與此同時，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法存在許多不足之處，有待改進(jìn)創(chuàng)新。例如，實驗效率低下、數(shù)據(jù)處理煩瑣且易出錯、學(xué)生掌握情況無法及時反饋、教師工作量大且重復(fù)性高等。這些都使得實驗教學(xué)效果大打折扣，不僅學(xué)生滿意度降低，而且教師的付出并未得到有效的產(chǎn)出回報。盡管設(shè)備的“硬件”實力已經(jīng)加強，但落后的“軟件”卻制約著實驗教學(xué)效果的有效提升，無法達(dá)到事半功倍的理想效果?；诖朔N情形，本文在2015—2016學(xué)年第二學(xué)期的實驗教學(xué)中，以“雷諾實驗”為例，采用計算機軟件輔助計算與分析。通過對2個專業(yè)3個班級共125名學(xué)生的調(diào)查問卷與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，新型方法的應(yīng)用，可以提高課堂效率40%以上，學(xué)生綜合滿意度達(dá)到95%。

二、雷諾實驗

英國科學(xué)家雷諾（O.Reynolds）在1883年經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在黏性流體中存在層流和湍流這兩種截然不同的流態(tài)。實驗發(fā)現(xiàn)，流動由層流至湍流的轉(zhuǎn)捩不僅僅取決于管內(nèi)的流速，而且與以下四個物理量：管內(nèi)的平均流速V、圓管直徑d、流體密度ρ及流體的動力黏度μ（或者運動粘度ν）組成的無量綱數(shù)有關(guān)，即雷諾系數(shù)Re。

由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，小于臨界值流動為層流，大于臨界值流動為湍流。實驗得出，臨界雷諾數(shù)為2300，用它來判斷流態(tài)是十分簡便的，只要計算出圓管中流動的雷諾數(shù)，便可確定流態(tài)。雷諾實驗的裝置如圖1所示[3]。

雷諾實驗的教學(xué)目的是通過改變水在管內(nèi)的速度，觀察流體流動過程的不同流態(tài)及其轉(zhuǎn)變過程，建立“層流和湍流”兩種流態(tài)的感性認(rèn)識，測定流態(tài)轉(zhuǎn)變時的臨界雷諾數(shù)。雷諾實驗的特點是數(shù)據(jù)量大，計算煩瑣。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式下，學(xué)生把主要時間都花在了數(shù)據(jù)處理方面，讓很多學(xué)生失去了學(xué)習(xí)流體力學(xué)的興趣。

三、雷諾實驗課程的CAI教改方案

CAI，被廣泛譯為“計算機輔助教學(xué)”，已基本得到教育界的認(rèn)可。CAI為學(xué)生提供一個良好的個人化學(xué)習(xí)環(huán)境。綜合應(yīng)用多媒體、超文本、人工智能和知識庫等計算機技術(shù)，克服了傳統(tǒng)教學(xué)方式上單一、片面的缺點。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時間、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目標(biāo)。

在傳統(tǒng)的雷諾實驗過程中，學(xué)生只是被動地觀察流動形態(tài)，簡單地記錄數(shù)據(jù)，然后花費大量課堂時間進(jìn)行計算以驗證雷諾數(shù)，沒有時間和老師主動探討實驗原理，積極分析問題和解決問題，容易挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。本文從兩個方面對雷諾實驗教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

1.教學(xué)模式改革。教學(xué)模式的改革服務(wù)于課程核心目標(biāo)從“使學(xué)生了解并掌握雷諾實驗基本概念”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆箤W(xué)生能夠觀察實驗、理解實驗和研究實驗”的根本目標(biāo)，為實現(xiàn)這個目標(biāo)將實驗內(nèi)容的結(jié)構(gòu)調(diào)整為雷諾實驗基本概念、雷諾實驗搭建和雷諾實驗測試三部分，每部分提出若干問題，編制《雷諾實驗指導(dǎo)書》，以指導(dǎo)手冊為基礎(chǔ)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“基于問題的學(xué)習(xí)”。課程教學(xué)時間分為視頻教學(xué)和實踐教學(xué)并行的兩部分，視頻教學(xué)時間以教師講授與小組討論的方式梳理學(xué)習(xí)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)；實踐教學(xué)時間學(xué)生帶著問題進(jìn)入，搭建實驗和測試?yán)字Z數(shù)，驗證理論、提煉理論。

2.教學(xué)工具改革。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式下，按照實驗報告冊上的既定步驟，學(xué)生可以在無須對理論知識了解很多的情況下就完成實驗和利用既定公式計算整理出實驗報告；其次，傳統(tǒng)實驗讓學(xué)生把主要時間花在煩瑣的數(shù)據(jù)計算方面，而不是放在加深對理論的理解和運用理論解決實際問題方面；再次，實驗作為對理論知識掌握程度的一種量度，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)形式下其反饋周期過長，不利于教師及時把握教學(xué)效果和教學(xué)進(jìn)程。因此，本文充分利用現(xiàn)代計算機技術(shù)，以上問題可以得到有效的解決：在硬件建設(shè)方面，所需要做的只是為實驗室添置一臺微機和多臺計算機終端，在軟件方面，利用計算工具創(chuàng)建雷諾實驗的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。編制該CAI時，本著形象、直觀、易操作的原則，只要輸入有關(guān)的測量數(shù)據(jù)，屏幕上便顯示出雷諾數(shù)的大小和管道中流體的流態(tài)。圖2和圖3分別是測量數(shù)據(jù)的輸入窗口和雷諾數(shù)的校準(zhǔn)圖。

四、CAI在雷諾實驗課程中的教學(xué)效果

1.鼓勵和指導(dǎo)對實驗感興趣又學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)入更深層次的實驗，實現(xiàn)理論與實驗課程的電腦化教學(xué)，可通過電腦觀看預(yù)習(xí)教學(xué)錄像，實驗課程講義，給學(xué)生提高動手能力和創(chuàng)新能力創(chuàng)造了條件。

2.運用先進(jìn)的實驗設(shè)計手段，通過CAI對雷諾實驗進(jìn)行模擬仿真，再進(jìn)行實驗的搭建和調(diào)試，讓學(xué)生更好掌握軟硬件結(jié)合設(shè)計實驗的流程和方法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

3.計算工具的改進(jìn)。通過CAI將學(xué)生從煩瑣的數(shù)據(jù)計算中解脫出來，可以快速理解實驗原理，準(zhǔn)確校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)，便于教師快速掌握學(xué)生實驗測量和計算情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹桂萍，孫杰，潘亮，閆亭亭.雷諾實驗的創(chuàng)新性教學(xué)[J].高師理科學(xué)刊，2011，（3）：110-112.

[2]蘭雅梅，王世明，宋秋紅，劉爽.工程流體力學(xué)課程體系的建設(shè)與完善[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2014，（15）：42-44.

[3]宋秋紅，夏泰淳，王世明，蘭雅梅.工程流體力學(xué)[M].第2版.上海交通大學(xué)出版社，2012：191-193.