新工科背景下流體動量方程實驗教學(xué)探索與建設(shè)

楊 嵩， 朱先勇， 于 萍， 王 輝， 王繼利

(吉林大學(xué) 機械與航空航天工程學(xué)院， 長春 130025)

0 引 言

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速進行，正催生并推動著新經(jīng)濟模式的蓬勃發(fā)展[1-2]。工程教育作為科技發(fā)展和應(yīng)用的加速器與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系、相互支撐。新工科教育正是在此背景下應(yīng)運而生的。新工科教育建設(shè)要堅持新工科專業(yè)孕育和現(xiàn)有工科專業(yè)改革創(chuàng)新并進的思路。交叉與融合成為工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的著力點和重大工程科技創(chuàng)新的突破點[3-8]。

基礎(chǔ)科學(xué)和基礎(chǔ)技術(shù)作為推動人類社會進步和發(fā)展的基本源泉，是人類智慧的結(jié)晶，是人類對生產(chǎn)生活過程中基本原理、方法的總結(jié)、精煉，是科學(xué)進步和技術(shù)發(fā)展的基石。流體力學(xué)作為研究流體(包含氣體、液體及等離子體)現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的基礎(chǔ)科學(xué)，其在推動科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進步方面發(fā)揮了廣泛且巨大的作用。其應(yīng)用范圍及交叉學(xué)科涵蓋物理學(xué)、化學(xué)、航空工程、機械工程、動力工程、礦業(yè)工程、醫(yī)學(xué)等諸多學(xué)科和領(lǐng)域[9-10]。流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容涵蓋基本概念、理論分析和科學(xué)實驗；教學(xué)體系包含理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分[11]。實驗教學(xué)作為鞏固理論知識認知、關(guān)聯(lián)工程實踐的中間環(huán)節(jié)，是基本理論檢驗和發(fā)展的手段，是培養(yǎng)學(xué)生知識與能力轉(zhuǎn)化、理論與實踐結(jié)合、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)養(yǎng)成的重要環(huán)節(jié)，是養(yǎng)成嚴謹求實科學(xué)態(tài)度的重要手段[11-12]。新產(chǎn)業(yè)、新科技需求帶給流體力學(xué)實驗教學(xué)帶來新的機遇和新的挑戰(zhàn)。將信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)與傳統(tǒng)的流體力學(xué)實驗相融合，建設(shè)具備交融性、創(chuàng)新性的人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系，不僅僅是適應(yīng)高等教育的發(fā)展趨勢，更是新工科背景下提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑[13]。

動量定律是流體力學(xué)的三大基本定律之一。動量定律的本身雖不復(fù)雜，但是作為基礎(chǔ)理論對流體力學(xué)理論知識延伸和以其為基礎(chǔ)的工程實踐應(yīng)用拓展有廣泛且深入的影響。水射流切削加工、渦輪機葉片高溫射流沖擊腐蝕、燃油噴射等高新技術(shù)均與流體動量理論相關(guān)聯(lián)[14-15]。選擇動量方程實驗作為研究對象，對探索新工科背景下流體力學(xué)實驗教學(xué)體系的改革方向和內(nèi)容建設(shè)有一定的參考和實際意義。

1 動量方程實驗

1.1 動量方程簡介

動量方程作為牛頓第二定律(動量定律)在流體力學(xué)中的一種表現(xiàn)形式，主要闡述流體動量變化與作用力之間的關(guān)系，表示作用于控制體內(nèi)流體的外力等于控制體在單位時間內(nèi)沿外力方向凈流出的動量(流出與流入的動量之差)，其歐拉表示法為：

?VρvdV+Aρv(vdA)

(1)

式(1)是動量定律的一般表現(xiàn)形式，針對教學(xué)、工程中的定常、不可壓縮、一元流動，其方程簡化為:

F=ρQ(β2v2-β1v1)

(2)

式中：F表示作用外力；ρ表示流體的密度；Q表示流體的流量；β1表示入流的動量修正系數(shù)；v1表示入流的流速；β2表示出流的動量修正系數(shù)；v2表示出流的流速。

1.2 動量方程實驗簡介

傳統(tǒng)的流體動量方程驗證實驗以動量定律實驗裝

置為工具，通過測量射流沖擊模型所受的沖擊反力、計算動量系數(shù)β，進而驗證不可壓縮流體恒定總流的動量定律[16]。學(xué)院實驗教學(xué)所使用的動量定律實驗裝置見圖1。

圖1 動量方程實驗裝置

1.3 傳統(tǒng)實驗存在的問題

實驗過程中考慮到實驗安全等因素，工作介質(zhì)多選擇水；通過改變?nèi)肓髁髁康姆绞綔y量不同流量條件下的射流沖擊力，驗證不同流量條件下的動量方程。對比式(2)可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實驗方法在實驗過程中只針對單一變量(流量Q)進行調(diào)整，通過實驗,學(xué)生只能分析獲得流量一個物理量對沖擊力的影響，無法真實感知其他物理變量(如流速u、工作介質(zhì)密度ρ)對射流沖擊力的影響，導(dǎo)致學(xué)生對動量方程理解的局限。工程實踐中，很多設(shè)備是基于動量方程中流速變化原理實現(xiàn)工作的，這種理解的局限部分限制了學(xué)生工程視野的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

依據(jù)筆者的實驗教學(xué)經(jīng)驗，現(xiàn)有動量方程實驗存在4點不足：① 方程中各物理量對沖擊力影響驗證不足；② 實驗設(shè)備及操作講解占用學(xué)時較長；③ 基于動量定律的工程應(yīng)用等擴展類、創(chuàng)新類內(nèi)容較少；④ 實驗考核方式單一。

2 教學(xué)建設(shè)目標與方法

針對實驗存在的不足，探索將信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入動量方程實驗中，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)境基礎(chǔ)上搭建數(shù)字環(huán)境，建設(shè)數(shù)字資源[17-18]。通過設(shè)計、制作動量方程數(shù)字化實驗課程，結(jié)合新的教學(xué)方法，突破實驗條件、實驗設(shè)備等約束，拓展實驗教學(xué)的時間及空間維度，提高實驗教學(xué)效率，改善實驗教學(xué)效果，構(gòu)建適合新工科需求的流體力學(xué)實驗教學(xué)方法[19]。

新的實驗教學(xué)采用數(shù)字實驗教學(xué)與真實物理實驗教學(xué)相結(jié)合的方式展開。通過虛實結(jié)合的方法，充分發(fā)揮兩種教學(xué)方法的優(yōu)勢，相互取長補短，保障并提高教學(xué)質(zhì)量，具體方法如圖2所示。

圖2 動量方程虛實結(jié)合實驗方案

3 教學(xué)資源建設(shè)

3.1 教學(xué)文件建設(shè)

教學(xué)文件是教學(xué)實施的指南與依據(jù)。其主要包含實驗教學(xué)大綱、實驗教案、實驗指導(dǎo)與報告幾部分。

(1) 實驗教學(xué)大綱。實驗教學(xué)大綱確定了實驗內(nèi)容、教學(xué)目標和學(xué)時分配，是實驗教學(xué)運行的“憲法”[20]。動量方程實驗為主要面向全校工學(xué)部3個學(xué)院4門課程(工程流體力學(xué)A、工程流體力學(xué)B、流體力學(xué)、水力學(xué)與橋涵水文)設(shè)置1～2個課內(nèi)教學(xué)學(xué)時的專業(yè)基礎(chǔ)實驗，采用2～4人/組使用1臺設(shè)備的形式開展實驗教學(xué)。實驗教學(xué)內(nèi)容增設(shè)虛擬實驗部分，虛擬實驗采用課外學(xué)時教學(xué)制，學(xué)生提交實驗申請后，根據(jù)各自情況自行登錄網(wǎng)站進行在線學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)時長無上限限制，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣點和知識薄弱點進行重復(fù)學(xué)習(xí)，學(xué)生通過虛擬實驗考評后，方可進入課內(nèi)實驗的學(xué)習(xí)。以工程流體力學(xué)A為例，其教學(xué)內(nèi)容分配如表1所示。

表1 動量方程實驗教學(xué)內(nèi)容

(2) 實驗教案。實驗教案是包含具體教學(xué)設(shè)計及安排的教學(xué)文書。動量方程實驗教案依據(jù)實驗教學(xué)大綱編寫，其中增加數(shù)字化實驗教學(xué)內(nèi)容。教案豐富了教學(xué)授課內(nèi)容，在保證基本授課內(nèi)容的基礎(chǔ)上，教師可以根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗進行擴展講解，這樣做既有效的避免了教師隨意授課導(dǎo)致的必要知識點漏講又保障了授課內(nèi)容的豐富性。

(3) 實驗指導(dǎo)與報告。實驗指導(dǎo)與報告是學(xué)生了解實驗，記錄、匯報實驗，教師了解學(xué)生實驗效果的文字材料。動量方程實驗指導(dǎo)與報告依據(jù)實驗大綱和實驗教學(xué)經(jīng)驗進行修訂；其中指導(dǎo)部分增設(shè)了安全操作規(guī)程和具體的操作步驟，保障實驗教學(xué)安全、順利地開展；報告部分增設(shè)思考題和工程拓展題，內(nèi)容緊扣虛擬實驗教學(xué)、物理實驗操作和各自專業(yè)方向的工程實踐拓展，在檢驗學(xué)生對基本知識、操作技能掌握程度的基礎(chǔ)上，注重激發(fā)學(xué)生在專業(yè)方向上的創(chuàng)新思維，讓基礎(chǔ)理論的“根”越扎越深，工程拓展的“花”越開越艷。

3.2 數(shù)字資源建設(shè)

數(shù)字教學(xué)資源是虛擬實驗順利開展的基礎(chǔ)。數(shù)字化實驗主要包含如下幾個方面的內(nèi)容：

(1) 運用多媒體技術(shù)對實驗的基本信息(目的、原理、儀器設(shè)備等)、實驗理論的工程拓展應(yīng)用，儀器設(shè)備的原理、操作流程、安全注意事項等進行講解[21]。為了簡單、充分、完整的表達相關(guān)信息，根據(jù)需要采用文字、圖片、視頻、動畫等方法，如圖2、3所示。

(a) 實驗原理界面圖(b) 實驗儀器介紹圖

圖2 實驗基本信息

圖3 實驗操作信息

(2) 運用人機交互功能實現(xiàn)實驗設(shè)備的真實物理實驗虛擬操作、工程拓展虛擬操作和虛擬實驗的考評工作。虛擬實驗全面數(shù)字化真實物理實驗的相關(guān)操作，學(xué)生通過虛擬操作，可以全面掌握實驗的操作流程及注意事項；以大量真實實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)構(gòu)建了誤差函數(shù)，誤差函數(shù)的引入，讓虛擬實驗與物理實驗的貼合度更強，如圖4所示。工程拓展虛擬實驗的引入目的在于讓學(xué)生了解動量方程的工程應(yīng)用，拓展學(xué)生的工程視野，此類工程應(yīng)用因安全等因素不宜在實驗教學(xué)中引入；動量方程的工程拓展虛擬實驗以動力設(shè)備中常見的燃油噴射裝置為范例，設(shè)置了不同工作介質(zhì)(汽油和柴油)和不同尺寸的噴嘴直徑選項，學(xué)生可選擇不同工作介質(zhì)、不同尺寸的噴嘴組成差異化的實驗組，通過實驗結(jié)果對比，感知不同實驗參數(shù)對沖擊力的影響，強化學(xué)生對基本理論在工程專業(yè)實踐中的應(yīng)用，如圖5所示。

圖4 真實物理實驗虛擬操作

圖5 工程拓展實驗虛擬操作

虛擬實驗考評和數(shù)字教學(xué)運行依托校虛擬仿真實驗教學(xué)中心的網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)選-學(xué)-做-評的一站式教學(xué)。

3.3 師資隊伍建設(shè)

師資隊伍是實驗教學(xué)實施的人員保障。為保證實驗教學(xué)工作的順利開展，建立了實驗教學(xué)團隊，采用課程負責(zé)人中心責(zé)任制。實驗教學(xué)團隊由不同層次的理論課教師、實驗課教師、信息化經(jīng)驗豐富的教師及助教共同組成，以高級職稱的教師組成指導(dǎo)委員會，對實驗指導(dǎo)、人員安排、效果評估進行實時跟蹤和指導(dǎo)。實驗教學(xué)團隊定期進行教學(xué)總結(jié)、培訓(xùn)和考核，確保實驗教學(xué)水平穩(wěn)步提高。

3.4 考核評價方法建設(shè)

動量方程的實驗考核評價方法由傳統(tǒng)的過分重視實驗操作和實驗報告的考評方法轉(zhuǎn)化為注重實驗教學(xué)全過程及工程能力拓展的綜合考評方法。綜合考評法的實驗成績由虛擬實驗考核成績、實驗操作、實驗報告提交成績、實驗態(tài)度及工程拓展成績5部分組成。其中數(shù)字虛擬實驗考核成績占25%，實驗操作占35%，實驗報告占15%，實驗態(tài)度占5%，工程拓展成績占20%，所有成績經(jīng)加權(quán)最終匯入流體力學(xué)課程的總成績。

4 教學(xué)應(yīng)用

動量方程數(shù)字化虛擬仿真實驗于2016年建成，并于2017年在校虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上線進行試運行。與傳統(tǒng)的物理實驗相協(xié)作，共同助力流體力學(xué)實驗教學(xué)?？紤]到現(xiàn)行本科培養(yǎng)方案和實驗教學(xué)大綱的執(zhí)行周期，新的實驗教學(xué)方法選擇部分課程、部分學(xué)生進行試驗性運行，教學(xué)反饋效果良好。

(1) 新教學(xué)模式的應(yīng)用，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，充實了實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)方法的多樣化和考評體系的完善有益于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、端正學(xué)習(xí)態(tài)度。

(2) 新教學(xué)方法的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中學(xué)生對理論方程、物理變量影響程度認識不充分、工程拓展方向模糊的不足。

(3) 虛擬實驗在幫助學(xué)生熟悉實驗設(shè)備、操作流程，減少盲目操作造成實驗設(shè)備損耗，降低教學(xué)運行成本方面發(fā)揮了積極的作用。

5 結(jié) 語

本文對新工科建設(shè)背景下流體動量方程實驗的改革和建設(shè)進行了探討。信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)實驗相融合教學(xué)方法更適合高校新工科建設(shè)的培養(yǎng)目標。新的教學(xué)方法中的“融合”不是簡單、機械地將虛擬實驗與傳統(tǒng)物理實驗相疊加，與之相對應(yīng)的是包含教學(xué)文件、師資隊伍、考評方法等一系列教學(xué)內(nèi)容、方式的改革和建設(shè)。虛擬實驗不僅僅是傳統(tǒng)物理實驗的數(shù)字化，其中更包含了工程拓展和工程創(chuàng)新的內(nèi)容和啟發(fā)。新的實驗教學(xué)模式有效地提高了實驗教學(xué)的效率和質(zhì)量。在新技術(shù)的助力下，學(xué)生可以結(jié)合自己的知識薄弱點和興趣點進行任意時間、任意地點的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新思考；教師從傳統(tǒng)的繁復(fù)的灌輸式教學(xué)中解放出來，可以將更多的時間和精力用于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，解決學(xué)生在實驗過程及創(chuàng)新過程中所遇到的問題；學(xué)與教的變革和重組，將改變傳統(tǒng)流體力學(xué)實驗教學(xué)體系，讓學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，搭建更高、更美的工程創(chuàng)新應(yīng)用大廈。