工科院校流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法的實(shí)踐探索

隋秀香

[摘 要]流體力學(xué)是工科院校重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在鞏固理論知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)踐能力和增強(qiáng)研究創(chuàng)新等方面發(fā)揮著重要作用。本文從合格人才培養(yǎng)出發(fā)，分析工科院校流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與方法上存在的問(wèn)題。介紹了中國(guó)石油大學(xué)（北京）流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、學(xué)科交叉關(guān)聯(lián)、實(shí)踐應(yīng)用轉(zhuǎn)化、前沿技術(shù)滲透等方面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，為培養(yǎng)新時(shí)代的科技創(chuàng)新人才提供參考。

[關(guān)鍵詞] 工科院校;流體力學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中國(guó)高等教育質(zhì)量報(bào)告指出，社會(huì)對(duì)高校畢業(yè)生的實(shí)踐能力、動(dòng)手能力等相關(guān)評(píng)價(jià)較低，高等教育在創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力培養(yǎng)等方面存在短板[1]。具體表現(xiàn)是：工程性缺失和實(shí)踐教學(xué)薄弱問(wèn)題長(zhǎng)期未得到解決;人才培養(yǎng)模式單一，多樣性和適用性欠缺;評(píng)價(jià)體系導(dǎo)向重論文、輕設(shè)計(jì)、缺實(shí)踐[2]。這些都與當(dāng)前合格人才培養(yǎng)、社會(huì)對(duì)人才的要求不相適應(yīng)。

流體力學(xué)是建立在理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算三大支柱上的一門課程，在我國(guó)工科類高校已形成相對(duì)穩(wěn)定的課程體系[3]，是很多專業(yè)，如石油工程、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程、熱能與動(dòng)力工程等重要專業(yè)的基礎(chǔ)課。流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論和物理概論比較抽象，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)借助于看得見(jiàn)、摸得著的儀器設(shè)備，以及生動(dòng)靈活的學(xué)習(xí)方式在理論知識(shí)學(xué)習(xí)、增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)和激活理論等方面無(wú)法替代[4]，因此，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)、深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能使課堂教學(xué)跨上更高臺(tái)階。

傳統(tǒng)的流體實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在如下問(wèn)題：注重實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理論驗(yàn)證，忽視實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的關(guān)聯(lián)銜接，忽視理論知識(shí)向工程應(yīng)用的自然過(guò)渡;倡導(dǎo)實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)，忽視實(shí)踐中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的開(kāi)發(fā)，忽視對(duì)學(xué)生科學(xué)視野的提升和拓寬。

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)作為石油高校必修的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，其理論和實(shí)踐與石油工業(yè)的上下游聯(lián)系緊密，是一門理論性、技術(shù)性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。中國(guó)石油大學(xué)（北京）流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室借助于國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和北京市級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心的支持，在多年的工作中，在教學(xué)內(nèi)容方面積累了一些行之有效的方法，并取得了很好的效果。

一、合理布局實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)理論知識(shí)的關(guān)聯(lián)和提升

課堂教學(xué)永遠(yuǎn)是高等教育最重要的環(huán)節(jié)，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為課堂教學(xué)的一部分，具有實(shí)驗(yàn)種類多樣，方式靈活生動(dòng)的特點(diǎn)，其學(xué)習(xí)模式深受學(xué)生喜歡。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)之一是充分利用自身優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鞏固強(qiáng)化課堂知識(shí)，并將流體力學(xué)的各部分知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，使之形成完整的知識(shí)鏈[5]，為課堂教學(xué)注入新的活力。因此，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，鞏固強(qiáng)化課堂知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的關(guān)聯(lián)和認(rèn)知的漸進(jìn)提升，為課堂理論提供實(shí)踐支撐，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)不懈的追求，也是決定教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系非常廣泛，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的融會(huì)貫通能力。為此，按照理論內(nèi)容、關(guān)聯(lián)時(shí)序、層層遞進(jìn)等規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)編排，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目歸成五個(gè)板塊，如圖1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)序框圖所示。

圖1中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本遵循了理論驗(yàn)證、逐步提高的思路來(lái)安排的。但光有內(nèi)容安排顯然不夠，教師還要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)啟發(fā)，鼓勵(lì)學(xué)生認(rèn)真思考，主動(dòng)關(guān)聯(lián)。比如，恒定總流基本方程實(shí)驗(yàn)板塊中，文丘里測(cè)流量和伯努利方程的聯(lián)系;流動(dòng)阻力及能量損失板塊和恒定總流基本方程的關(guān)系等。通過(guò)啟發(fā)引導(dǎo)，同學(xué)對(duì)板塊內(nèi)知識(shí)、板塊之間知識(shí)的密切聯(lián)系有了深刻理解，不僅促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課堂理論的理解鞏固，也實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的銜接和認(rèn)知的提升。

好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅能幫助學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鞏固課堂理論知識(shí)，還能提高其實(shí)踐動(dòng)手能力，促進(jìn)知識(shí)之間的融合銜接，對(duì)于學(xué)生掌握知識(shí)，應(yīng)用知識(shí)，促進(jìn)知識(shí)的活學(xué)活用具有重要的作用。

二、強(qiáng)化理論向?qū)嵺`應(yīng)用轉(zhuǎn)化

工程實(shí)踐是工科類學(xué)生培養(yǎng)體系的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的教育模式傾向于理論知識(shí)的灌輸傳授，不注重理論與實(shí)踐的相互關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致理論與實(shí)踐存在脫節(jié)現(xiàn)象[6]。為了彌補(bǔ)這一缺憾，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)就要在設(shè)計(jì)上力爭(zhēng)最大程度地體現(xiàn)理論與工程實(shí)踐的統(tǒng)一，逐步解決中國(guó)高等教育質(zhì)量報(bào)告指出的大學(xué)生實(shí)踐能力欠缺這一問(wèn)題。

流體力學(xué)知識(shí)在工程中的應(yīng)用極其廣泛，如果在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將流體知識(shí)與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系起來(lái)，不僅能鞏固所學(xué)流體知識(shí)，也能樹(shù)立理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用相統(tǒng)一的思維，使流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)更好發(fā)揮其紐帶和傳承作用。

在工程實(shí)踐中，流量測(cè)量手段多種多樣，其中，文丘里傳感器測(cè)流量被廣泛使用。雷諾實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)具有代表性的實(shí)驗(yàn)，流量測(cè)量是其中的重要參數(shù)。因此，在雷諾實(shí)驗(yàn)中，將流量測(cè)量設(shè)計(jì)成用文丘里計(jì)進(jìn)行測(cè)量，由前面可知，文丘里測(cè)流量既是必做的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，在理論上也是伯努利方程的具體應(yīng)用。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，將課堂理論、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、工程應(yīng)用關(guān)聯(lián)起來(lái)，達(dá)到了“穿針引線”的效果，使理論、實(shí)驗(yàn)和工程之間產(chǎn)生良性互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了1+1>2的效果，對(duì)學(xué)生的啟發(fā)影響意義深遠(yuǎn)。其實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間不僅有理論銜接還有具體的實(shí)踐應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要充分引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)實(shí)現(xiàn)理論向?qū)嵺`應(yīng)用的過(guò)渡，避免了理論知識(shí)被“石化”，對(duì)于拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)思維具有積極的意義。

三、借助科技創(chuàng)新，促進(jìn)理論向工程研究轉(zhuǎn)化

每個(gè)行業(yè)都有其自身的特點(diǎn)，石油工業(yè)從上游到下游都與流體流動(dòng)息息相關(guān)。石油高校面向石油行業(yè)培養(yǎng)人才，而石油行業(yè)具有系統(tǒng)龐大、學(xué)科交叉、技術(shù)更新快等特點(diǎn)[2]。借助于大學(xué)生科技創(chuàng)新平臺(tái)，充分利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能幫助學(xué)生充分利用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)踐中遇到的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。逐步解決高等教育在創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力培養(yǎng)等方面存在的問(wèn)題。

大學(xué)生的科技創(chuàng)新要堅(jiān)持學(xué)生為主體，教師承擔(dān)指導(dǎo)作用，但不替代學(xué)生思考。要引導(dǎo)學(xué)生以所學(xué)書本知識(shí)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際，解決工程問(wèn)題，同時(shí)讓學(xué)生了解學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域最新的研究成果，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科技創(chuàng)新的正確認(rèn)識(shí)。

中國(guó)石油大學(xué)（北京）流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室為鼓勵(lì)大學(xué)生的科技創(chuàng)新，緊緊結(jié)合石油工程的工程問(wèn)題和實(shí)踐應(yīng)用，建立自循環(huán)流動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生可以觀察研究氣液兩相流動(dòng)，研究流動(dòng)特性，研究早期氣體侵入的檢測(cè)等，以便充分認(rèn)識(shí)鉆井過(guò)程中的流動(dòng)問(wèn)題，為安全鉆井和井控實(shí)施提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支持。

大學(xué)生的科技創(chuàng)新不僅幫助學(xué)生將課堂理論向工程研究滲透，也提高了他們對(duì)探索油氣流動(dòng)奧秘的決心和信心。通過(guò)具體的科技創(chuàng)新項(xiàng)目，能挖掘?qū)W生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新欲望[ ]，激勵(lì)他們活學(xué)活用所學(xué)知識(shí)和技能，主動(dòng)學(xué)習(xí)，努力思考，培養(yǎng)學(xué)習(xí)和研究的成就感、自豪感。

四、透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，擴(kuò)大知識(shí)的交叉聯(lián)系

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，學(xué)科之間的聯(lián)系愈加緊密。大學(xué)階段是思想最活躍，創(chuàng)新思維最容易建立的時(shí)期，必須引導(dǎo)學(xué)生重視和加強(qiáng)學(xué)科之間的交叉聯(lián)系，主動(dòng)建立知識(shí)之間的網(wǎng)格化關(guān)聯(lián)和發(fā)散性思維，避免禁錮了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

為使學(xué)生加深對(duì)抽象概念的感性認(rèn)識(shí)和擴(kuò)大知識(shí)面，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)建有多種演示型實(shí)驗(yàn)，包括流動(dòng)現(xiàn)象演示、水擊綜合演示等，這些演示型實(shí)驗(yàn)生動(dòng)直觀，深受學(xué)生喜愛(ài)。

在流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)近距離觀察突然擴(kuò)大段、突然收縮段的平面流動(dòng)圖像，觀察突擴(kuò)段出現(xiàn)的較大漩渦區(qū)，和突縮段出現(xiàn)的較小漩渦區(qū)，借此理解突擴(kuò)段和突縮段的水頭損失差異以及在工程中的影響。借此，學(xué)生能很好地認(rèn)識(shí)在局部水頭損失的實(shí)驗(yàn)中，水頭損失產(chǎn)生的原因和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的由來(lái)。將理論以一種更為生動(dòng)的方式展示出來(lái)，對(duì)促進(jìn)學(xué)生理解消化課堂理論有積極作用。

測(cè)量技術(shù)課程是很多工科院校不可或缺的重要課程，測(cè)量技術(shù)已經(jīng)滲透到石油工業(yè)的每一個(gè)角落，而且影響愈來(lái)愈大。在流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以觀察到單圓柱繞流出現(xiàn)的卡門渦街現(xiàn)象，借此可以了解卡門渦街傳感器的測(cè)量原理，并推斷工程中使用該種測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)和局限性。通過(guò)流動(dòng)演示，真正實(shí)現(xiàn)透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的效果，不僅向?qū)W生揭示了流動(dòng)的奧秘，還激發(fā)他們利用所學(xué)知識(shí)向其他領(lǐng)域積極拓展的作用。

五、跟蹤行業(yè)的前沿技術(shù)動(dòng)態(tài)

大學(xué)生思維活躍，接受新生事物能力強(qiáng)，大學(xué)期間是培養(yǎng)一個(gè)人思維特點(diǎn)的關(guān)鍵時(shí)期。大學(xué)教育除了傳授知識(shí)，更要下大力氣培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新事物、新技術(shù)的興趣，使掌握新技術(shù)、研究新內(nèi)容成為他們終生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和追求目標(biāo)。

目前的石油工業(yè)在技術(shù)方面達(dá)到了前所未有的水平，一些前沿的科技進(jìn)展叫人刮目相看，讓學(xué)生了解前沿的科技動(dòng)態(tài)，能開(kāi)闊他們的眼界和視野，提高認(rèn)識(shí)和拓寬思維，在以后的工作和學(xué)習(xí)中向著更高的目標(biāo)努力。

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)畫演示分兩種，一是根據(jù)科研成果編制的動(dòng)畫，二是聯(lián)合科研院所針對(duì)前沿技術(shù)編制的動(dòng)畫。例如，根據(jù)羅家寨16號(hào)惡性井噴事故的研究結(jié)果制作的動(dòng)畫和科研院所編制的定向井鉆井測(cè)量技術(shù)的動(dòng)畫。前者模擬了鉆井過(guò)程中流體流動(dòng)的復(fù)雜情況，再現(xiàn)從井下氣體侵入到井噴發(fā)生的全過(guò)程，分析了井下流體流動(dòng)異常發(fā)生的根本原因。后者生動(dòng)展示了在定向井鉆井過(guò)程中，信號(hào)通訊、軌跡調(diào)整直至按照預(yù)期順利完成的全過(guò)程，其間也重點(diǎn)介紹了利用流動(dòng)的泥漿對(duì)鉆井液的壓力波信號(hào)進(jìn)行編碼和傳輸，這是目前隨鉆測(cè)量的重要信號(hào)傳輸方式，展示了流動(dòng)流體作為壓力信號(hào)的載體功能，其作用非同尋常。

多角度認(rèn)識(shí)和體會(huì)流體和流動(dòng)，對(duì)于啟發(fā)和激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和研究創(chuàng)造性具有極大的示范作用，對(duì)流體力學(xué)和專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)也提到了一個(gè)前所未有的高度。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)對(duì)科技創(chuàng)新型人才需求的增多，培養(yǎng)高素質(zhì)科技創(chuàng)新人才日益成為工科類高校的發(fā)展目標(biāo)。只有全方位、多角度深化人才培養(yǎng)方案，強(qiáng)化基礎(chǔ)理論，促進(jìn)向?qū)嵺`應(yīng)用轉(zhuǎn)化，提高科技創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)，才能為國(guó)家、為企業(yè)輸送一大批綜合素質(zhì)過(guò)硬、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高水平科技人才。

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