流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)探索與啟示

李正一 宋洪慶

[摘 要] 針對(duì)北京科技大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際教學(xué)需要和課程體系教學(xué)改革的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的辦法，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了教學(xué)探索，指明了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)講授和改革的正確方向。

[關(guān)鍵詞] 流體力學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);線上線下;教學(xué)探索

[基金項(xiàng)目] 北京科技大學(xué)本科教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JG2019M03）;北京科技大學(xué)“十三五”規(guī)劃教材建設(shè)項(xiàng)目（JC2018YB008）

[作者簡(jiǎn)介] 李正一（通信作者）（1982—），男，河北唐山人，碩士研究生，工程師，主要從事流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究;宋洪慶（1982—），男，遼寧大連人，博士研究生，教授/博士生導(dǎo)師，主要從事流體力學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）31-0251-02? ? [收稿日期] 2020-01-03

一、前言

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)重要分支，具有廣泛的工程應(yīng)用背景，在建筑環(huán)境工程、能源工程、環(huán)境工程、材料科學(xué)、生命科學(xué)、機(jī)械工程、土木工程等多個(gè)工業(yè)門類中具有廣泛應(yīng)用。北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院流體力學(xué)專業(yè)研究方向以流體力學(xué)理論與滲流科學(xué)研究為基礎(chǔ)，并與工程實(shí)際緊密結(jié)合，主要進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)技術(shù)、滲流、環(huán)境流體力學(xué)、物理-化學(xué)流體力學(xué)、工業(yè)流體力學(xué)等方面的研究。該專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是“擁有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論、寬廣的專業(yè)知識(shí)，掌握力學(xué)計(jì)算分析方法和軟件、力學(xué)相關(guān)測(cè)試方法與技能，具備創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合型人才”。

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)院各個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)課，是很多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)。通過(guò)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)，針對(duì)交叉學(xué)科實(shí)際問(wèn)題，利用流體力學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行建模研究，與工程實(shí)際進(jìn)行對(duì)比分析，培養(yǎng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)應(yīng)用能力、探究性學(xué)習(xí)能力，對(duì)擴(kuò)展學(xué)生的創(chuàng)新性思維具有重要的意義。在流體力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)于教學(xué)質(zhì)量的影響具有十分重要的影響，對(duì)流體力學(xué)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解和掌握起到了無(wú)法替換的作用，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)引起到高校教師的足夠重視[1]。因?yàn)閷W(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的熟練程度，以及動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，都與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，甚至也會(huì)影響到學(xué)生就業(yè)后對(duì)專業(yè)知識(shí)的靈活運(yùn)用[2]。本文就流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中存在的問(wèn)題，提出解決方案，并對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行相應(yīng)探索，進(jìn)而確定流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程講授的正確方向。

二、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一。我校流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)項(xiàng)目主要包括水靜壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和油密度測(cè)定、雷諾實(shí)驗(yàn)、伯努利實(shí)驗(yàn)。開設(shè)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的目的是要求學(xué)生掌握用測(cè)壓管測(cè)量流體靜壓強(qiáng)的技能，會(huì)驗(yàn)證不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程;熟悉并掌握層流、紊流兩種流態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與動(dòng)力學(xué)特性;釋“體積法”測(cè)流量的方法，能夠刻畫彎道水流壓強(qiáng)分布規(guī)律等。這些實(shí)驗(yàn)均為傳統(tǒng)的流體力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，且教學(xué)內(nèi)容過(guò)于單一。由于實(shí)驗(yàn)空間、硬件設(shè)施、實(shí)驗(yàn)教師人員等方面的限制，導(dǎo)致一些綜合型、設(shè)計(jì)型的流體力學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)無(wú)法開設(shè)?，F(xiàn)有流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理、注意事項(xiàng)、思考題等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致講解，之后將授課學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，要求每位學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)與小組組員或者指導(dǎo)老師進(jìn)行溝通解決，按時(shí)記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師根據(jù)每位學(xué)生的課堂表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)學(xué)生的綜合成績(jī)進(jìn)行評(píng)判。雖然每位學(xué)生都能從實(shí)驗(yàn)中學(xué)到很多技能和知識(shí)，但是由于開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少，不能在最大程度上發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性[3，4]，而且學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力無(wú)法展現(xiàn)。

2.學(xué)校教學(xué)設(shè)備笨重。我校作為引領(lǐng)國(guó)家鋼鐵行業(yè)發(fā)展，支撐國(guó)家工業(yè)化建設(shè)的典型高校，現(xiàn)擁有1個(gè)國(guó)家科學(xué)中心，1個(gè)“2011計(jì)劃”協(xié)同創(chuàng)新中心，2個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2個(gè)國(guó)家工程（技術(shù)）研究中心，2個(gè)國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)，2個(gè)國(guó)家級(jí)國(guó)際科技合作基地，50個(gè)省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程研究中心、國(guó)際合作基地、創(chuàng)新引智基地等。但是學(xué)校場(chǎng)地技術(shù)條件有限，眾多實(shí)驗(yàn)室和基地的教學(xué)設(shè)備過(guò)于笨重，教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容老舊。一方面給學(xué)校教師授課帶來(lái)了困擾，教師在操作這些笨重的設(shè)備時(shí)，時(shí)常遇到難以掌控機(jī)器、設(shè)備不夠靈敏等問(wèn)題，也在一定程度上影響教學(xué)質(zhì)量;另一方面妨礙學(xué)生聽課情緒，降低了學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)設(shè)備的好奇心。所以應(yīng)考慮引進(jìn)一些小型化、智能化的教學(xué)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地的高效利用。

3.線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源過(guò)少。當(dāng)今時(shí)代學(xué)生可以利用慕課等網(wǎng)絡(luò)資源自行安排時(shí)間自主學(xué)習(xí)，突破了課堂實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)受限的弊端，科學(xué)設(shè)置時(shí)間，大大提高學(xué)習(xí)效果。實(shí)驗(yàn)課程研究型教學(xué)，也稱研討式教學(xué)，是指實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師以課程內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)識(shí)積累為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地運(yùn)用知識(shí)和能力，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、研究問(wèn)題和解決問(wèn)題，在研討中積累知識(shí)、培養(yǎng)能力和鍛煉思維的新型教學(xué)模式。無(wú)論慕課等線上“金課”，還是研究型教學(xué)等線下“金課”，目前只是針對(duì)本科教育教學(xué)方法提出的線上或線下的創(chuàng)新型教育教學(xué)方法，學(xué)生依舊會(huì)出現(xiàn)學(xué)完慕課后就忘記實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，或者完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中的研究?jī)?nèi)容后，仍無(wú)法真正掌握實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，達(dá)不到“吃透會(huì)用”的效果。

三、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

1.增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。我校流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，從源頭入手，著力解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一的問(wèn)題。首先，購(gòu)置擁有性能先進(jìn)的MTS巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)、電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)、EH-4大地連續(xù)電導(dǎo)率成像系統(tǒng)、多尺度多相流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、復(fù)雜介質(zhì)微細(xì)觀動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、多場(chǎng)耦合測(cè)試與仿真模擬系統(tǒng)、高溫高壓多介質(zhì)流動(dòng)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)研究型流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。其次，采取增加實(shí)踐性流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的辦法，進(jìn)而解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目過(guò)少的問(wèn)題。

2.加大對(duì)線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的投入。通過(guò)慕課、微信群、在線問(wèn)卷調(diào)查等線上線下方法，對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容、課程評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)反饋，不斷優(yōu)化完善。學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)資源自行安排時(shí)間自主學(xué)習(xí)，避免了課堂學(xué)習(xí)受限的弊端，有效降低投入成本。

3.開展廣泛的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。我校流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室與國(guó)內(nèi)外同行開展了眾多的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，提高了實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)外的影響力。2019年，實(shí)驗(yàn)室先后接待前來(lái)參觀和進(jìn)行技術(shù)交流的學(xué)術(shù)團(tuán)體30余次;組織國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議15次，參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議40余人次。不僅如此，實(shí)驗(yàn)室所在團(tuán)隊(duì)還與美國(guó)斯坦福大學(xué)、美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)、沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)、美國(guó)北達(dá)科他大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)外知名機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期開展學(xué)術(shù)合作、交流及人才聯(lián)合培養(yǎng)計(jì)劃。

四、結(jié)語(yǔ)

百年大計(jì)，教育為本;高教大計(jì)，本科為本。增強(qiáng)本科教育是提高國(guó)民素質(zhì)，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，增強(qiáng)中華民族創(chuàng)新創(chuàng)造力的重要基石，對(duì)實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興具有決定性意義。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是我校建筑環(huán)境、土木、礦業(yè)、能源應(yīng)用學(xué)科的基礎(chǔ)，在國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究中起到了重要的支撐作用。通過(guò)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生高尚情操，鍛煉了他們獨(dú)立解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力，使學(xué)生及時(shí)接觸到最新的技術(shù)和理論，提高了學(xué)生對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知層次，將有助于學(xué)生成為德才兼?zhèn)?、視野廣闊的德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義合格建設(shè)者和可靠接班人。

參考文獻(xiàn)

[1]吳瓊，王文歡，劉海龍，任洪波.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索[J].教育教學(xué)論壇，2016（42）：124-125.

[2]陳俊俊，龐赟佶，王曉彤，劉素霞.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)流體力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2016（16）：225-226.

[3]朱暉，張智明，王毅剛.實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)法在流體力學(xué)課程中的創(chuàng)新與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2019（40）：3-4.

[4]祝會(huì)兵，戴文琰，李建.工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2008（02）：107-109.