以問題為導(dǎo)向的流體力學(xué)實驗設(shè)計

滕桂榮 朱緒力 邢明錄

摘要創(chuàng)新是一個民族的靈魂，如何在本科教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，是高等學(xué)校的每一位教師應(yīng)該考慮的問題。流體力學(xué)實驗是流體力學(xué)課程重要的實踐環(huán)節(jié)，為在實驗教學(xué)過程中提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，我們采用了以問題為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計。以流體靜力學(xué)實驗為例，在常規(guī)的基礎(chǔ)性實驗對靜力學(xué)基本方程進行驗證的基礎(chǔ)上，以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生進行拓展性實驗，使學(xué)生在理解實驗原理的基礎(chǔ)上，對提出的問題進行思考討論，并自行設(shè)計實驗。通過以問題為導(dǎo)向的拓展性實驗?zāi)軌虼龠M學(xué)生學(xué)用結(jié)合，拉近理論與應(yīng)用的距離，有利于開啟學(xué)生的頭腦風(fēng)暴，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 流體力學(xué)實驗 創(chuàng)新思維 拓展性實驗 問題導(dǎo)向

中圖分類號：O35文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.17.018

Problem-oriented Fluid Mechanics Experimental Design

TENG Guirong[1]， ZHU Xuli[2]， XING Minglu[1]

（[1]College of Energy and Mining Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590；

[2].College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590）

AbstractInnovation is the spirit of a nationality. How to cultivate students’ innovative thinking is a problem that every schoolteacherin colleges oruniversitiesshouldbe considered. Experiment is an importantpartinfluidmechanics.During experiment teaching， experiments are designed as basic experiments and problem-oriented extended experiments. Taking thehydrostaticsexperimentasanexample，basicexperimentisusedtoverify thehydrostaticsbasicequation，theproblemoriented extended experiment is used to guide students thinking and discussing， and further designing the experiments by themselves. The expanded experiment can promote the combination of learning and application， open up students’ brainstorming， and improve students’ innovative ability.

Keywordsexperiment of fluid mechanics； innovative thinking； extended experiment； problem orientation

0引言

自十八大以來，習(xí)近平總書記在公開講話和報道中上千次的提到“創(chuàng)新”一詞，可見創(chuàng)新在國家發(fā)展、民族振興中的重要性。在新工科背景下創(chuàng)新驅(qū)動是大勢所趨，作為為國家發(fā)展不斷提供人才儲備和智力支持的高等學(xué)校，也越來越認識到創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要性。無論是技術(shù)創(chuàng)新還是知識創(chuàng)新，都離不開具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才，本科教學(xué)創(chuàng)新是關(guān)鍵。

流體力學(xué)是機械、采礦、土木、地質(zhì)、工程力學(xué)等專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程，在工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如采礦過程中的通風(fēng)、排水、壓氣，機械工業(yè)中的潤滑、冷卻、液壓傳動及控制，水利工程、采暖通風(fēng)、石油化工、航空航天等都需要依靠流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論，而流體力學(xué)實驗是流體力學(xué)教學(xué)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，提高學(xué)生的觀察分析能力、學(xué)用結(jié)合能力和創(chuàng)新思維能力具有重要的作用。

對于流體力學(xué)的實驗教學(xué)，很多學(xué)者做了大量探索性、研究性的工作，管新蕾等[1]通過創(chuàng)新流體力學(xué)實驗設(shè)備，加強對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)杜嬌嬌，楊國鑫等[2]對基礎(chǔ)性實驗進行了拓展與探索；吳正人等[3]對工程流體力學(xué)虛擬實驗平臺進行了建設(shè)與實踐；曹勇等[4]利用旋轉(zhuǎn)平臺模擬地球旋轉(zhuǎn)對流體流動的影響；黃彪等[5]探索了循環(huán)水洞測試技術(shù)在流體力學(xué)研究教學(xué)中的應(yīng)用；鄧輝等[6]采用研討課模式對流體力學(xué)實驗教學(xué)進行了改革；張慧晨[7]將流體力學(xué)實驗分成演示性、驗證性及設(shè)計性三類，構(gòu)建了階梯形工程流體力學(xué)實驗教學(xué)模式；姜楠，孫偉[8]總結(jié)了流體力學(xué)在液壓技術(shù)中的應(yīng)用。

前人的工作為流體力學(xué)的實驗教學(xué)拓展了思路，提供了有益的啟示。針對同學(xué)們普遍反映流體力學(xué)課程理論抽象，理論和實踐脫節(jié)的問題，我們在流體力學(xué)實驗教學(xué)中，開展了以問題為導(dǎo)向的流體力學(xué)實驗教學(xué)的探索和實踐。在實驗內(nèi)容上，將流體力學(xué)實驗分為基礎(chǔ)性實驗和拓展性實驗。其中拓展性實驗以問題為導(dǎo)向展開。兩類實驗內(nèi)容如圖1所示。本文以流體靜力學(xué)實驗為例說明以問題為導(dǎo)向的拓展性實驗的實施。

1以問題為導(dǎo)向的流體靜力學(xué)實驗設(shè)計

1.1流體靜力學(xué)基礎(chǔ)性實驗

流體靜力學(xué)基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容包括準確運用流體靜力學(xué)實驗設(shè)備對靜力學(xué)基本方程的驗證，掌握用測壓管測量流體靜壓強的技能，加深對位置水頭、壓強水頭、測壓管水頭、等壓面等概念的理解。

1.2流體靜力學(xué)拓展性實驗

拓展性實驗的目的主要是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)用結(jié)合能力和創(chuàng)新能力。在這部分實驗中指導(dǎo)老師圍繞實驗原理提出問題、加以引導(dǎo)。在靜力學(xué)拓展性實驗中提出了如下三個問題：

問題一利用現(xiàn)有的靜力學(xué)實驗設(shè)備測定某種與水互不混摻流體（如花生油、大豆油等）的密度，以下是學(xué)生給出的解決方案：

問題二讓學(xué)生觀察醫(yī)院里打點滴的吊瓶和家用飲水機的出流，提出的問題是無論吊瓶和水桶中的液位是深是淺，出口的流量是恒定不變的，請同學(xué)們自行畫出飲水機的工作原理。

通過查閱資料，學(xué)生弄明白了馬里奧特容器（圖5）恒定出流的原理。學(xué)生開展腦力風(fēng)暴，舉一反三，將馬里奧特容器倒過來，就是打點滴的吊瓶；加上閥門和加熱盤就成了可供常溫水和熱水的家用飲水機，如圖6、7所示。

問題三利用靜力學(xué)基本原理設(shè)計汽車油箱的液位觀測裝置，該問題考察流體靜力學(xué)中的連通器原理、帕斯卡原理、等壓面的概念等知識點。

學(xué)生的方案如圖8所示，并且加上自動控制的數(shù)字顯示儀，可以直接讀到液位高度，該裝置設(shè)計簡單，適用于觀察地下油庫、不透明容器的液位高度。

2結(jié)論

在流體力學(xué)的實驗教學(xué)中，學(xué)生通過實驗前預(yù)習(xí)、實驗課堂實際操作、課后數(shù)據(jù)處理等過程完成基礎(chǔ)性實驗，對基本原理進行驗證，加深對流體力學(xué)基本概念的理解。

通過以問題為導(dǎo)向的實驗設(shè)計，可極大的激發(fā)學(xué)生的好奇心和創(chuàng)新欲望。同學(xué)們通過查找資料尋去答案，并通過文字、圖表進行總結(jié)，并以此為契機，進行舉一反三。事實證明，以問題為導(dǎo)向的流體力學(xué)實驗設(shè)計能夠提高學(xué)生學(xué)用結(jié)合能力和創(chuàng)新思維能力。

項目資助：1.山東科技大學(xué)校級課程建設(shè)項目，《工程流體力學(xué)》在線課程建設(shè)；2.山東科技大學(xué)2020年教育教學(xué)研究“群星計劃”項目（項目編號：QX2020M03）；3.山東科技大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團隊建設(shè)計劃“基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)團隊”（JXTD20190501）

參考文獻

[1]管新蕾，高云鵬，王維等.創(chuàng)新流體實驗儀器，探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng).力學(xué)與實踐，2021，43（1）：135-138.

[2]杜嬌嬌，楊國鑫等.基礎(chǔ)性實驗的拓展與探索[J].實驗室科學(xué)， 2020，23（5）：37-39.

[3]戎瑞，吳正人，孫冬雷.“工程流體力學(xué)”虛擬實驗平臺的建設(shè)與實踐[J].實驗室科學(xué)，2020，23（4）：135-138.

[4]曹勇，孟靜，陳旭.地球流體旋轉(zhuǎn)平臺在流體力學(xué)實驗中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2019，22（3）：181-185.

[5]黃彪，陳倩，吳欽，等.基于循環(huán)水洞測試技術(shù)的流體力學(xué)研究教學(xué)應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2020，23（4）：5-8.

[6]鄧輝，張志宏，王沖.流體力學(xué)研討課模式實驗教學(xué)的研究[J].實驗室科學(xué)，2018，21（1）：118-120.

[7]張慧晨.階梯型工程流體力學(xué)實驗教學(xué)模式構(gòu)建[J].實驗室科學(xué)， 2017，20（6）：129-132.

[8]姜楠，孫偉.液壓技術(shù)中的流體力學(xué)[J].力學(xué)與實踐，2005，27（5）：83-85.

[9]滕桂榮，吳立榮等.流體力學(xué)實驗教程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2019.05.

[10]張明輝，滕桂榮等.工程流體力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.07.

[11]https：//old.pep.com.cn/czwl/xszx/tbxx/tb9/tb914/yd/201008/ t20100825_730879.htm.