創(chuàng)新流體實驗儀器，探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)1)

管新蕾 高云鵬 王 維 王利軍 晁 陽 何光艷

**(中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

?(徐州工程學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇徐州221018)

流體力學(xué)是熱能與動力工程、過程裝備與控制工程、土木工程、資源勘查工程等專業(yè)的必修課[1-2]，同時也是很多工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。流體力學(xué)是力學(xué)中的一個重要分支學(xué)科，主要研究流體的運動和平衡規(guī)律以及流體和固體之間、流體與流體之間力的相互作用規(guī)律。其內(nèi)容豐富，理論性強，對學(xué)生的物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，學(xué)習難度較大。而且學(xué)科本身具有理論和實踐緊密結(jié)合的特點，它的許多問題，即使能用現(xiàn)代理論分析與數(shù)值計算求解，最終還是要借助于實驗加以檢驗和修正。由此，實驗教學(xué)也成為學(xué)生掌握流體力學(xué)知識和技能尤為重要的一個教學(xué)環(huán)節(jié)[3]。然而，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的流體力學(xué)實驗大多采用以教師為主體的演示型教學(xué)模式，實驗選擇上也偏向于驗證性實驗[4]。學(xué)生基本只是依樣畫葫蘆式地進行實驗測量，在給定的實驗報告上填寫數(shù)據(jù)、計算結(jié)果，實驗課后思考千篇一律。更有甚者，為了與已有實驗結(jié)論相符，偶爾還存在拼湊數(shù)據(jù)的情況，而非仔細分析誤差的原因。長此以往會助長學(xué)生的惰性，使他們失去對專業(yè)的興趣和自主學(xué)習的意愿，專業(yè)技能與創(chuàng)新能力也很難有所提升[5-6]。另一方面，受客觀因素，如儀器設(shè)備經(jīng)費、實驗場地和實驗人員隊伍等制約，實驗教學(xué)儀器更新緩慢，設(shè)備老化及零部件損壞，嚴重影響實驗教學(xué)結(jié)果，使得教學(xué)效果大打折扣。而且隨著工程科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基礎(chǔ)課程的實驗教學(xué)也需要與時俱進，開設(shè)新的流體實驗項目，但目前市場上所購置的教學(xué)儀器相對固化單一、功能有限，不利于實驗教學(xué)的進一步拓展和創(chuàng)新。為適應(yīng)不同專業(yè)的教學(xué)目標，實驗教學(xué)的內(nèi)容和形式往往需要改造與創(chuàng)新。開發(fā)新實驗、研制新設(shè)備，若只是依靠實驗人員，人力有限，難以滿足實驗教學(xué)快速發(fā)展的需求[7-8]。

針對上述流體力學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題，我校能源與動力工程學(xué)科綜合訓(xùn)練中心嘗試與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等項目相結(jié)合，作為流體課程實驗教學(xué)的補充，組織學(xué)生對老舊的實驗教學(xué)儀器進行改良，開發(fā)新的實驗裝置，改造開發(fā)后的儀器設(shè)備投入下一屆的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，形成良性循環(huán)。

1 學(xué)生自主改造實驗儀器

在學(xué)生修完流體力學(xué)課程和課內(nèi)實驗后，實驗中心的教師精心選取若干個儀器設(shè)備改造專題。其涉及的儀器設(shè)備均是老化閑置，且通過重新設(shè)計創(chuàng)造能開發(fā)出新的教學(xué)實驗的設(shè)備。同時專題的設(shè)置也考慮到了學(xué)生現(xiàn)階段的專業(yè)基礎(chǔ)與知識能力，以及項目完成的工作量。學(xué)生自發(fā)成組、自由選題，教師分組指導(dǎo)學(xué)生改進流體實驗教學(xué)儀器。優(yōu)化過程主要分為以下四個階段：

(1) 前期準備階段。設(shè)計改造工作開展前，指導(dǎo)教師向?qū)W生簡單介紹需要改進優(yōu)化的實驗設(shè)備，提出預(yù)期目標和驗收標準，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備現(xiàn)存的問題。針對這些問題，學(xué)生自己查找資料、自行討論，提出解決辦法，設(shè)定實施方案，確定研制計劃，合理安排分工。學(xué)生制定的改造內(nèi)容和進展計劃，在實驗中心教師確認可行后，方才開始設(shè)計加工。

(2) 設(shè)計加工階段。面對實際的流體問題，學(xué)生采用理論計算或仿真模擬的方式，核算出配件的尺寸、安裝位置等參數(shù)，依據(jù)適用情況合理選型、確定數(shù)量，并對設(shè)計結(jié)果進行校核，繪制加工圖紙。指導(dǎo)教師審核設(shè)計說明書和圖紙，指出不合理或需改進之處，學(xué)生翻閱文獻、組內(nèi)討論，反復(fù)修改、完善。設(shè)計工作完成后，按照設(shè)計說明書和加工圖紙，在經(jīng)費預(yù)算的指導(dǎo)下，學(xué)生執(zhí)行采購或加工儀器設(shè)備的各組成部分。為了避免不必要的浪費，實驗中心的教師從旁指點、協(xié)助。

(3) 安裝調(diào)試階段。組內(nèi)成員相互配合，協(xié)作將購置或加工好的配件進行組裝，如涉及技術(shù)含量較高的裝配工作，由專業(yè)人員負責安裝。儀器設(shè)備安裝完畢后進行調(diào)試，如發(fā)現(xiàn)問題，討論解決方案，做局部調(diào)整，多次調(diào)試直至達到設(shè)計標準。

(4) 優(yōu)化驗收階段。成果驗收分為兩部分，一部分為實驗設(shè)備的驗收，學(xué)生講述各自承擔的工作，講解設(shè)計思路，并在實驗臺上實際操作。另一部分為實驗報告，學(xué)生按規(guī)范自主編寫實驗報告，不僅寫出實驗步驟、注意事項、詳細的數(shù)據(jù)處理，而且通過親身改造過程和實際測量結(jié)果分析誤差產(chǎn)生的原因。利用設(shè)計的成果，鼓勵學(xué)生申請專利或發(fā)表小論文。

2 實踐案例與人才培養(yǎng)

實驗中心的一臺流體力學(xué)多功能實驗臺，因設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理、實驗結(jié)果不理想而被長期擱置。中心教師與省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生對其進行改造開發(fā)。改造前期，學(xué)生先行熟悉實驗臺，了解預(yù)期所要開設(shè)的實驗，包括雷諾實驗、文丘里流量計、能量方程、局部和沿程阻力實驗，搜集并整理各個實驗的實驗原理與測試方法，以及實驗裝置的相關(guān)參數(shù)。指導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生對現(xiàn)有實驗臺進行試驗，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，探究實驗設(shè)備存在的缺陷。學(xué)生經(jīng)過多次組內(nèi)討論，總結(jié)歸納出四大問題：水泵型號不合適、管路、比壓計及水箱設(shè)計不合理，導(dǎo)致裝置能耗過多，實驗誤差過大。針對上述問題，組內(nèi)成員討論定下大致的整改方向，分配工作任務(wù)。在此過程中，不僅提升了同學(xué)們自主學(xué)習的積極性，還培養(yǎng)了他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，使其了解項目開展的常規(guī)流程，具備完成工程或科研項目的基本素養(yǎng)。在儀器設(shè)計階段，各成員分工協(xié)作。負責水泵選型的學(xué)生根據(jù)相關(guān)實驗裝置的參數(shù)，進行管路計算，確定水泵的揚程和流量等基本物理量，并結(jié)合實際使用訴求完成水泵選型。負責管路設(shè)計的學(xué)生重新設(shè)計實驗管道，布置測壓孔，計算不同閥門開度下的測壓管水頭，并對管道的設(shè)計與計算進行修正。設(shè)計比壓計的學(xué)生則查清漏水、氣塞的原因，根據(jù)測量需求確定比壓計類型并重新設(shè)計其外觀。水箱的優(yōu)化是通過仿真軟件，模擬水箱及管道入口處水流情況，尋找水流穩(wěn)定的最佳改造方案與最佳放置方式。這四部分的設(shè)計改造工作，在鞏固學(xué)生所學(xué)流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗測試與模擬仿真技術(shù)，給予了他們充分的自主性，培養(yǎng)了其勇于嘗試、勇于探索的創(chuàng)新精神。加工安裝階段，學(xué)生將設(shè)計成果繪制成CAD 裝配圖、撰寫設(shè)計說明，購置配件、自行動手加工安裝(圖1 和圖2)。該環(huán)節(jié)鍛煉了學(xué)生的動手和溝通能力，而且在他們與相關(guān)專業(yè)人員的交流中，不斷提升自己繪制裝配圖的規(guī)范性和嚴謹性，更讓他們清楚自己設(shè)計理念如何落地，由此增強了社會經(jīng)驗，為今后踏上工作崗位奠定堅實基礎(chǔ)。實驗臺安裝完畢后，項目組成員幾經(jīng)調(diào)試，設(shè)備運行正常，進行單項流體力學(xué)實驗，實驗結(jié)果與理論值相符，能反映流體力學(xué)的基本規(guī)律，滿足于實驗教學(xué)的日常需求，順利通過驗收。學(xué)生在此階段編寫實驗報告、做誤差分析，不再如傳統(tǒng)實驗?zāi)前惴笱?，突破了傳統(tǒng)撰寫實驗報告的方式，報告中加入了自己的設(shè)計思想、實驗心得，充分給予學(xué)生主動權(quán)，有效地訓(xùn)練他們對科學(xué)報告的撰寫能力。

圖1 學(xué)生安裝實驗設(shè)備現(xiàn)場照片

圖2 改造前后的實驗設(shè)備對比

3 結(jié)語

流體力學(xué)實驗教學(xué)儀器的優(yōu)化，不僅可以有效地推動實驗教學(xué)中心的建設(shè)和實驗教學(xué)水平的提高，而且給學(xué)生提供了接觸實際工程或科研項目的機會。通過改革與實踐，樹立以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，使學(xué)生在學(xué)習和實踐過程中擁有了更多的主動權(quán)和發(fā)揮空間；建立融知識傳授、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和科學(xué)素質(zhì)提高為一體的教育教學(xué)模式，加強實驗教學(xué)的綜合性、研究性、設(shè)計性、創(chuàng)新性和實踐性，全面培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、科學(xué)思維、實驗技能和創(chuàng)新能力；學(xué)生在與相關(guān)行業(yè)工程技術(shù)人員交流中，拓展專業(yè)眼界、夯實專業(yè)基礎(chǔ)，有助于實驗研究、實踐動手等綜合能力的提升；同時在此過程中還培養(yǎng)了同學(xué)們的團隊協(xié)作精神，推進了學(xué)生自主學(xué)習、合作學(xué)習和研究性學(xué)習。實踐證明，大力倡導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)實驗的開發(fā)與教學(xué)實驗儀器的研制，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型、研究型、復(fù)合型的工程技術(shù)人才。