研究生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探究

劉小林，岡敦殿，何 霖

（國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 引言

流體力學(xué)是力學(xué)學(xué)科的一個(gè)重要分支，流體力學(xué)課程一般也是航空航天、土木工程、能源動(dòng)力等專業(yè)本科生的必修課程[1]。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，作為流體力學(xué)課程的配套課程，是流體力學(xué)系列課程的重要組成部分。通過(guò)學(xué)習(xí)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，一方面能夠加深學(xué)生對(duì)流體力學(xué)相關(guān)原理與現(xiàn)象的理解，另外還能夠鍛煉學(xué)生動(dòng)手操作的能力[2-3]。對(duì)于國(guó)內(nèi)許多工科高校，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程通常是作為相關(guān)專業(yè)研究生的一門專業(yè)選修課程，課程對(duì)于研究生流體力學(xué)完整知識(shí)體系的構(gòu)建，以及日后的科研工作都具有非常重要的意義。

1 研究生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 研究生選課情況不相同，知識(shí)儲(chǔ)備差異大

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的先導(dǎo)課程包括空氣動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)、粘性流體力學(xué)等，選修流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的研究生需要一定的流體力學(xué)相關(guān)理論基礎(chǔ)。然而研究生一般來(lái)自不同本科院校，本科階段學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容差異較大。且對(duì)于一部分跨專業(yè)研究生而言，在本科階段甚至沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)流體力學(xué)相關(guān)課程，這導(dǎo)致研究生知識(shí)儲(chǔ)備差異較大。筆者對(duì)所在單位（國(guó)防科技大學(xué)）歷年來(lái)選修流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的研究生進(jìn)行學(xué)情調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其中約四分之一的學(xué)生前期都沒(méi)有流體力學(xué)相關(guān)學(xué)習(xí)經(jīng)歷；而另外大約四分之一的學(xué)生，他們?cè)诒究齐A段選修過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)等相關(guān)課程，并且還做過(guò)相關(guān)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)，具有較好的課程基礎(chǔ)。由此可見，研究生前期知識(shí)儲(chǔ)備兩極分化情況嚴(yán)重，如何兼顧不同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的研究生進(jìn)行教學(xué)，就成了研究生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須面對(duì)的難題。

1.2 授課內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系不夠密切，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要包括實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面，理論授課內(nèi)容一般包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法等。其中實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要講授的是風(fēng)洞、水洞等流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)常用設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)原理；而測(cè)量技術(shù)則主要介紹針對(duì)流體溫度、壓強(qiáng)以及流動(dòng)顯示等方面的測(cè)量技術(shù)，測(cè)量技術(shù)一般是課程重點(diǎn)講授的內(nèi)容。然而對(duì)于研究生，大多都面臨一定的科研課題任務(wù)。相對(duì)于本科生，他們除了了解原理之外，還需要具備運(yùn)用知識(shí)解決相關(guān)研究問(wèn)題的能力。筆者在實(shí)際授課過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的授課內(nèi)容一般側(cè)重在講解測(cè)量?jī)x器概念和原理等方面，這導(dǎo)致研究生對(duì)不同工程應(yīng)用場(chǎng)景中的測(cè)量?jī)x器設(shè)備如何選、怎么用等具體問(wèn)題仍然存在困惑。例如在講解溫度測(cè)量技術(shù)的時(shí)候，通常將授課的重點(diǎn)放在了講解熱電偶傳感器、熱電阻傳感器以及溫敏漆等測(cè)量技術(shù)的原理上面，但是對(duì)于典型的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，比如超聲速飛行器頭部駐點(diǎn)區(qū)域的溫度測(cè)量，許多研究生仍然不能夠準(zhǔn)確確定所需傳感器的量程、靈敏度以及最小分辨率等參數(shù)，不能夠制定出合理的具體測(cè)量方案。由于授課內(nèi)容缺少與實(shí)際工程應(yīng)用背景的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力得不到鍛煉，課堂趣味性降低，研究生學(xué)習(xí)積極性不高。

1.3 實(shí)驗(yàn)參與度低，學(xué)生缺乏動(dòng)手操作以及創(chuàng)新訓(xùn)練機(jī)會(huì)

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的另外一個(gè)重要內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。研究生在了解了相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理之后，還需要通過(guò)參與具體的實(shí)驗(yàn)，才能夠掌握相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能。然而筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，學(xué)生的參與度往往是較低的。這是因?yàn)榱黧w力學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要用到的儀器設(shè)備體積龐大，例如空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)中常用到的風(fēng)洞和激光器等，設(shè)備也普遍較昂貴。由于一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地等硬件條件的限制，不能夠保證每個(gè)學(xué)生能有一臺(tái)套完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行操作練習(xí)，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通常都是以教師講解和演示為主，然后只有少部分學(xué)生能夠自己動(dòng)手參與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程[4-5]。這樣的客觀因素大大降低了實(shí)驗(yàn)的參與度，學(xué)生缺乏了動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)停留在了解的階段，不能夠通過(guò)動(dòng)手訓(xùn)練掌握實(shí)驗(yàn)技能，提高實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，更加不能利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研究，這就使得流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣。

2 研究生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

針對(duì)上述一系列問(wèn)題，筆者對(duì)研究生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，并在筆者所在單位進(jìn)行了初步探索，相關(guān)的措施取得了一定效果，下面具體介紹筆者在研究生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些改革舉措。

2.1 結(jié)合研究生學(xué)情，合理進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)

針對(duì)研究生學(xué)員前期知識(shí)儲(chǔ)備差異明顯的特點(diǎn)，注重基礎(chǔ)知識(shí)鋪墊，合理進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)。在每次課前，首先對(duì)相關(guān)學(xué)情進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析學(xué)生是否具備相關(guān)的流體力學(xué)基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)且必要的流體力學(xué)概念掌握情況，對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行鋪墊。具體方式可以通過(guò)發(fā)放課前預(yù)習(xí)資料和在課前進(jìn)行流體力學(xué)知識(shí)回顧的方式進(jìn)行。例如在講解風(fēng)速管測(cè)量氣流速度的時(shí)候，一些研究生由于之前沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)課程，因此還沒(méi)有氣流總壓和靜壓的概念，在講解風(fēng)速管相關(guān)原理之前，先對(duì)總壓和靜壓的概念進(jìn)行講解，這樣可以讓沒(méi)有基礎(chǔ)的學(xué)生更容易理解相關(guān)內(nèi)容。由于學(xué)生前期基礎(chǔ)不同，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的接受能力也會(huì)有所差異，在課堂進(jìn)行過(guò)程中，基于雨課堂引入隨堂小測(cè)驗(yàn)，主要考查學(xué)生對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理的掌握情況。例如在講解PIV測(cè)量原理時(shí)，在課堂上考查學(xué)生對(duì)跨幀時(shí)間等參數(shù)設(shè)置的掌握情況，根據(jù)實(shí)際情況著重講解難點(diǎn)內(nèi)容。針對(duì)研究生前期知識(shí)儲(chǔ)備差異情況，通過(guò)采取上述方法，盡量讓每個(gè)學(xué)生都能夠真正學(xué)懂流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。

2.2 調(diào)整課程內(nèi)容密切聯(lián)系工程實(shí)際，緊跟研究前沿?zé)狳c(diǎn)

在課程內(nèi)容方面，除了講授常規(guī)的理論知識(shí)，盡量根據(jù)每種測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的工程應(yīng)用案例，讓學(xué)生通過(guò)運(yùn)用課堂所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如在講授完流動(dòng)顯示技術(shù)之后，引入高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩這樣一個(gè)研究課題，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，合理選擇相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)，并且分析相關(guān)技術(shù)在特定應(yīng)用場(chǎng)景中的適用性。除此之外，針對(duì)研究生群體，還需要緊跟目前相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，重點(diǎn)介紹前沿的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，從而拓展研究生的知識(shí)領(lǐng)域。例如在壓強(qiáng)測(cè)量章節(jié)，常規(guī)講授的內(nèi)容主要是介紹各種壓強(qiáng)傳感器，包括應(yīng)變式、壓電式和壓阻式傳感器等。采用傳統(tǒng)的壓強(qiáng)傳感器都只能夠?qū)﹄x散空間點(diǎn)上的壓強(qiáng)信息進(jìn)行測(cè)量，然而目前越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景中需要測(cè)量整個(gè)面的壓強(qiáng)分布，因此能夠同時(shí)測(cè)量整個(gè)面壓強(qiáng)分布的壓敏漆技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生。且隨著壓敏漆技術(shù)測(cè)試精度和響應(yīng)頻率的提高，它在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中運(yùn)用越來(lái)越廣。通過(guò)對(duì)以壓敏漆為代表的新興測(cè)試技術(shù)的重點(diǎn)講授，讓學(xué)生盡量了解領(lǐng)域內(nèi)的研究前沿，拓寬視野。

2.3 優(yōu)化課程授課形式，強(qiáng)調(diào)研究生自主學(xué)習(xí)

對(duì)于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，常規(guī)的授課方式仍然是以教師講授為主。但是這樣帶來(lái)的弊端是學(xué)生課堂參與度較低，學(xué)習(xí)積極性不高，而且對(duì)于研究生而言，學(xué)生具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，知識(shí)需求面廣的明顯特點(diǎn)。因此對(duì)于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，需要優(yōu)化授課形式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。例如，在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，溫度測(cè)量是一個(gè)非常重要的內(nèi)容，然而目前可用的溫度測(cè)量技術(shù)非常多，如果將包括熱電偶、熱電阻、溫敏漆、紅外測(cè)溫等測(cè)量技術(shù)完全講完，需要大量的課時(shí)，學(xué)生完全聽教師講授也會(huì)感覺(jué)枯燥乏味，費(fèi)時(shí)費(fèi)力的同時(shí)可能還不能夠取得良好的教學(xué)效果。因此我們選取了其中的部分內(nèi)容，例如紅外測(cè)溫相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)成自主學(xué)習(xí)式的研討性課題，讓學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，了解紅外測(cè)溫的原理和紅外測(cè)溫技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后針對(duì)特定的研究需求，利用紅外測(cè)溫技術(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)這樣的方式，讓學(xué)生獲得知識(shí)的同時(shí)也鍛煉了自主學(xué)習(xí)的能力。

2.4 改革課程考核方式，注重學(xué)生實(shí)操能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是一門綜合性很強(qiáng)的實(shí)踐類課程，其中實(shí)驗(yàn)操作是流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不可或缺的重要環(huán)節(jié)，但是前期由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少，價(jià)格貴等客觀因素限制，學(xué)生實(shí)操機(jī)會(huì)較少。因此，前期流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)類課程主要是以理論考核為主，缺乏了對(duì)學(xué)生實(shí)操能力的考量。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的小型化、低成本流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓學(xué)生能夠利用設(shè)備充分鍛煉實(shí)驗(yàn)技能。例如紋影實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的紋影實(shí)驗(yàn)采用Z字形紋影光路，需要兩塊凹面鏡，光源，刀口等設(shè)備，科研級(jí)紋影設(shè)備整套價(jià)格通常在數(shù)十萬(wàn)量級(jí)，且搭建紋影光路需要足夠的空間。在學(xué)生實(shí)際操作中，采用天文望遠(yuǎn)鏡中常用的牛頓反射鏡代替紋影中的凹面鏡，用手機(jī)閃光燈做光源，手機(jī)攝像頭用作相機(jī)，因此簡(jiǎn)單的一部手機(jī)和一面鏡子就可以做錐形光紋影實(shí)驗(yàn)。錐形光紋影相比傳統(tǒng)的Z字形紋影，雖然由于像差的存在會(huì)導(dǎo)致圖像輕微失真，但是他基本原理同Z字形紋影相同。通過(guò)錐形光紋影實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生更加理解紋影的原理，更重要的是大大簡(jiǎn)化后的實(shí)驗(yàn)裝置，甚至可以讓學(xué)生在宿舍完成紋影實(shí)驗(yàn)，這樣的流體力學(xué)小實(shí)驗(yàn)大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，讓每個(gè)學(xué)生都能夠真正親自動(dòng)手做流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的操作能力。除此之外，進(jìn)一步要求研究生利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究。例如利用上述提到的簡(jiǎn)易紋影裝置，對(duì)生活中的流體力學(xué)現(xiàn)象開展創(chuàng)新研究，這樣的訓(xùn)練提高了研究生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，加深了對(duì)流體力學(xué)原理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也一定程度上也培養(yǎng)了研究生的創(chuàng)新能力。解決了學(xué)生實(shí)操機(jī)會(huì)少的問(wèn)題之后，就可以對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的考核方式進(jìn)行改革，考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力考核為主，理論考核為輔的形式，更加注重了對(duì)研究生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是一門綜合性課程，無(wú)論是對(duì)教師的教學(xué)水平，還是對(duì)研究生的綜合素質(zhì)都具有較高的要求。筆者從流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的親生體會(huì)出發(fā)，總結(jié)了研究生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一系列問(wèn)題。且針對(duì)上述問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、授課形式和考核方式等方面探索了一些教學(xué)改革措施。希望通過(guò)這些措施，不僅能夠讓研究生獲得相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，而且能夠有助于提高研究生自主學(xué)習(xí)和實(shí)際操作的能力，激發(fā)研究生科學(xué)探索的精神，為日后科研工作奠定良好的基礎(chǔ)。