焦學(xué)然，張 霞

(河南城建學(xué)院環(huán)境與市政工程系，河南 平頂山 467044)

《水力學(xué)》、《流體力學(xué)》是環(huán)境工程、給水排水工程、水文學(xué)與水資源工程、土木工程等理工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時數(shù)約占該課程總課時數(shù)的30%—46.7%。由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，所有的實(shí)驗(yàn)幾乎都是演示性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)老師課前把實(shí)驗(yàn)裝置和儀器準(zhǔn)備好，實(shí)驗(yàn)課上再詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、操作步驟等。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式致使學(xué)生處于被動低位，不利于學(xué)生潛能的挖掘和學(xué)生積極思維的養(yǎng)成，更不利于學(xué)生分析、解決問題能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高［1］。近年來，筆者在《水力學(xué)》、《流體力學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革過程中進(jìn)行了一些嘗試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已有的實(shí)驗(yàn)條件，并結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這對鞏固理論課所學(xué)的知識、挖掘?qū)W生的潛能、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)都具有非常重要的意義。筆者利用能量方程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)裝置，重新設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰哭D(zhuǎn)換與阻力測定綜合性實(shí)驗(yàn)。

一、設(shè)計思想

能量方程實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是一個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是在驗(yàn)證能量守恒定律的基礎(chǔ)上，理解水體的各種能量之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系和規(guī)律。對于此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生往往只側(cè)重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量和記錄，忽略了對實(shí)驗(yàn)成果的分析討論，不利于學(xué)生對知識的掌握和應(yīng)用［2，3］。通過對能量方程實(shí)驗(yàn)儀研究發(fā)現(xiàn)，液體在管道中流動過程中經(jīng)過突然擴(kuò)大管、突然縮小管、漸擴(kuò)管、漸縮管、閥門等局部阻礙，會產(chǎn)生沿程水頭損失和局部水頭損失，在局部阻礙的前后分別設(shè)置有測壓管和測速管，可進(jìn)行沿程水頭損失和局部水頭損失計算。因此可以將質(zhì)量守恒定律、連續(xù)性方程、沿程水頭損失計算、局部水頭損失計算等內(nèi)容融入綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。

二、實(shí)驗(yàn)儀器與方法

(一)實(shí)驗(yàn)儀器

采用能量方程實(shí)驗(yàn)儀，如圖1所示。

(二)實(shí)驗(yàn)方法

能量轉(zhuǎn)換與阻力測定綜合性實(shí)驗(yàn)不僅包括能量方程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，而且新增了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，見表1。

1.驗(yàn)證能量方程

2.掌握壓能和動能的轉(zhuǎn)換關(guān)系

讀取每個測壓管、測速管的數(shù)值，觀察在不同位置時測壓管和測速管數(shù)值的變化，從而掌握壓能和動能的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。

3.連續(xù)性方程的應(yīng)用

采用體積—時間法測出通過管路的流量，再由連續(xù)性方程v1A1=v2A2=Q計算每段管道平均流速v及流速水頭，并與實(shí)際測得流速水頭相比較。

4.計算沿程水頭損失

5.計算局部水頭損失

果與由測速管數(shù)值所求的局部水頭損失h'ξ比較并分析原因。

圖1 能量方程實(shí)驗(yàn)儀

表1 能量轉(zhuǎn)換與阻力測定綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

三、實(shí)踐教學(xué)效果

能量轉(zhuǎn)換與阻力測定綜合性實(shí)驗(yàn)不僅增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性，而且增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合分析問題的能力得到普遍提高，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有很大的提高。

第一，學(xué)生創(chuàng)新思維與分析、解決問題的能力提高。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性較差，實(shí)驗(yàn)興趣不高，缺少探索精神。而綜合性實(shí)驗(yàn)提供了更多的思考與分析、解決問題的空間，學(xué)生通過查資料主動地搜索、處理、加工、利用信息，獨(dú)立解決問題，學(xué)習(xí)興趣提高［4，5］。例如在能量轉(zhuǎn)換與阻力測定綜合性實(shí)驗(yàn)中，沿程阻力系數(shù)λ的計算是求解沿程水頭損失的關(guān)鍵，而λ的計算又與雷諾數(shù)密切相關(guān)，怎樣求雷諾數(shù)呢?學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料，找到雷諾數(shù)的計算公式，測定水溫求水的運(yùn)動粘度ν，代入公式求出雷諾數(shù)，然后根據(jù)雷諾數(shù)的大小查資料計算λ，最后求出沿程水頭損失，問題得到解決。學(xué)生也可查閱文獻(xiàn)資料利用其他方法計算沿程水頭損失，提高學(xué)生的思考問題、分析問題、解決問題的能力。

(2)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告質(zhì)量提高。撰寫實(shí)驗(yàn)報告是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，又是衡量實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要依據(jù)。但在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，大部分學(xué)生往往是被動地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的原理、方法、步驟，測測數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)報告中忽略了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論。在綜合性實(shí)驗(yàn)中，大部分學(xué)生都能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)資料得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報告［6，7］。例如，計算沿程水頭損失和局部水頭損失時，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料采用半經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)公式計算，方法多樣，改變了以往實(shí)驗(yàn)報告千篇一律的狀況，提高了實(shí)驗(yàn)報告的質(zhì)量。

四、總結(jié)

《水力學(xué)》、《流體力學(xué)》作為理工科專業(yè)中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其實(shí)踐性很強(qiáng)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性降低，使學(xué)生處于比較被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新和完善過程中，進(jìn)行實(shí)踐研究，補(bǔ)充和完善驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性實(shí)驗(yàn)，也是綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革中值得考慮和重視的問題。從能量轉(zhuǎn)換與阻力測定綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)效果和學(xué)生實(shí)驗(yàn)報告的質(zhì)量來看，由于綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求學(xué)生必須掌握一定的基礎(chǔ)知識，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前必須對整個實(shí)驗(yàn)有很好地掌握，這就促使學(xué)生必須對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備。同時學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告必須依靠學(xué)生自己分析并結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)資料才能完成，這樣既提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)報告的質(zhì)量，也培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新性思維和分析、解決問題的能力。因此，設(shè)計和開設(shè)更多的綜合性實(shí)驗(yàn)，對提高水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)都將具有非常重要的意義。

［1］史文海，李校兵.水力學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索［J］.溫州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，8(5).

［2］蔡禮權(quán).不可壓縮流體恒定流能量方程實(shí)驗(yàn)分析［J］.機(jī)電技術(shù)，2007，(1).

［3］蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］淮虎銀，金銀根，孫國榮，等.植物學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，(5).

［5］王茜.自動化專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)模式［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，(10).

［6］姜衍倉.基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的大學(xué)生物物理科研素質(zhì)提升策略［J］.教育研究與實(shí)驗(yàn)，2009，S3.

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