趙紅曉

(1. 同濟大學 航空航天與力學學院， 上海 200092；2. 同濟大學 國家級力學實驗教學示范中心，國家級力學虛擬仿真實驗教學中心, 上海 200092)

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伯努利方程精品實驗建設(shè)

趙紅曉1,2

(1. 同濟大學 航空航天與力學學院， 上海 200092；2. 同濟大學 國家級力學實驗教學示范中心，國家級力學虛擬仿真實驗教學中心, 上海 200092)

伯努利方程精品實驗建設(shè)是對傳統(tǒng)實驗進行再設(shè)計和創(chuàng)新。采用多元化的實驗教學過程和教學手段，從多方面培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。伯努利方程精品實驗強化了網(wǎng)絡(luò)教學平臺建設(shè)，豐富了實驗教學內(nèi)容，提高了實驗教學的質(zhì)量，在實驗教學中取得了良好的效果。

伯努利方程實驗； 虛擬實驗； 精品實驗建設(shè)

由于流體運動的復雜性，使得流體力學研究離不開科學實驗，而理論分析、實驗研究和數(shù)值計算是其發(fā)展的三大支柱[1]。同濟大學自2007年確立了精品實驗建設(shè)的理念[2]，伯努利方程實驗被列為同濟大學精品實驗項目，借助于國家級力學實驗教學示范中心和力學虛擬仿真實驗教學中心，開展了伯努利方程精品實驗，實現(xiàn)了學生自主學習、師生交流互動，調(diào)動了學生參與實驗的積極性，提高了實驗的效率，培養(yǎng)了具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。

1 伯努利方程精品實驗簡介

伯努利方程實驗是流體力學最重要的實驗之一，例如在港口、能源動力工程、環(huán)境工程、道路與橋梁工程、土木工程等專業(yè)的流體力學課程中占有重要的位置。傳統(tǒng)的伯努利方程實驗，是在教師講解后學生直接做實驗，缺乏對實驗操作、實驗過程的示范教學及描述，實驗過程中的問題得不到充分的探索和討論，學生的思考、興趣及創(chuàng)造性思維沒有被充分激發(fā)出來。而精品實驗的實驗教學是以學生為主體、教師為主導，充分啟發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，學生以多種方式、多種途徑進行實驗。

1.1 實驗原理

在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過流斷面。可以列出進口斷面(1)至另一斷面(i)的能量方程式(i=2,3,…,n)

(1)

取α1=α2=α3=…=αn=1，選好基準面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出Z=p/γ的值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速ν及速度水頭av2/2g,從而得到各斷面測壓管水頭值和總水頭值。

1.2 過流斷面性質(zhì)

均勻流或漸變流斷面流體動壓強符合靜壓強的分布規(guī)律，即在同一斷面上，測壓管水頭值為常數(shù)。

(2)

但在不同過流斷面上的測壓管水頭不同，即

(3)

而斷面上z+p/ρg≠C。

2 伯努利方程精品實驗的特色和創(chuàng)新

2.1 對經(jīng)典實驗過程進行綜合設(shè)計和創(chuàng)新

精品實驗最重要的是要具有特色和創(chuàng)新，尤其是對于綜合性實驗，應(yīng)當注重實驗內(nèi)容的新穎性和創(chuàng)新性，實驗手段的多樣性，讓學生有更多的創(chuàng)新空間和施展才華的機會。

本精品實驗是在經(jīng)典的伯努利方程實驗中加入新的實驗元素和活力，即在實驗過程中添加伯努利方程虛擬實驗環(huán)節(jié)。虛擬實驗在實驗教學中的應(yīng)用很多[3-7]，工程中關(guān)于水力學問題的仿真研究已成為人們關(guān)注的熱點[8-9]，仿真技術(shù)也逐漸在教學中應(yīng)用[10]。伯努利方程實驗在仿真方面也有一些研究[11-12]。虛擬實驗由于具有操作界面直觀、方便快捷、重復性強、不受地域或時間的限制，學生可以隨時參與虛擬實驗操作。學生可以使用自己的計算機或?qū)嶒炇姨摂M實驗平臺的計算機，根據(jù)自己的時間去做虛擬實驗，更重要的是學生可以隨時驗證和探索學習過程中遇到的疑難問題，對實際實驗操作進行預(yù)習。

2.2 以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為目標的教學模式

學生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)三大目標的實現(xiàn)是建立在一個個具體的實驗項目完成的基礎(chǔ)上[2]。伯努利方程實驗屬于綜合性、設(shè)計性實驗，培養(yǎng)學生綜合利用所學理論知識來提出問題、分析問題、解決問題的能力；引導學生結(jié)合該實驗的工程背景和應(yīng)用，分組設(shè)計相應(yīng)的實驗項目，鼓勵學生敢想、敢做、敢于質(zhì)疑；利用實驗室的實驗平臺對小組設(shè)計的實驗項目進行實驗，從而解決實際工程中的問題或現(xiàn)象；鼓勵學生參與虛擬實驗的操作和完善，學生通過網(wǎng)上練習虛擬實驗，找出其中還不是很完善的地方，提出優(yōu)化方案，教師再逐步修改和完善，充分發(fā)揮學生參與實驗的主觀能動性，有效拓展學生的想象空間。

通過對學生多方位的引導，培養(yǎng)學生對理論知識的應(yīng)用能力、對實驗操作的動手能力、對實驗項目的創(chuàng)新能力和團隊寫作能力，從而實現(xiàn)對學生的綜合能力的培養(yǎng)。

2.3 多元化的實驗教學過程和教學手段

伯努利方程精品實驗采用多元化的教學過程和教學手段，主要特點如下：

(1) 學生通過理論知識的學習，熟知伯努利方程的原理及其在實際工程上的應(yīng)用。例如測量流速與流量的儀表(畢托管、文丘里流量計和電磁流量計等)、虹吸現(xiàn)象(用于汲水灌溉、高位水箱引水和抽水馬桶等)、孔口和管嘴的出流問題等。這樣學生就學會在實驗前提出問題，帶著問題進行實驗，大大提高了實驗的效率。

(2) 鼓勵學生結(jié)合工程實踐，采用已有的流體力學實驗教具，自主設(shè)計實驗項目，比如學生可以利用流量計測試一下實驗室水管的流量、流速等，引導學生利用實驗解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生的“工程師”意識。

(3) 采用虛擬實驗和實際操作實驗相結(jié)合的方法，充分鍛煉學生的動手操作能力。

本實驗為綜合性實驗項目，為提高學生的動手操作能力，充分利用國家級力學虛擬仿真實驗教學中心的虛擬實驗平臺，實際實驗和虛擬實驗有機結(jié)合，從不同角度，以多種方式參加實驗訓練。

2.4 實驗流程

實驗的流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

(1) 虛擬實驗。學生做實驗之前，先在力學實驗教學示范中心網(wǎng)站上進行伯努利方程虛擬實驗操作，預(yù)覽實驗過程，熟悉實驗原理，鞏固理論知識的掌握，并且可以直觀地體會做實驗的操作過程和觀察動態(tài)的實驗現(xiàn)象等。整個虛擬實驗過程與真實的實驗相差無幾，可以適時地觀察到實驗現(xiàn)象和測壓管液面高度的變化規(guī)律。方便地模擬出做實驗的過程。伯努利方程虛擬實驗為學生創(chuàng)造良好的仿真實驗條件，激發(fā)了學生的求知欲和主動性，并且可以隨時驗證和探索遇到的疑難問題，為真實實驗操作打下堅實的基礎(chǔ)。

(2) 真實實驗。學生進入實驗室進行真實實驗的動手操作，教師指導學生熟悉操作實驗裝置，引導學生將所學知識在實驗中進行驗證及進行設(shè)計和創(chuàng)造性的實驗，并撰寫綜合實驗報告。

學生經(jīng)過虛擬實驗和實際操作實驗2個環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，可以更加深刻地理解和掌握課本上的理論知識。

2.5 實驗成績考核模式

“伯努利方程精品實驗”課成績的考核要反映學生的綜合能力，包括實驗項目設(shè)計、實驗技能、團隊協(xié)作和動手能力，還要真實地反映學生的自主創(chuàng)新能力。伯努利方程實驗的成績由實驗項目設(shè)計、虛擬實驗操作、真實實驗操作和實驗報告4部分組成。實驗操作部分由指導教師現(xiàn)場打分，實驗報告重在實驗方法的確定、實驗儀器的選擇、實驗步驟的制定、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗結(jié)果的對比分析和研究性總結(jié)等。這種成績的考核模式，可以有效地反映出學生的綜合創(chuàng)新能力。

2.6 精品實驗網(wǎng)絡(luò)教學平臺建設(shè)

中心建立了流體力學虛擬實驗平臺，通過網(wǎng)絡(luò)實驗虛擬軟件，學生在計算機上應(yīng)用圖、文、音并茂的計算機動態(tài)技術(shù)來模擬實驗教學的整個操作過程，在操作中配有相應(yīng)的理論指導，解決了相關(guān)的教學盲點。學生可不受時間約束、不受地點限制，反復進行虛擬實驗，完成實驗學習過程，還可以按個人的要求設(shè)計新的虛擬實驗項目。流體力學虛擬實驗是面向全校師生及校外任何想學習和練習虛擬實驗的學習者，已經(jīng)在實驗教學中實施2年多，取得了良好的效果。

3 伯努利方程精品實驗建設(shè)成果

3.1 激發(fā)了學生參與實驗的興趣

虛擬實驗使人置身于多媒體世界中，學生對實驗對象、實驗過程、實驗結(jié)果都能看到、聽到、感覺到，大大增加了仿真的形象性與直觀性。而且由于虛擬實驗具有不受時間、地域場地限制等優(yōu)點，學生可根據(jù)自己的需要安排學習時間，大大方便了學生，激發(fā)了學生實驗的興趣和主觀能動性，從而提高學習效率。

真實實驗放手讓學生積極參與實驗方案的設(shè)計，以學生為實驗的主體，充分發(fā)揮學生的潛能，通過學生動手操作等訓練培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。虛擬與真實實驗兩者相結(jié)合，優(yōu)勢互補，切實保證了實驗教學的質(zhì)量。

伯努利方程實驗是一個綜合性實驗，本實驗對全校土木工程專業(yè)、力學專業(yè)、能源動力、港口航道與海岸工程等專業(yè)學生開放，學生參與的積極性和熱情都非常高，參與率達到100%，普遍反映效果很好。

3.2 調(diào)動了教師的積極性

該綜合性實驗是學?！熬穼嶒灐表椖浚玫綄W校的大力支持，并給予項目立項資助，調(diào)動了教師參與實驗項目建設(shè)的積極性和主動性，使得實驗課程與實際工程應(yīng)用結(jié)合得更緊密，得到師生的一致好評。

“伯努利方程精品實驗”項目作為系統(tǒng)的教學單元進行建設(shè)，其系統(tǒng)的經(jīng)驗成果可以為其他流體力學實驗項目提供借鑒，引領(lǐng)實驗項目建設(shè)方向、探索人才培養(yǎng)模式。積累的一些典型教學案例，豐富了實驗教學的積淀。成功的案例可以啟發(fā)下屆學生在此基礎(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新，避免低水平的重復實驗；失敗的案例可以供學生借鑒，盡可能避免失敗，少走彎路。

3.3 豐富了實驗教學內(nèi)容

“伯努利方程精品實驗”教學的嘗試，豐富了流體力學實驗教學內(nèi)容，綜合利用了多種教學手段。合理運用現(xiàn)代信息化技術(shù)(虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺、網(wǎng)絡(luò)、投影儀)等手段，在傳統(tǒng)的教學觀念、教學方法和教學手段的基礎(chǔ)上繼承、發(fā)展并改革和創(chuàng)新。實驗教學符合學生的認知規(guī)律，創(chuàng)建以學生為中心、教師為主導的教學模式。注重實驗過程設(shè)計，實驗方法科學、合理、新穎；實驗手段適當、高效先進。能充分調(diào)動學生學習的主動性與積極性，培養(yǎng)學生對實驗的興趣。綜合性實驗更要注重實驗過程，提高“設(shè)計性”含量，使學生親歷一般科學實驗的全過程，使實驗的教學內(nèi)容更加豐富。

3.4 促進了虛擬實驗平臺的建設(shè)

“伯努利方程精品實驗”的建設(shè)，加快了虛擬實驗平臺建設(shè)。以創(chuàng)建精品實驗為契機,力學實驗中心加快了本科流體力學實驗網(wǎng)絡(luò)化教學的步伐，建立了流體力學虛擬實驗平臺和教學資料庫。目前有伯努利方程實驗、動量方程實驗、圓柱繞流實驗和水面曲線實驗的虛擬實驗，每一個虛擬實驗都是按照真實實驗的原理、實驗裝置、實驗步驟、實驗結(jié)果分析等設(shè)計的，這4個實驗現(xiàn)在已經(jīng)作為流體力學虛擬實驗的內(nèi)容。4個實驗項目已經(jīng)在教學過程中實施近2年，學生進行實驗的積極性得到了提升，反映良好，達到了預(yù)期的效果。

此外,還開發(fā)了實驗教學的網(wǎng)絡(luò)互動平臺及網(wǎng)上選課系統(tǒng)、互動平臺和虛擬實驗系統(tǒng)，促進了國家級力學虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)。

4 結(jié)束語

“伯努利方程精品實驗”的建設(shè)提高了流體力學實驗教學水平，從而帶動其他流體力學實驗教學質(zhì)量的提高。精品實驗在其建設(shè)過程中對經(jīng)典實驗項目進行的再設(shè)計、再創(chuàng)新，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力，豐富了實驗教學內(nèi)容，提升了整個實驗教學水平。

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Construction of Bernoulli equation excellent experiments

Zhao Hongxiao1,2

(1. School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics,Tongji University,Shanghai 200092,China; 2. National Mechanics Experimental Teaching Demonstration Center, National Mechanics Virtual Simulation Experimental Teaching Center, Tongji University,Shanghai 200092,China)

The construction of Bernoulli equation excellent experiment is to redesign and innovate the traditional experiment. Diversified experimental teaching process and teaching methods are taken to cultivate students’ ability to innovate in many ways. Experimental teaching platform of the network construction is strengthened by Bernoulli equation excellent experiment,the contents of experimental teaching are enriched,the quality of the experimental teaching is improved, and the beneficial effect in experimental teaching is achieved.

Bernoulli equation experiment； virtual experiment； construction of excellent experiment

2014- 07- 03 修改日期：2014- 08- 27

同濟大學第五期精品實驗項目(1330104087)；同濟大學第十期教改項目(1330104100)

趙紅曉(1972—)，女，河南郟縣，博士，講師，主要研究固體力學及實驗力學.

E-mail：zhx@#edu.cn

O35；G64

B

1002-4956(2015)2- 0182- 03