楊 嵩，林 英，王 輝，于 萍，陳延禮，朱先勇

(1 吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025；2 長(zhǎng)春一東汽車(chē)零部件制造有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步和提升，新一輪科技革命正在孕育和發(fā)展。全新的產(chǎn)業(yè)模式和經(jīng)濟(jì)模式也伴隨著科技革命蓬勃發(fā)展起來(lái)[1-3]。高等教育作為國(guó)家高層次人才培養(yǎng)主要途徑，其發(fā)展水平和整體質(zhì)量是一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平和發(fā)展?jié)摿Φ闹匾獦?biāo)志[4]。黨中央和國(guó)務(wù)院依據(jù)科技、產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)，2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，國(guó)家層面的世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)(簡(jiǎn)稱“雙一流”建設(shè))正式啟航。

“雙一流”建設(shè)是中國(guó)高等教育繼“985工程”和“211工程”之后，提升中國(guó)高等教育綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重大工程。吉林大學(xué)作為“雙一流”建設(shè)的重點(diǎn)建設(shè)單位，其中“機(jī)械與仿生工程學(xué)科群”是“雙一流”建設(shè)的重點(diǎn)學(xué)科?！半p一流”建設(shè)面向科學(xué)和工程兩個(gè)方向進(jìn)行展開(kāi)，兩者相互依托相互促進(jìn)；通過(guò)學(xué)科交叉和融合提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量，提升知識(shí)創(chuàng)新水平，促進(jìn)科技成果創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化，推進(jìn)一流學(xué)科建設(shè)[5]。

一流課程的建設(shè)是一流學(xué)科建設(shè)的基礎(chǔ)，尤其是基礎(chǔ)類(lèi)課程的建設(shè)[6]?！读黧w力學(xué)》作為推動(dòng)人類(lèi)科技和社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)，是人類(lèi)生產(chǎn)生活經(jīng)驗(yàn)和智慧的結(jié)晶[7]。流體力學(xué)以流體(包含氣體、液體及等離子體)現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為作為研究對(duì)象，其應(yīng)用范圍及交叉學(xué)科涵蓋物理學(xué)、化學(xué)工程、機(jī)械工程、動(dòng)力工程、生物學(xué)、仿生學(xué)等諸多學(xué)科和領(lǐng)域；近年來(lái)，隨著微流控、流變學(xué)、生物流體力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的興起，流體力學(xué)在學(xué)科交叉和知識(shí)創(chuàng)新中的地位逐漸增強(qiáng)，助推學(xué)校一流學(xué)科的建設(shè)[7-10]。

《流體力學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容包含基礎(chǔ)概念、理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程拓展應(yīng)用四個(gè)部分；教學(xué)體系包含理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要作用是通過(guò)強(qiáng)化概念理解、鞏固理論認(rèn)知，幫助學(xué)生建立理論與工程實(shí)踐關(guān)聯(lián)關(guān)系的橋梁環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)和能力轉(zhuǎn)化、理論與實(shí)踐結(jié)合、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)養(yǎng)成的重要環(huán)節(jié)，是養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)科學(xué)態(tài)度的重要手段[6-8]?！半p一流”建設(shè)給作為基礎(chǔ)科學(xué)的《流體力學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，幫助學(xué)生建立完善的知識(shí)體系，掌握流體力學(xué)問(wèn)題的研究思路和方法，成為新時(shí)期課程教授的重點(diǎn)。通過(guò)革新教學(xué)方法，將信息技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)與傳統(tǒng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行融合，將學(xué)習(xí)的趣味性與培養(yǎng)學(xué)生的探索和開(kāi)拓精神融入教學(xué)過(guò)程，建立有助于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)、基礎(chǔ)科學(xué)研究水平提升，具備基礎(chǔ)性、科學(xué)性、研究性、創(chuàng)新性、競(jìng)爭(zhēng)性、交融性的人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系，以適應(yīng)研究型大學(xué)人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢(shì)[7-10]。

沿程阻力是流動(dòng)現(xiàn)象中廣泛存在的基礎(chǔ)現(xiàn)象，是粘性流體流動(dòng)過(guò)程中，流體與管壁以及流體與流體之間存在摩擦所導(dǎo)致的沿流動(dòng)方向的摩擦阻力[11]。沿程阻力系數(shù)是表征沿程阻力大小的無(wú)量綱系數(shù)。沿程阻力的基本理論涉及牛頓內(nèi)摩擦定律、速度梯度、動(dòng)量定律、連續(xù)性方程、量綱分析、雷諾實(shí)驗(yàn)、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)、莫迪圖等一系列相關(guān)知識(shí)和方法。選擇沿程阻力實(shí)驗(yàn)作為研究對(duì)象，通過(guò)探索理論知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)體系的構(gòu)建方法、高效且接受度高的傳授模式、理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)的銜接方法，對(duì)探索“雙一流”建設(shè)背景下流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革方向和教學(xué)方法建設(shè)有一定參考和實(shí)際意義。

1 沿程阻力系數(shù)

1.1 沿程阻力的基本理論[11]

沿程阻力是由摩擦力所引起的，依據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律可知，摩擦力與靜止管壁對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用所引發(fā)的速度梯度變化直接相關(guān)。為方便分析，選取水平放置等徑圓截面直管內(nèi)的不可壓縮定常流動(dòng)流體為研究對(duì)象，取其內(nèi)部空間為控制體，具體如圖1所示[11]。

圖1 沿程阻力分析模型

截面1和截面2分別為控制體的入/出口，流體流動(dòng)的方向?yàn)榻孛?→截面2，截面1和截面2之間的距離為l，截面直徑為d，截面1和截面2的水平高度分別為z1和z2，截面1和截面2處的壓強(qiáng)分別為p1和p2，截面1和截面2處流體的流動(dòng)速度分別為v1和v2。

由于管徑不變，流體不可壓縮，由連續(xù)性方程可知，

(1)

分別對(duì)截面1和截面2列寫(xiě)伯努利方程，可知：

(2)

其中ρ為流體的密度，g為重力加速度，hf為能量損失。

(3)

依據(jù)達(dá)西公式和現(xiàn)有量綱分析研究可知[11]，沿程阻力系數(shù)是一個(gè)與雷諾數(shù)Re、相對(duì)粗糙度ε/d關(guān)聯(lián)的函數(shù)，如公式(4)所示。沿程阻力系數(shù)λ和雷諾數(shù)Re、相對(duì)粗糙度ε/d之間的關(guān)系由量綱分析研究成果可知[11]：

(4)

式中：，ε/d表示壁面相對(duì)粗糙度，Re為雷諾數(shù)。

由上文可知，沿程阻力的教學(xué)研究應(yīng)集中在沿程阻力系數(shù)λ和雷諾數(shù)Re、相對(duì)粗糙度ε/d之間的關(guān)系。

1.2 沿程阻力的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

沿程阻力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要面向沿程阻力系數(shù)測(cè)定及其兩個(gè)影響參數(shù)(雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度ε/d)進(jìn)行開(kāi)展?，F(xiàn)有的沿程阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)定相關(guān)流動(dòng)物理參數(shù)，使用達(dá)西公式來(lái)求解沿程阻力系數(shù)λ來(lái)完成實(shí)驗(yàn)。本校面向本科生沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)所使用的阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。

圖2 阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1.3 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)采用調(diào)節(jié)流入實(shí)驗(yàn)管路流量的方法，間接實(shí)現(xiàn)雷諾數(shù)的改變，從而驗(yàn)證沿程阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re之間的映射關(guān)系。對(duì)比公式(4)和沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的基本教學(xué)目的可以發(fā)現(xiàn)：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)法直觀的感受雷諾數(shù)對(duì)沿程阻力系數(shù)的影響，需要通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，間接發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re與沿程阻力系數(shù)λ之間的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)中學(xué)生無(wú)法感知相對(duì)粗糙度ε/d變化對(duì)沿程阻力系數(shù)λ的影響；導(dǎo)致學(xué)生對(duì)沿程阻力產(chǎn)生機(jī)理及影響參數(shù)的理解局限。綜上，依據(jù)筆者多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)存在如下不足：

(1)對(duì)沿程阻力的成因及影響因素驗(yàn)證不足；

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及操作講解占用學(xué)時(shí)較長(zhǎng)；

(3)涉及沿程阻力相關(guān)內(nèi)容的工程應(yīng)用擴(kuò)展類(lèi)、創(chuàng)新類(lèi)內(nèi)容較少。

2 教學(xué)建設(shè)目標(biāo)與方法

針對(duì)1.3節(jié)所提出的不足，作者擬將信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，將雷諾實(shí)驗(yàn)、簡(jiǎn)化型尼古拉茲實(shí)驗(yàn)重新導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間、空間、工程應(yīng)用領(lǐng)域的維度，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，探索適合“雙一流”學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[12-15]。

新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)、工程應(yīng)用拓展交叉融合的方式開(kāi)展。通過(guò)虛實(shí)結(jié)合、工程應(yīng)用拓展全程貫穿的方法，充分發(fā)揮虛、實(shí)兩種實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)，借助工程應(yīng)用拓展的興趣激發(fā)和知識(shí)連接功能，構(gòu)建涵蓋理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)知識(shí)、操作技能和工程應(yīng)用立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，保障并提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，具體如圖3所示。

圖3 沿程阻力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)改革方案

3 教學(xué)建設(shè)

沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)主要面向吉林大學(xué)四個(gè)學(xué)院四門(mén)課程(工程流體力學(xué)A、工程流體力學(xué)B、流體力學(xué)、水力學(xué)與橋涵水文)設(shè)置1～2個(gè)課內(nèi)教學(xué)學(xué)時(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，采用2～4人/組/設(shè)備的形式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，各門(mén)課程依據(jù)自身的培養(yǎng)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)上有所不同。沿程阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建設(shè)主要包含實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)、數(shù)字資源建設(shè)、考核評(píng)價(jià)體系建設(shè)總共3部分內(nèi)容。

3.1 教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容作為知識(shí)、技能的傳授和訓(xùn)練載體，是實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的核心。沿程阻力系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)主要包括：虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)、簡(jiǎn)化型尼古拉茲實(shí)驗(yàn)建設(shè)、工程應(yīng)用拓展內(nèi)容建設(shè)幾個(gè)部分。

(1)虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種方法，主要依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，完成教學(xué)大綱要求的教學(xué)活動(dòng)[16]。虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱為準(zhǔn)則，以物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，運(yùn)用多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)將現(xiàn)有教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)考評(píng)等功能進(jìn)行數(shù)字化整合，虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)的重點(diǎn)是數(shù)字資源的建設(shè)，此部分將在3.2節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)論述。虛擬實(shí)驗(yàn)采用課外學(xué)時(shí)教學(xué)制，學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)后，根據(jù)各自情況自行登錄網(wǎng)站進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)無(wú)上限限制，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣點(diǎn)和知識(shí)薄弱點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)學(xué)習(xí)。

(2)簡(jiǎn)化型尼古拉茲實(shí)驗(yàn)建設(shè)。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)是沿程阻力研究中一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)，其通過(guò)探尋雷諾數(shù)(Re)對(duì)粗糙度(ε/d)對(duì)流動(dòng)損失的影響，將湍流區(qū)分為紊流光滑管區(qū)和湍流粗糙管平方阻力區(qū)，引出水力光滑和水力粗糙的概念，為管道流動(dòng)的定量分析和研究奠定了重要的理論基礎(chǔ)，在沿程阻力教學(xué)中，是連接雷諾實(shí)驗(yàn)和莫迪圖的中間環(huán)節(jié)[11,17]。經(jīng)典的尼古拉茲實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，不適合進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展。為保障學(xué)生知識(shí)體系的完整性，同時(shí)兼顧實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)經(jīng)典的尼古拉茲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，提出簡(jiǎn)化型尼古拉茲實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)化型尼古拉茲實(shí)驗(yàn)依托流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行開(kāi)展，選取不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸的等徑圓截面直管作為實(shí)驗(yàn)管路模擬相對(duì)粗糙度(ε/d)的變化，通過(guò)對(duì)流量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雷諾數(shù)(Re)的變化，具體如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化型尼古拉茲實(shí)驗(yàn)

(3)工程應(yīng)用拓展。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)主要集中在實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作講解，對(duì)實(shí)驗(yàn)的工程應(yīng)用拓展涉及較少。為提高學(xué)生學(xué)以致用的能力，增設(shè)工程應(yīng)用拓展內(nèi)容，在檢驗(yàn)學(xué)生基本知識(shí)、操作技能掌握程度的基礎(chǔ)上，激發(fā)學(xué)生在工程應(yīng)用上的創(chuàng)新思維，部分工程應(yīng)用拓展內(nèi)容如下：

①化工工藝管路設(shè)計(jì)。組成化工試驗(yàn)系統(tǒng)中，不同組分的化工原料通過(guò)工藝管路完成流動(dòng)和混合，期間需要進(jìn)行化工性能及各項(xiàng)參數(shù)測(cè)定的相關(guān)試驗(yàn)，工藝管道的長(zhǎng)度和直徑對(duì)化工介質(zhì)所產(chǎn)生的沿程阻力損失會(huì)對(duì)化工介質(zhì)的壓力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響反應(yīng)試驗(yàn)的運(yùn)行，因此需要依據(jù)化工反應(yīng)的技術(shù)條件，依據(jù)流量、壓力等技術(shù)需求對(duì)工藝管路的材質(zhì)、直徑、長(zhǎng)度等進(jìn)行合理計(jì)算，以保障試驗(yàn)的正確進(jìn)行[18]；②化工反應(yīng)釜冷卻系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)。反應(yīng)釜工作過(guò)程中需要設(shè)有冷卻系統(tǒng)，冷卻介質(zhì)在流經(jīng)冷卻管路時(shí)由于沿程阻力等存在會(huì)產(chǎn)生能量損失，這種能量損失主要表現(xiàn)為壓降，為克服流動(dòng)阻力，保障冷卻介質(zhì)的末端運(yùn)動(dòng)屬性滿足工程要求，需要設(shè)置泵/風(fēng)機(jī)等動(dòng)力裝置，在給定冷卻系統(tǒng)的工程基本參數(shù)(如冷卻介質(zhì)、散熱率等)條件下，帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的管路結(jié)構(gòu)參數(shù)(如管路材質(zhì)、直徑、管壁粗糙度)；③供油管路設(shè)計(jì)。油料長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中，管道壓力主要用來(lái)克服沿程阻力損失，針對(duì)不同粘度屬性的油料和輸運(yùn)流量要求選擇管道的材質(zhì)和管徑，以降低運(yùn)輸過(guò)程中的壓力損失；在供油系統(tǒng)末端壓力需求一定及供油管路材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸一定的前提下，如何確定各供油中繼站的主泵壓力。

3.2 數(shù)字資源建設(shè)

數(shù)字資源是虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)保障。數(shù)字資源建設(shè)基本原則如下：

(1)真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，數(shù)字化為方法；

(2)針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)不足，進(jìn)行數(shù)字內(nèi)容補(bǔ)充；

(3)數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同運(yùn)行。

針對(duì)數(shù)字資源建設(shè)的基本原則，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的建設(shè)內(nèi)容如下：

(1)運(yùn)用信息技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的基本信息(目的、原理、儀器設(shè)備等)、操作流程、安全注意事項(xiàng)等進(jìn)行講解。為提高信息傳輸?shù)母咝院烷喿x的精準(zhǔn)性，依據(jù)信息的種類(lèi)及內(nèi)容差異靈活采用文字、圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)等方法，具體如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)基本信息

(2)運(yùn)用人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)現(xiàn)，同時(shí)利用人機(jī)交互功能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)在工程應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)考評(píng)方面的功能拓展。真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的虛擬化可極大節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)時(shí)內(nèi)講解時(shí)間，學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)操作，可完全掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本特征、真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的操作流程及注意事項(xiàng)，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間配置；虛擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)以真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)優(yōu)化和誤差函數(shù)的引入，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的完美鏈接；同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)還引入了工程中廣泛應(yīng)用，但真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)中因?qū)嶒?yàn)安全不便于引入的工作介質(zhì)選項(xiàng)(如油)，學(xué)生通過(guò)完成虛擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)操作，借助數(shù)據(jù)對(duì)比分析方法，感知不同物理參數(shù)對(duì)沿程阻力的影響，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力；具體如圖6所示。

圖6 真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)及工程拓展實(shí)驗(yàn)的虛擬操作

3.3 考核評(píng)價(jià)體系建設(shè)

考核評(píng)價(jià)方法是檢驗(yàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要方法。傳統(tǒng)的沿程阻力實(shí)驗(yàn)考核方法側(cè)重實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。全新的實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方法采用綜合考評(píng)體系，綜合考評(píng)體系由傳統(tǒng)的“特征點(diǎn)”考核升級(jí)為面向?qū)嶒?yàn)全流程及工程應(yīng)用拓展的“面考核”?？己藘?nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)由課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)制定，涵蓋虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行、虛擬實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)、實(shí)驗(yàn)課堂預(yù)習(xí)提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行操作、工程拓展成績(jī)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交成績(jī)等，通過(guò)加權(quán)算法形成實(shí)驗(yàn)的最終成績(jī)，并最終匯入流體力學(xué)課程的總成績(jī)。

4 教學(xué)應(yīng)用

沿程阻力系數(shù)測(cè)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建成于2016年，并與2017年在吉林大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行試運(yùn)行。沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的相關(guān)教學(xué)改革探索與建設(shè)也漸次開(kāi)啟，通過(guò)與傳統(tǒng)的沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的交叉試運(yùn)行，獲得良好的測(cè)試效果。

(1)新教學(xué)模式的應(yīng)用，簡(jiǎn)化型尼古拉茲實(shí)驗(yàn)的引入充實(shí)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，工程應(yīng)用拓展環(huán)節(jié)的引入充實(shí)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)方法的多樣化和考評(píng)體系的完善有益于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、端正學(xué)習(xí)態(tài)度；

(2)新教學(xué)方法的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生對(duì)沿程阻力成因、影響因素(如相對(duì)粗糙度ε/d)、湍流分區(qū)、雷諾實(shí)驗(yàn)、莫迪圖等概念及關(guān)聯(lián)關(guān)系之間認(rèn)知不足問(wèn)題，強(qiáng)化了學(xué)生工程創(chuàng)新能力；

(3)虛擬實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、掌握基本操作流程，減少野蠻操作造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備損耗，降低教學(xué)運(yùn)行成本，同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)在提高實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)質(zhì)量和碎片時(shí)間學(xué)習(xí)方面將發(fā)揮積極的作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)“雙一流”建設(shè)中流體沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的相關(guān)教學(xué)改革進(jìn)行了探討。作為《流體力學(xué)》系列課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一部分，通過(guò)將信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、動(dòng)畫(huà)技術(shù)等新技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以適應(yīng)“雙一流”培養(yǎng)目標(biāo)的變化。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面開(kāi)展了相關(guān)創(chuàng)新工作。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是一個(gè)有機(jī)的整體。新的教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生完善理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)知識(shí)和工程應(yīng)用所組成的金字塔型知識(shí)及應(yīng)用體系；工程應(yīng)用拓展的引入便于教師開(kāi)展引導(dǎo)式教學(xué)；考核方式的科學(xué)化改進(jìn)有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)；通過(guò)三者的協(xié)同運(yùn)作實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升。在新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和新技術(shù)的作用下，學(xué)生在興趣的激勵(lì)下，可以做到主動(dòng)學(xué)習(xí)、隨時(shí)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)；教師從繁重的填鴨式教學(xué)中解放，將更多的時(shí)間和經(jīng)歷用于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和創(chuàng)新過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。教與學(xué)作為一個(gè)有機(jī)的整體，兩者在教學(xué)改革中相互促進(jìn)，將極大的完善流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)架，在學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生在理論知識(shí)和工程應(yīng)用兩個(gè)維度上進(jìn)行創(chuàng)新思維和研究。