管新蕾 高云鵬 王 維 王利軍 晁 陽 何光艷

**(中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇徐州221116)

?(徐州工程學院機電工程學院，江蘇徐州221018)

流體力學是熱能與動力工程、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)基礎課。流體力學是力學中的一個重要分支學科，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。其內容豐富，理論性強，對學生的物理、數(shù)學基礎要求較高，學習難度較大。而且學科本身具有理論和實踐緊密結合的特點，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，實驗教學也成為學生掌握流體力學知識和技能尤為重要的一個教學環(huán)節(jié)[3]。然而，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的流體力學實驗大多采用以教師為主體的演示型教學模式，實驗選擇上也偏向于驗證性實驗[4]。學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)、計算結果，實驗課后思考千篇一律。更有甚者，為了與已有實驗結論相符，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。長此以往會助長學生的惰性，使他們失去對專業(yè)的興趣和自主學習的意愿，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，如儀器設備經費、實驗場地和實驗人員隊伍等制約，實驗教學儀器更新緩慢，設備老化及零部件損壞，嚴重影響實驗教學結果，使得教學效果大打折扣。而且隨著工程科學技術的發(fā)展，基礎課程的實驗教學也需要與時俱進，開設新的流體實驗項目，但目前市場上所購置的教學儀器相對固化單一、功能有限，不利于實驗教學的進一步拓展和創(chuàng)新。為適應不同專業(yè)的教學目標，實驗教學的內容和形式往往需要改造與創(chuàng)新。開發(fā)新實驗、研制新設備，若只是依靠實驗人員，人力有限，難以滿足實驗教學快速發(fā)展的需求[7-8]。

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

1 學生自主改造實驗儀器

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

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

(2) 設計加工階段。面對實際的流體問題，學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，并對設計結果進行校核，繪制加工圖紙。指導教師審核設計說明書和圖紙，指出不合理或需改進之處，學生翻閱文獻、組內討論，反復修改、完善。設計工作完成后，按照設計說明書和加工圖紙，在經費預算的指導下，學生執(zhí)行采購或加工儀器設備的各組成部分。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) 安裝調試階段。組內成員相互配合，協(xié)作將購置或加工好的配件進行組裝，如涉及技術含量較高的裝配工作，由專業(yè)人員負責安裝。儀器設備安裝完畢后進行調試，如發(fā)現(xiàn)問題，討論解決方案，做局部調整，多次調試直至達到設計標準。

(4) 優(yōu)化驗收階段。成果驗收分為兩部分，一部分為實驗設備的驗收，學生講述各自承擔的工作，講解設計思路，并在實驗臺上實際操作。另一部分為實驗報告，學生按規(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果分析誤差產生的原因。利用設計的成果，鼓勵學生申請專利或發(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多功能實驗臺，因設計結構不合理、實驗結果不理想而被長期擱置。中心教師與省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目相結合，指導學生對其進行改造開發(fā)。改造前期，學生先行熟悉實驗臺，了解預期所要開設的實驗，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參數(shù)。指導教師帶領學生對現(xiàn)有實驗臺進行試驗，引導學生獨立思考，探究實驗設備存在的缺陷。學生經過多次組內討論，總結歸納出四大問題：水泵型號不合適、管路、比壓計及水箱設計不合理，導致裝置能耗過多，實驗誤差過大。針對上述問題，組內成員討論定下大致的整改方向，分配工作任務。在此過程中，不僅提升了同學們自主學習的積極性，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)。在儀器設計階段，各成員分工協(xié)作。負責水泵選型的學生根據(jù)相關實驗裝置的參數(shù)，進行管路計算，確定水泵的揚程和流量等基本物理量，并結合實際使用訴求完成水泵選型。負責管路設計的學生重新設計實驗管道，布置測壓孔，計算不同閥門開度下的測壓管水頭，并對管道的設計與計算進行修正。設計比壓計的學生則查清漏水、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。這四部分的設計改造工作，在鞏固學生所學流體力學的基礎上，結合實驗測試與模擬仿真技術，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，學生將設計成果繪制成CAD 裝配圖、撰寫設計說明，購置配件、自行動手加工安裝(圖1 和圖2)。該環(huán)節(jié)鍛煉了學生的動手和溝通能力，而且在他們與相關專業(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計理念如何落地，由此增強了社會經驗，為今后踏上工作崗位奠定堅實基礎。實驗臺安裝完畢后，項目組成員幾經調試，設備運行正常，進行單項流體力學實驗，實驗結果與理論值相符，能反映流體力學的基本規(guī)律，滿足于實驗教學的日常需求，順利通過驗收。學生在此階段編寫實驗報告、做誤差分析，不再如傳統(tǒng)實驗那般敷衍，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計思想、實驗心得，充分給予學生主動權，有效地訓練他們對科學報告的撰寫能力。

圖1 學生安裝實驗設備現(xiàn)場照片

圖2 改造前后的實驗設備對比

3 結語

流體力學實驗教學儀器的優(yōu)化，不僅可以有效地推動實驗教學中心的建設和實驗教學水平的提高，而且給學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，樹立以學生為主體的教學理念，使學生在學習和實踐過程中擁有了更多的主動權和發(fā)揮空間；建立融知識傳授、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和科學素質提高為一體的教育教學模式，加強實驗教學的綜合性、研究性、設計性、創(chuàng)新性和實踐性，全面培養(yǎng)學生的探索精神、科學思維、實驗技能和創(chuàng)新能力；學生在與相關行業(yè)工程技術人員交流中，拓展專業(yè)眼界、夯實專業(yè)基礎，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)了同學們的團隊協(xié)作精神，推進了學生自主學習、合作學習和研究性學習。實踐證明，大力倡導學生參與教學實驗的開發(fā)與教學實驗儀器的研制，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型、研究型、復合型的工程技術人才。