劉小林，岡敦殿，何 霖

（國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

0 引言

流體力學(xué)是力學(xué)學(xué)科的一個重要分支，流體力學(xué)課程一般也是航空航天、土木工程、能源動力等專業(yè)本科生的必修課程[1]。流體力學(xué)實驗課程，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。通過學(xué)習(xí)流體力學(xué)實驗課程，一方面能夠加深學(xué)生對流體力學(xué)相關(guān)原理與現(xiàn)象的理解，另外還能夠鍛煉學(xué)生動手操作的能力[2-3]。對于國內(nèi)許多工科高校，流體力學(xué)實驗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，課程對于研究生流體力學(xué)完整知識體系的構(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)實驗教學(xué)中存在的問題

1.1 研究生選課情況不相同，知識儲備差異大

流體力學(xué)實驗課程的先導(dǎo)課程包括空氣動力學(xué)、水力學(xué)、粘性流體力學(xué)等，選修流體力學(xué)實驗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。且對于一部分跨專業(yè)研究生而言，在本科階段甚至沒有學(xué)習(xí)過流體力學(xué)相關(guān)課程，這導(dǎo)致研究生知識儲備差異較大。筆者對所在單位（國防科技大學(xué)）歷年來選修流體力學(xué)實驗課程的研究生進(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，他們在本科階段選修過空氣動力學(xué)等相關(guān)課程，并且還做過相關(guān)氣動實驗，具有較好的課程基礎(chǔ)。由此可見，研究生前期知識儲備兩極分化情況嚴(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)實驗教學(xué)必須面對的難題。

1.2 授課內(nèi)容與實際工程應(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)實驗課程主要包括實驗理論教學(xué)和實驗實踐教學(xué)兩個方面，理論授課內(nèi)容一般包括實驗設(shè)備、實驗測量技術(shù)以及實驗數(shù)據(jù)處理方法等。其中實驗設(shè)備主要講授的是風(fēng)洞、水洞等流體力學(xué)實驗常用設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)原理；而測量技術(shù)則主要介紹針對流體溫度、壓強(qiáng)以及流動顯示等方面的測量技術(shù)，測量技術(shù)一般是課程重點講授的內(nèi)容。然而對于研究生，大多都面臨一定的科研課題任務(wù)。相對于本科生，他們除了了解原理之外，還需要具備運用知識解決相關(guān)研究問題的能力。筆者在實際授課過程中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的授課內(nèi)容一般側(cè)重在講解測量儀器概念和原理等方面，這導(dǎo)致研究生對不同工程應(yīng)用場景中的測量儀器設(shè)備如何選、怎么用等具體問題仍然存在困惑。例如在講解溫度測量技術(shù)的時候，通常將授課的重點放在了講解熱電偶傳感器、熱電阻傳感器以及溫敏漆等測量技術(shù)的原理上面，但是對于典型的實際應(yīng)用場景，比如超聲速飛行器頭部駐點區(qū)域的溫度測量，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量方案。由于授課內(nèi)容缺少與實際工程應(yīng)用背景的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問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 實驗參與度低，學(xué)生缺乏動手操作以及創(chuàng)新訓(xùn)練機(jī)會

流體力學(xué)實驗教學(xué)的另外一個重要內(nèi)容是實驗實踐教學(xué)。研究生在了解了相關(guān)實驗原理之后，還需要通過參與具體的實驗，才能夠掌握相關(guān)的實驗技能。然而筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，對于流體力學(xué)實驗實踐課程，學(xué)生的參與度往往是較低的。這是因為流體力學(xué)實驗中需要用到的儀器設(shè)備體積龐大，例如空氣動力實驗中常用到的風(fēng)洞和激光器等，設(shè)備也普遍較昂貴。由于一般教學(xué)實驗室的場地等硬件條件的限制，不能夠保證每個學(xué)生能有一臺套完整的實驗設(shè)備進(jìn)行操作練習(xí)，因此實驗環(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)生能夠自己動手參與相關(guān)的實驗過程[4-5]。這樣的客觀因素大大降低了實驗的參與度，學(xué)生缺乏了動手操作的機(jī)會，導(dǎo)致學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)停留在了解的階段，不能夠通過動手訓(xùn)練掌握實驗技能，提高實驗素養(yǎng)，更加不能利用相關(guān)實驗測量技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研究，這就使得流體力學(xué)實驗教學(xué)效果大打折扣。

2 研究生流體力學(xué)實驗教學(xué)改革措施

針對上述一系列問題，筆者對研究生流體力學(xué)實驗教學(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)實驗教學(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

針對研究生學(xué)員前期知識儲備差異明顯的特點，注重基礎(chǔ)知識鋪墊，合理進(jìn)行課堂設(shè)計。在每次課前，首先對相關(guān)學(xué)情進(jìn)行統(tǒng)計，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)生對基礎(chǔ)且必要的流體力學(xué)概念掌握情況，對課堂內(nèi)容進(jìn)行鋪墊。具體方式可以通過發(fā)放課前預(yù)習(xí)資料和在課前進(jìn)行流體力學(xué)知識回顧的方式進(jìn)行。例如在講解風(fēng)速管測量氣流速度的時候，一些研究生由于之前沒有學(xué)習(xí)過空氣動力學(xué)課程，因此還沒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，先對總壓和靜壓的概念進(jìn)行講解，這樣可以讓沒有基礎(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)生對課堂知識的接受能力也會有所差異，在課堂進(jìn)行過程中，基于雨課堂引入隨堂小測驗，主要考查學(xué)生對相關(guān)實驗原理的掌握情況。例如在講解PIV測量原理時，在課堂上考查學(xué)生對跨幀時間等參數(shù)設(shè)置的掌握情況，根據(jù)實際情況著重講解難點內(nèi)容。針對研究生前期知識儲備差異情況，通過采取上述方法，盡量讓每個學(xué)生都能夠真正學(xué)懂流體力學(xué)實驗課程。

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

在課程內(nèi)容方面，除了講授常規(guī)的理論知識，盡量根據(jù)每種測試技術(shù)的特點設(shè)計相應(yīng)的工程應(yīng)用案例，讓學(xué)生通過運用課堂所學(xué)知識解決實際問題，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如在講授完流動顯示技術(shù)之后，引入高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩這樣一個研究課題，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識，合理選擇相應(yīng)的測量技術(shù)，并且分析相關(guān)技術(shù)在特定應(yīng)用場景中的適用性。除此之外，針對研究生群體，還需要緊跟目前相關(guān)領(lǐng)域研究熱點，重點介紹前沿的實驗技術(shù)，從而拓展研究生的知識領(lǐng)域。例如在壓強(qiáng)測量章節(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散空間點上的壓強(qiáng)信息進(jìn)行測量，然而目前越來越多的應(yīng)用場景中需要測量整個面的壓強(qiáng)分布，因此能夠同時測量整個面壓強(qiáng)分布的壓敏漆技術(shù)因此應(yīng)運而生。且隨著壓敏漆技術(shù)測試精度和響應(yīng)頻率的提高，它在實驗流體力學(xué)中運用越來越廣。通過對以壓敏漆為代表的新興測試技術(shù)的重點講授，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)

對于流體力學(xué)實驗課程，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，而且對于研究生而言，學(xué)生具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，知識需求面廣的明顯特點。因此對于流體力學(xué)實驗課程，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)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。例如，在流體力學(xué)實驗課程中，溫度測量是一個非常重要的內(nèi)容，然而目前可用的溫度測量技術(shù)非常多，如果將包括熱電偶、熱電阻、溫敏漆、紅外測溫等測量技術(shù)完全講完，需要大量的課時，學(xué)生完全聽教師講授也會感覺枯燥乏味，費時費力的同時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，例如紅外測溫相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計成自主學(xué)習(xí)式的研討性課題，讓學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研，了解紅外測溫的原理和紅外測溫技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后針對特定的研究需求，利用紅外測溫技術(shù)設(shè)計相應(yīng)的實驗方案。通過這樣的方式，讓學(xué)生獲得知識的同時也鍛煉了自主學(xué)習(xí)的能力。

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

流體力學(xué)實驗課程是一門綜合性很強(qiáng)的實踐類課程，其中實驗操作是流體力學(xué)實驗課程不可或缺的重要環(huán)節(jié)，但是前期由于實驗設(shè)備數(shù)量少，價格貴等客觀因素限制，學(xué)生實操機(jī)會較少。因此，前期流體力學(xué)實驗類課程主要是以理論考核為主，缺乏了對學(xué)生實操能力的考量。針對這一問題，設(shè)計了相應(yīng)的小型化、低成本流體力學(xué)實驗設(shè)備，讓學(xué)生能夠利用設(shè)備充分鍛煉實驗技能。例如紋影實驗，傳統(tǒng)的紋影實驗采用Z字形紋影光路，需要兩塊凹面鏡，光源，刀口等設(shè)備，科研級紋影設(shè)備整套價格通常在數(shù)十萬量級，且搭建紋影光路需要足夠的空間。在學(xué)生實際操作中，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)，因此簡單的一部手機(jī)和一面鏡子就可以做錐形光紋影實驗。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。通過錐形光紋影實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生更加理解紋影的原理，更重要的是大大簡化后的實驗裝置，甚至可以讓學(xué)生在宿舍完成紋影實驗，這樣的流體力學(xué)小實驗大大降低了實驗成本，讓每個學(xué)生都能夠真正親自動手做流體力學(xué)實驗，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)有的實驗設(shè)備開展創(chuàng)新性實驗研究。例如利用上述提到的簡易紋影裝置，對生活中的流體力學(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驗素養(yǎng)，加深了對流體力學(xué)原理的認(rèn)識，同時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)生實操機(jī)會少的問題之后，就可以對流體力學(xué)實驗課程的考核方式進(jìn)行改革，考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫嶒災(zāi)芰蛣?chuàng)新能力考核為主，理論考核為輔的形式，更加注重了對研究生實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

流體力學(xué)實驗課程是一門綜合性課程，無論是對教師的教學(xué)水平，還是對研究生的綜合素質(zhì)都具有較高的要求。筆者從流體力學(xué)實驗教學(xué)的親生體會出發(fā)，總結(jié)了研究生流體力學(xué)實驗教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的一系列問題。且針對上述問題，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。希望通過這些措施，不僅能夠讓研究生獲得相關(guān)的專業(yè)知識，而且能夠有助于提高研究生自主學(xué)習(xí)和實際操作的能力，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)。