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浅析国内外流体力学课程实践教学内容的区别
摘要：本文调查研究了美国明尼苏达大学、亚利桑那州立大学的本科生的“流体力学”课程实践教学内容，分析了实践教学内容、教学安排，在综合教学实践的基础上，分析国内相关院校本科生《流体力学》课程实践内容，针对实践教学存在的问题进行了总结，同时提出了相应的解决办法。
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一、前言
流体力学是国内理工科高校的本科专业基础课程之一，该课程涉及的基础理论对理工科专业课的学习具有重要的理论支撑和指导意义，是完成理工科专业培养目标的重要基础课程。流体力学属于力学范畴，课程教学分为理论教学和实践教学。流体力学课程理论教学抽象性较强，涉及很多公式的推导过程和计算，难度较大。流体力学实验起到了由抽象知识到感官认识、由理论到实际转化的作用。流体力学实验是流体力学课程的重要组成部分，学生通过流体力学实验实践操作，除了了解流体特性以外，还应该能够识别实验室中的物理设备并解释设备的基本操作原理。通过实验教学环节，学生可以学习如何正确安全地操作设备，发展和加强测量、记录观察等技能，并撰写实验报告等。本文通过对美国明尼苏达大学、亚利桑那州立大学的主干课程《流体力学》的实践教学内容进行了调研，并在实践教学内容安排等方面与国内高校的相应课程进行了对比分析，为提高国内流体力学实践教学提供借鉴。
二、国外《流体力学》实践教学内容
在流体力学实践教学的安排上，调研的两所大学一般都设立三个环节：实验前，应研读实验手册，了解实验流程和操作要点，对理论问题完成推导、计算，提前思考实验中可能出现的问题，提高实验数据采集的成功率；实验中，分组实验，分工配合，完成实验操作和数据的收集；实验后，分析处理数据，撰写实验报告。教学评价上基于项目合作得分和个人贡献得分两个方面开展，每个实验得分由两部分加权产生：教师通过各组实验报告，从实验的效果、问题分析等角度给出分值；学生完成每个实验以后，所有人将对本小组成员的表现、贡献进行书面评价，包括对自己的评价，并将书面评价通过电子邮件等方式发给教师，教师将这些书面评价作为个人得分的参考。
根据学科的特点，学校会有针对性地设定实践课程的内容，明尼苏达大学流体力学实践教学内容包括流体特性评估、压力和速度测量、伯努利方程的应用、动量定理的应用、湍流和边界层演示、管道摩擦的测量、计算泵在不同流速下的效率并生成泵的效率曲线等等。亚利桑那州立大学流体力学实践教学内容包括流体特性、伯努利方程、密闭管道流量、明渠水流以及水击现象等等。通过比较发现，两个学校之间的实验课程设计不尽相同，但都包括了流体特性研究、基本原理验证（伯努利方程），管道问题求解等基本问题。每个实验课程都与流体力学理论课程紧密关联，体现了学科的侧重点，明尼苏达大学更强调流体力学基本知识的完备性（课程侧重于流体力学理论基础课），亚利桑那州立大学更强调工程实践（课程内容定位于工程流体力学方向）。
三、国内《流体力学》实践教学内容
国内《流体力学》侧重于理论教学，实验课一直处于辅助地位。在教学组织上主要采取两种方式，一种是院系内结合专业特点开设实验课，设定实践教学内容，任课老师一般同时承担流体力学理论教学工作；另一种是在学校层面上开设实验课，针对流体力学的基础理论设定教学实践内容，任课老师为专职实验老师。前者考虑了专业需求，教学管理更为精细化，后者更侧重于基础教育，强调实验要求。作者所在的中国石油大学（北京），综合了两种教学组织的特点，结合院系专业特点开设实验课，但是由专职实验教师授课。同国外实验课相比，教学内容覆盖面广，包括静水压强实验、能量方程实验、动量定律实验、雷诺实验、皮托管测速实验、局部水头损失实验、文丘里管测流量实验、沿程水头损失实验以及孔口管嘴实验等等，但在实验学时上严格限制（总共10学时）。专职实验教师更侧重于实验的操作和流程，实验课的重点放在概念和基本方法的掌握上，未突出“研究式”教学的理念，学生的创造性、分析问题的能力未得到充分锻炼。
四、国内实践教学存在的问题及对策
《流体力学》一般都为实验教学单独设课，构建了较为完善的教学内容及项目体系，教学质量得到了明显提升。同国外高水平大学开设的《流体力学》实践课相比，在教学内容的覆盖面上，国内外大学没有明显差异，但是在教学组织、考核方式、教学理念等方面还需深入开展教学改革研究，达到实验课程设置的目标。
1. 教学组织做好理论和实践的衔接。流体力学理论教学与实验教学还未能有机结合，流体力学理论课程和实验课程分别由不同的老师担任，沟通不充分，流体力学课堂教学与实验教学不同步。专职实验教师更多地将精力放在教学任务的完成上，关注点放在如何让学生顺利完成实验、掌握仪器使用以及如何进行数据处理上，造成流体力学实验教学脱离理论的支撑，学生往往消化困难，由此影响了学生的实验积极性，也影响了教学效果。探索并实践任课教师、课程设置“两个一体化”为目标的实施方案，是解决理论课和实验课“脱节”的有效途径。“两个一体化”即流体力学理论授课和实验教学由同一老师担任，流体力学理论课和实验课同期开设。实验课是对理论知识点的印证和深化，授课教师可结合理论问题对实验原理、影响因素等内容进行更为深入的讲解，及时解答实验中的问题，同时也为学生考核的全面性、实验报告的多样性奠定基础。
2. 教学理念由强调程序的操作型向强调思考的探索型转变。实验课的重要教学目标是要培养学生分析问题、解决问题的能力以及综合运用学科知识的能力，使学生能够主动思考，形成对问题的洞察力和判断力，启发创新思维。国内高校的实验课多数还停留在流程操作层面，更侧重于让学生严格按照操作步骤和要点获得精准的数据，忽略了对“失真”实验数据的原因分析和修正处理，往往会因为实验报告中数据“测不准”全盘否定学生的实验能力。学生在实验课中，更强调“趋同”的个体行为，即一个学生获得了教师设定的目标数据，其他学生模仿或“编写”类似的数据。在“两个一体化”方案的基础上，任课教师可以对实验报告有更为精准的判断，允许出现“错误数据”的报告，更侧重于学生分析存在的失真数据出现的原因，对误差数据的处理及正确方法的总结上，鼓励学生追求诚实、科学的实验精神。
3. 考核方式由结果导向型向过程导向型转变。国内大学的实验课程教学往往面对几十名学生，采用什么样的组织方式和考核评价模式才能解决实验“流于形式”的问题，使学生积极地、独立地、诚信地参与并完成实验内容是当前面临的重要课题。《流体力学》实践课考核指标并不应限定在实验数据测量的精准度、实验报告和标准模式的匹配上，而是包括实验技能、数据处理，发现和解决问题的能力，组织和协作能力等综合能力。借鉴国外高校“教师评测”和“学生自我管理”相结合的办法，即教师主要结合提交的实验报告进行考核，实验小组内的学生对每个组员的表现书面反馈教师，作为最终成绩的组成部分，为“结果导向”向“过程导向”的考核方式的建立提供了参考。
五、总结
《流体力学》实践教学是学生实现知识向能力转化的重要纽带，是理论与实践结合的关键环节。国内院校应充分借鉴国外高水平大学相关课程的先进教学理念，优化教学组织，转换思想观念，加强过程考核，突出学生的主体地位，逐渐实现实验课由“操作型”向“研究型”的过渡，为培养创新型人才、提高学科的国际化水平奠定坚实的基础。
参考文献：
[1]樊艳红,李兴莉.浅谈流体力学实验教学的改革[J].教学改革与探索,2018,(7):78-79.
[2]侯保林,李志.提升高校水力学实验教学质量的思考[J].教育教学论坛,2018,(9):271-272.
尤翔程.国内外流体力学课程实践教学内容的对比分析[J].教育教学论坛,2019,(38):148-149.
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专业导论课程是各个工科专业都要开设的一门必修课程，旨在介绍本专业的研究对象、发展方向、关键技术及课程体系，通过该门课程的教学让学生对专业有一个总体上的了解，并为后续的专业课学习提供系统性指导，同时也需要培养学生树立投身于祖国工业和国防建设的伟大理想，在专业导论课的教学方面，多位教师学者都提出了很多教学改革思路[1,2,3,4,5]。
2024-07-17
在网络信息发达、繁杂的时代背景下，青年大学生极易接触到不良的思潮和价值观，存在急功近利的价值取向，缺乏家国情怀，集体责任感以及坚定的社会主义人生理想信念。大学生在校期间的绝大多数时间是在非思政类课程学习中度过。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调指出“要用好课堂教学这个主渠道。
2020-12-15
腐蚀是普遍存在于国民经济和生产生活中的重要破坏因素，学者们针对材料腐蚀现象进行了众多研究，其中，静态环境下的腐蚀研究已较为丰富。在流动体系中，流体对材料表面及腐蚀产物膜的力学冲刷作用、对腐蚀性离子的传质促进作用以及对界面反应过程的影响使得流动环境下的腐蚀问题更加严重和复杂。
2020-12-03
在核反应堆中，控制棒驱动机构是反应堆控制和保护系统中重要的伺服机构，控制棒驱动机构是驱动控制棒组件运动、实现准确调节反应堆内反应性变化的重要部件，控制棒驱动机构具有实现反应堆启动、提升功率、保持功率、负荷跟踪、正常停堆和紧急事故停堆等重要的安全功能。
2020-11-27
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2020-11-17
房间内污染物来源包括:煤气泄漏、一氧化碳泄漏、室内装修后残留的甲醛等污染物。其中煤气和天然气、CO等污染物通过管道或者开关未关闭泄露至空间中，而室内装修残留物则主要为家具或者地板等使用的材料超出规定指标而不断残留在房间中。本文主要采用CFD的方法进行结构合理性的验证。
2020-11-17
为研究一种高减压比组合式空气减压阀的流场特征,基于计算流体动力学(CFD)方法,建立减压阀数值计算模型,针对两级阀体特征参数组合的典型工况进行仿真计算,研究减压阀流场参数分布,分析柱阀间隙和引气位置对流动状态和减压比影响。计算结果表明,组合式减压阀流场状态复杂,第一级柱阀间隙对于流动损失和局部参数分布有重要影响,两级阀分别通过总压损失和流速变化实现减压过程,通过合理的特征参数组合可获得较大减压比及其调节范围。
2020-11-16
气体在液体中的运动广泛存在于自然界和工程领域中,如发动机水下排气、水下爆炸引起的气泡运动、石油开采.其中的动力学过程在一个多世纪以来一直受到人们的关注[1,2].数值模拟是研究气体在液体中运动的一种有效方法[3,4].由于液体与气体之间的密度比一般远大于重液体与轻液体之间的密度比,所以气液相界面的捕捉一直是数值模拟的重点与难点.
2020-08-10
理论和实践证明，环量控制[1]方法可以通过产生射流在后缘形成Coanda效应[2]来改变环量，从而产生高升力[3]。国内外一些学者针对环量控制参数的影响都进行了研究：Englar[3]、Liu等[4]经研究得出在小攻角、小动量系数下环量控制可产生较大升力的结论；张艳华等[5]通过计算流体力学数值仿真方法（CFD）研究了动量系数和攻角对NASA超临界翼型的升阻特性和附面层分离特性的影响规律。
2020-08-10
流体力学是研究流体在静止和运动状态下的运动规律及流体与固壁相互作用力的一门学科，在机械、能源、汽车、化工、航空、航天等诸多领域有着极广泛的应用[1]。该课程是力学、机械等专业本科生的专业基础课程。由于其涉及数学、物理、力学等内容，概念多，公式推导繁琐，理论性强，实际应用广，对学生综合利用知识的要求较高，是普遍公认的教师难教、学生难学的课程之一[2]。
2020-08-10
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期刊名称：力学学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
邮发代号： 2-814
创刊时间：1957年
发行周期：双月刊
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2020-01-08
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