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基于新工科背景探索流体力学实验教学的改革
摘要：目前流体力学教学方法及模式尚未突破，实验大都是验证性的实验，实验内容单调，基于以上种种情况，在新工科背景下进行流体力学实验教学改革创新上的探索，采取增设虚拟实验平台与新型实验装置，同时改进实验内容和教学方法、开启创新性人才培养模式等方式，有效改变学生依赖性，培养其独立解决问题的能力，并激发学生的学习兴趣。把实验与体力学理论知识有机结合，积极促进学生工程素养的提高及自主创新能力的培养。
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新工科[1-2]是新科技时代教研改革的选择，是教育发展的新模式。在新工科背景下，教师对大学生流体力学实验教学进行改革与创新，使其更加深入地把握流体力学理论，了解流体力学现象，学会采用流体力学知识解决实际工程问题，从而提升其工程实践能力，提高工程素养，因此本文对大学流体力学实验教学进行研究，重点探究如何在流体力学中加强学生自主创新能力的培养，具有重要意义。
1、流体力学实验教学中存在的问题
1.1 流体力学实验教学内容不够丰富
以山西省教育厅直属普通高校———太原科技大学为例，简述该校流体力学实验课程开设的实验内容。笔者于2016年2月—2019年7月这3年多的时间作为授课教师为工程力学专业和环境工程专业的学生讲授流体力学实验课程，讲授的流体力学实验内容主要包括流体静力学实验、雷诺实验、局部水头损失实验、不可压缩流体恒定流动量定律实验、不可压缩恒定流能量方程（伯努利方程）实验、毕托管测速实验、文丘里流量计实验、沿程水头损失实验、孔口与管嘴出流实验等，其中每一个实验都涉及各自的实验目的要求、实验装置、实验原理、实验方法与步骤、实验成果及要求、实验分析与讨论等环节。教学大纲中安排的这些实验绝大部分都属于验证性实验，设计性或者综合性的实验比较少。实验教材内容不够新颖，实验内容单一，创新性实验比较欠缺，与工程实际脱节，实验环节每一步都描述过于清楚，学生只需要按照表格填写即可。这种“照葫芦画瓢”的方式抑制了学生独立思考的空间，不能激发学生的创新思维、提高学生解决问题的能力，从而限制了他们在流体力学实验中创新能力的培养和提高。
1.2 流体力学实验教学方法未突破
传统的流体力学实验教学通常都是学生在做实验之前，和教师沟通联系，预约实验时间。学生提前预习、熟悉要做的每一个实验。在实验课上，教师讲解每一个实验的实验目的与要求、实验装置、实验原理、实验方法，演示实验步骤，示范具体程序，指导学生操作实验，学生独立思考不多，有了问题便向教师请教，教师批改实验报告。学生大部分都按照教师讲解机械地操作实验设备，按部就班地测量一些实验数据，有时每组实验的学生人数较多时，一部分学生便不动手，仅仅围观，然后再根据实验指导书的公式和步骤，记录数据，填写实验报告，不主动思考，多数都在应付。由此可见，传统的流体力学实验教学方法不够灵活。从实验目的要求、实验原理，到实验步骤，讲解得特别详细，限制了学生积极动手、实际操作的机会，抑制了他们主动思考、积极探讨、创新能力的发挥。
1.3 流体力学实验室开放性程度不高
太原科技大学作为一所省属普通高校，在机械学院流体力学实验室开设了流体力学实验操作的相关设备和平台。由于实验空间与设备有限，因此，不能通过建立网络化实验教学平台来实现实验室开放。暂时未能充分利用计算机网络信息技术，没有实现全校师生对实验室资源和信息的共享，实验室仅仅对开设流体力学课程的同学或部分教师开放，教学时间、教学内容不能做到全方位开放，学生不能实现实验时间和对应实验项目的预约，更不能通过网络教学平台查看实验成绩。这样导致了实验设备没有得到有效利用，大大限制了实验课的先进性和便利性。因此，影响了学生对该课的认识，即使设计了较好的方案，也无法使用。流体力学实验室不能开放，严重制约了学生进行创新。
2、新工科背景下的流体力学实验改革创新研究
针对流体力学实验教学中存在的问题，需要完善现有的实验教学方法。已有方法主要包括与学生学习需求结合、设置一些实践场地、增设部分创新课程等[3]。下面主要进行具体新工科背景下的流体力学实验改革创新研究。
2.1 改进流体力学实验内容和教学方法
适当修改流体力学实验指导书，将实验原理等方面的内容修改到简明扼要；实验操作步骤清晰、利索；实验内容争取最大程度符合学生的认知规律，便于他们自学。比如，增加一些设计性实验，可以让学生对流体的基本表征更加深入地认识，对课堂上学的抽象概念更加深刻地理解，从而达到优化实验教学内容的目的[4]。
流体力学实验指导书要及时更新，要与流体力学实验设备配套。这要求实验教师多搜集资料，留意比较新的流体力学实验教学设备，多与兄弟院校进行交流学习，这样才能不断及时更换陈旧的内容，提高流体力学实验的效率。同时，从配套的流体力学实验指导书上及时删除不做的实验，并增加新的实验内容。此外，实验指导书内容应注重流动机理、工程实际应用的讲解，要做到实验步骤相对简单化，以便给学生留出足够时间，让他们自己分析问题、解决问题。为了增强实验的良好效果，需要打破旧的实验教学模式，师生、生生之间才能良好地互动。具体做法如下。
1）教师和学生、学生和学生之间积极讨论实验的背景、目的、意义及理论知识，探讨完成实验的具体步骤，以学生为主体，教师只需要适当答疑解惑，无需过于详细的讲解，既节省时间，又使学生主动掌握实验内容。
2）利用多媒体教学工具，制作教学课件，介绍和实验有关的工程实例或者动画，教师提问，激发学生的兴趣，让学生积极独立地思考，同组同学一起注意观察实验现象，记录实验数据。
3）针对基础薄弱的学生，鼓励他们完成一项基础验证性实验；针对悟性好、基础牢固的学生，鼓励他们完成创新性实验。在总结归纳时，学生成为主角，积极做实验，并认真书写实验报告。
2.2 开设虚拟实验平台
为了提高学生的创新能力，可以应用流体力学专用软件ANSYSFLUENT进行创新实验[5]，进而可以增设虚拟实验平台。虚拟实验与实验原理和过程一致，可以采用ANSYSFLUENT软件模拟，得到在给定工况下某一攻角、特定时刻、具体某一风速下的某风力机翼型的压力云图和流线图等流场信息，见图1。将计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）数值仿真方法与实验结合，在理论课上阐述数值计算方法，与实验现象结合，可以让本科生更深刻地理解实验现象的本质，这样可以使他们的认知性在一定程度上得到很大的提高。开设虚拟实验平台的优点如下。
1）既实现了实验与理论的相互印证，又实现了从理论知识到实验现象的深入认知。
2）既在很大程度上提高了大学生的兴趣，又在某些方面丰富了他们的想象力，也增强了他们一定的创新性。
2.3 设计新型实验装置
新型流体力学综合实验台把雷诺实验管、局部阻力和文丘里流量计实验管并成三根实验管，通过这种方式，一个实验台可以组装三个实验装置，一个实验台上可以进行三个实验，这样既节省了空间，又节省了经济成本。局部阻力损失实验和文丘里流量计实验分别设置测压管，雷诺实验不设置测验管，前两者分别在实验管中测压。实验时，打开其中一个实验管的调节阀，其他两个实验管关闭，通过调节阀门大小控制实验管测量流量。依据不同功能实验，分别得到不同的实验数据和相应的实验现象。进行雷诺实验时，有色液体通过三通开关排出。在进行局部阻力损失实验和文丘里流量计实验的时候，实验用水可以直接流回储水箱循环使用。在此装置上进行多次测量，可以得到三个实验的实验现象和实验数据，满足了教学要求。此装置在设计上得到了突破和创新。在一定程度上，此设计方法也可以推广。设计新型实验装置的优势如下。
1）既节省了经济资源，又利于学生了解实验之间的相关联性。
2）可以使学生更好地掌握流体力学实验知识，学会采用流体力学的思维逻辑解决流体力学工程实际问题的方法和手段。
3）提高学生动手操作、分析问题、解决问题的能力，进而提高他们的创新能力。
2.4 开启创新性人才培养模式
为了充分利用流体力学实验设备，方便学生自由选择实验内容和实验时间，可以利用网络化实验教学平台，进行流体力学实验室资源和信息的共享，大大提高实验室管理的先进性和便利性。学生在实验教学平台上输入个人账号和密码登录，可以预约实验时间及对应的实验内容。在规定的时间和地点，学生可以去完成相应的流体力学实验。实验完成后，继续撰写实验报告，并通过登录此系统上传各自的流体力学实验报告，最后学生可再登录实验教学平台查看流体力学实验成绩。此平台可以提高流体力学实验设备的利用率，能够错过流体力学实验高峰期，这种在实验平台上预约实验时间和实验内容的方式，可以使学生灵活支配自己的时间，可以使他们更加充分地利用自己的时间，提高学习效率。
在流体力学实验课前，利用微信、网络平台，向学生发送实验课件、实验指导书等资料，让他们了解实验事项，利用微信APP等移动平台客户端进行签到、互动、课堂测试。借助微视频和慕课等网络资源，“互联网+实验课程[6]”“慕课+开放实验室”等教学模式，采用“线上学习”与“线下学习”结合的方法，起到增强流体力学实验教学效果的作用。基于流体力学实验教学的创新性人才培养流程图，见图2。通过微信公众号、GitHub、超星泛雅等网络平台进行线上交流，学生随时随地，不受时间、地点限制，根据实际了解流体力学实验，自主学习，创建现代化软件平台，从而提高流体力学实验教学质量，更好地培养了学生的自主学习能力，也增强了他们的创新意识。为了充分利用本科生思维活跃的特点，鼓励学生积极思考和自主设计流体力学实验，并鼓励他们积极申报“大学生创新创业实践”项目，学生团队协作，积极思考，交流思想，自主设计，提高创新能力，为参加“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛、全国周培源大学生力学竞赛等多项竞赛准备力量。
3、结束语
新工科环境下，开展流体力学实验改革创新，通过改进实验内容和教学方法，增设新型实验装置，开设虚拟实验平台与开启创新性人才培养模式等，具体效果如下。
1）改进流体力学实验内容和教学方法，生生、师生之间积极讨论，老师适当答疑解惑，不需要过多讲解，既节省时间，又利于学生掌握实验内容；同时利用多媒体教学工具，演示课件，示范实例或者动画，老师提问，学生积极思考，激发学生的兴趣，同组同学一起注意观察实验现象，记录实验数据；学生占主角，积极做实验，并认真书写实验报告。这样可以培养他们独立解决问题的能力，同时改变他们依赖老师的心理。
2）虚拟实验平台的开设，既可以将实验现象与理论知识做到相互印证，又可以实现从理论知识到实验现象的深入认知；既在很大程度上提高大学生的兴趣，又在某些方面丰富他们的想象力，也增强了他们的创新能力，又可以激发大学生对流体力学实验的兴趣，将流体力学理论知识和实验紧密结合，调动他们的积极性。
3）新型实验装置的设计，既节省了经济资源，又利于大学生了解实验相关联性，还便于他们掌握流体力学实验知识，并掌握采用流体力学的思维逻辑解决流体力学工程实际问题的方法和手段；也利于提高学生分析、解决问题的能力。
4）创新性人才培养模式的开启，既可以使大学生灵活支配自己的时间，又可以使他们更加充分地利用自己的时间、提高学习效率，还可以提高大学生的创新能力，为他们今后的发展起到添砖加瓦的作用。
参考文献：
[1]胡波,冯辉,韩伟力,等.加快新工科建设,推进工程教育改革创新“综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述[J].复旦教育论坛,2017,15(2):20-27.
[2]吴爱华,侯永峰,杨秋波,等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究,2017(1):1-9.
[3]张宏伟,陈庆义,孙烨彤,等.浅谈高校水力实验教学创新[J].新西部,2018(20):156.
[4]陈俊俊,庞赟佶,郑坤灿,等.不同专业《流体力学》课程实验应变与对策[J].教育教学论坛,2018(1):154-155.
[5]樊艳红,李兴莉,杨雪霞.浅谈流体力学实验教学的改革[J].教育现代化,2018,5(27):77-78.
[6]吴莹,徐志敏,张陵.适应“新工科”人才培养需求的力学实验教学新模式[J].力学与实践,2019,41(1):86-90.
樊艳红,李兴莉,贾有,等.新工科背景下的流体力学实验教学改革创新[J].科技创新与生产力,2019,(10):76-79.
[基金项目]山西省高等学校教学改革创新项目(J2018130);山西省面上青年基金项目(201801D221118);
太原科技大学教学研究项目(201863);太原科技大学教学研究项目(201840);太原科技大学教学研究项目(201935)
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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
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2020-08-10
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期刊名称：计算力学学报
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主管单位：中华人民共和国教育部
主办单位：大连理工大学,中国力学学会
出版地方：辽宁
专业分类：科学
国际刊号：1007-4708
国内刊号：21-1373/O3
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创刊时间：1983年
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2020-02-06
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