朱晖 张智明 王毅刚

摘要：文章对本科学生在学习流体力学课程过程中暴露出的共性问题及学生的实际基础进行了研究，借助实验教学平台强化基础知识的传授，对流体力学实践教学进行基础阶段、应用阶段、创新阶段的划分，为构建适合于学生实际情况的流体力学教学新框架打下基础。旨在探索大专业背景及学分制教学体系下，专业基础课与科研、工程实际相接轨的课程教学新模式。

关键词：流体力学;教学改革;流体实验;实践教学

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）40-0003-02

流体力学作为车辆工程及轨交工程的专业基础课，所涉及的基本原理和基础理论在实际工程中具有很强的应用价值和指导意义。两个专业的学生毕业后大部分在生产及研发一线从事车辆开发及生产工作，接触的流动介质既有液体又有气体，所遇到的问题也正与这些流体的运动状态、物性、边界条件等有关。如何应用流体力学的基本理论分析及解决今后工作中所面临的技术问题，是每个工程技术人员的基本职责。这要求流体力学的教学过程应该注重理论知识的系统性传授与实践能力培养相结合、课堂教学与实践教学相结合，不断改进教学方法，积极探索适合于工科学生专业设置和就业方向的课程教学新模式[1，2]。

一、现状分析

国内外著名高校皆设有流体力学实验室，为教学和科研服务，其中风洞是必不可少的设施之一。中国科学技术大学流体力学教学实验室具有整套水力学实验装置以及小型水洞、小型低速风洞、小型超声速风洞、小型激波（管）风洞、标定激波管、红宝石激光器、PDA、纹影仪等实验设备和仪器。上海交通大学流体力学实验室能够完成静压与相对平衡、能量方程实验、流动状态判别实验、流谱显示实验、气动实验、直管沿程损失实验、波浪水槽实验、风洞实验，除了服务于学科的科学研究外，其主要职能就是承担面向全校的本科流体力学的实验教学。美国University of California，Berkeley--Fluid Mechanics Laboratory能够完成从层流到湍流的诸多实验，而且已经向涡动力学方向发展，除完成相关科研项目外，主要功能就是面向本科生进行流体力学实验教学。英国Imperial College London--Hydrodynamics laboratory的一项重要职能就是用于本科生教学，证明流体力学的基本原理。该实验室具备波浪水池、船模试验池/宽波水槽（长水槽）等实验设施，是其科研与教学特色之一。加拿大Conco—dia University—Fluid Mechanics Lab直接用于本科和研究生教学，涉及层流、层流和湍流管流、球体阻力系数、翼型压力系数等诸多实验。可见流体力学实验已成為流体力学教学的必要手段和重要组成部分，是流体力学教学改革的必然方向。然而本校车辆工程及轨交工程的本科学生从未进行过流体力学实验的操作，甚至没有见过相关的实验设施，因此严重制约了学生对流体力学基本理论的理解和掌握，亦无法对实际问题提出解决方案，即使有解决方案也没有相关的技能进行方案实施，总之针对车辆工程及轨交工程方向本科生的流体力学的教学质量较低。

二、研究思路

采用实验引导法[3-6]，按照“由感性到理性”的教学改革思路，创新流体力学课程教学与实践方案，其体系结构分为三个阶段：基础阶段为基于雷诺数准则的流态显示法，使学生形成与流体力学相关的基本物理现象的感性认知，激发学生的学习兴趣和热情;应用阶段则基于水槽、水箱、细孔及相关实验设备，培养学生形成与流体静力学、流体动力学、理想不可压缩流体流动、相似原理及量纲分析相关的具体科学及工程问题的属性辨别及理性解答能力，提高学生的学习能力和专业素养;创新阶段为学生依据粘性不可压缩流体绕物体流动的知识，将前两个阶段的课题进行综合和创新。通过三个阶段的教学实践，由感性认知到问题解决，再到创新研究，使学生最终能够廓清与流体力学相关的不同物理现象及工程问题的属性，形成解决方法、规划研究方案。课程由简单到复杂、由单一到综合，经过这三个阶段的训练，能够较大程度地提升学生的实际问题解决能力、综合创新能力、科技开发能力。

三、实验教学的实施

采用实验引导方法，将流体力学的基本概念、问题属性、解决方法贯穿于教学体系结构的三个阶段中，做到有目的的学习，真正改变学生的原有学习方法。实验不仅能够使学生对流体力学物理现象有了感性认知，而且能够获得准确的实验数据（力、压力、流谱），为后续的理性分析提供可靠的数据基础;进一步来说，创新阶段能够为学生在解决车辆研发过程中所涉及的真实的流体力学问题提供完备的物质基础。

1.基础阶段：这一阶段的主要特点是将部分课堂教学移到实验室，教师演示流体力学的基本流动现象，学生边学边做，淡化实验个数概念。通过实践对流体力学所研究的问题形成感性认知，初步掌握实验资源的工作原理。实验内容主要为基于雷诺数准则的流态显示及判定依据。

2.应用阶段：在课堂上讲授相关理论知识的前提下，使学生形成必要的知识储备，令其带着疑问和兴趣进入应用阶段的实验环节。教学安排包括水槽、水箱、细孔及相关实验设备，加深学生对流体静力学、流体动力学、理想不可压缩流体流动、相似原理及量纲分析相关知识的掌握程度及理解深度，进而回到课堂对理论所涉及的伯努利方程、点源点汇方程、压力分布方程等关键知识点进行总体复习和凝练，使理论学习与工程实际接轨，增强学生的学习兴趣和动力，充分发挥学生的主观能动性，激发学生的学习欲望。

3.创新阶段：通过基础阶段与应用阶段的全过程教学，并且在课堂上讲授粘性流体力学及绕流流动的相关特性后，学生已建立了流体力学的基本知识体系，具备了相关理论知识的储备。在创新阶段的实施过程中，做到“以学生为主”，从方案制定、可行性分析、设备准备、实验调试、总结等方面促使学生独立开展工作，充分发挥学生的主动性和积极性，分析解决实际工程实践过程中遇到的问题，培养创新意识和能力。

四、人才培养的作用

1.解决原有的流体力学课程过度重视理论知识的传授、轻视感性知识的传达和实际操作的问题。

2.解决理论教学和实践教学相脱节的问题，彻底转变传统的课堂教学和实践教学分离的教学方法。

3.通过三个阶段的教学实践，由感性认知到问题解决，再到创新研究，使学生最终能够根据与流体力学相关的不同物理现象及工程实践廓清问题属性，规划研究方案，形成解决方法。

4.通过课程改革，解决学生综合素质的培养问题，在实践过程中逐步锻炼和培养学生自主学习的能力、团结协作的精神、面对工程问题的处理方式等能力。

5.通过本次教学的创新与实践，流体力学考试的优秀率、及格率得到了大幅提高，有的班级优秀率达到25%，整体的不及格率下降至22%。

五、结束语

通过将实验引导法运用于流体力学的教学实践，提升了学生掌握教材所涉及的流体力学相关知识的能力;通过相关的流体力学实验演示和操作，加深了学生对流体力学知识的理解;以流体力学实验为先导，通過现象与理论的结合，促使学生对流体力学知识的融会贯通;通过创新阶段的实施，提高了学生解决实际问题的能力，并具备了初步的科研开发能力。综合三阶段的教学成果，达到了流体力学教学改革及创新的预设目标。

参考文献：

[1]王烨，李亚宁.流体力学课程多视角教学方法探索与实践[J].高等建筑教育，2013，22（4）：41-43.

[2]王烨，孙三祥.凸显实践环节的流体力学教学新模式研究[J].兰州交通大学学报，2014，4（33）：162-165.

[3]孙恒，朱鸿梅，舒丹.“启发—联想式”教学方法在流体力学教学中的应用[J].中国电力教育，2011，（5）：79-80，82.

[4]隋秀香，李相方，尹邦堂.教学实验与科研相结合培养创新型石油人才[J].实验室研究与探索，2013，11（32）：144-147.

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