隋秀香

[摘 要]流体力学是工科院校重要的专业基础课，其中的实验教学在巩固理论知识、培养实践能力和增强研究创新等方面发挥着重要作用。本文从合格人才培养出发，分析工科院校流体力学实验教学内容与方法上存在的问题。介绍了中国石油大学（北京）流体力学实验室在实验内容设计、学科交叉关联、实践应用转化、前沿技术渗透等方面进行的实验教学探索，为培养新时代的科技创新人才提供参考。

[关键词] 工科院校;流体力学;实验教学

中国高等教育质量报告指出，社会对高校毕业生的实践能力、动手能力等相关评价较低，高等教育在创新能力、实践能力培养等方面存在短板[1]。具体表现是：工程性缺失和实践教学薄弱问题长期未得到解决;人才培养模式单一，多样性和适用性欠缺;评价体系导向重论文、轻设计、缺实践[2]。这些都与当前合格人才培养、社会对人才的要求不相适应。

流体力学是建立在理论、实验和计算三大支柱上的一门课程，在我国工科类高校已形成相对稳定的课程体系[3]，是很多专业，如石油工程、油气储运工程、热能与动力工程等重要专业的基础课。流体力学的基础理论和物理概论比较抽象，而实验教学借助于看得见、摸得着的仪器设备，以及生动灵活的学习方式在理论知识学习、增强感性认识和激活理论等方面无法替代[4]，因此，重视实验教学、深化实验教学才能使课堂教学跨上更高台阶。

传统的流体实验教学也存在如下问题：注重实验项目的理论验证，忽视实验项目之间的关联衔接，忽视理论知识向工程应用的自然过渡;倡导实践动手能力培养，忽视实践中对学生创新思维的开发，忽视对学生科学视野的提升和拓宽。

流体力学实验作为石油高校必修的专业基础实验，其理论和实践与石油工业的上下游联系紧密，是一门理论性、技术性、实践性很强的课程。中国石油大学（北京）流体力学实验室借助于国家级实验教学示范中心和北京市级实验示范中心的支持，在多年的工作中，在教学内容方面积累了一些行之有效的方法，并取得了很好的效果。

一、合理布局实验，促进理论知识的关联和提升

课堂教学永远是高等教育最重要的环节，但实验教学作为课堂教学的一部分，具有实验种类多样，方式灵活生动的特点，其学习模式深受学生喜欢。实验教学的目标之一是充分利用自身优势，在实验过程中巩固强化课堂知识，并将流体力学的各部分知识点有机地联系起来，使之形成完整的知识链[5]，为课堂教学注入新的活力。因此，合理设计实验，巩固强化课堂知识，实现知识的关联和认知的渐进提升，为课堂理论提供实践支撑，是实验教学不懈的追求，也是决定教学质量、教学效果的关键环节。

流体力学知识点之间的联系非常广泛，在实验设计时要充分考虑实验内容的安排，提高学生对知识的融会贯通能力。为此，按照理论内容、关联时序、层层递进等规律进行实验编排，将实验项目归成五个板块，如图1实验项目时序框图所示。

图1中，实验项目基本遵循了理论验证、逐步提高的思路来安排的。但光有内容安排显然不够，教师还要在实验过程中加强对学生的引导启发，鼓励学生认真思考，主动关联。比如，恒定总流基本方程实验板块中，文丘里测流量和伯努利方程的联系;流动阻力及能量损失板块和恒定总流基本方程的关系等。通过启发引导，同学对板块内知识、板块之间知识的密切联系有了深刻理解，不仅促进了学生对课堂理论的理解巩固，也实现了知识的衔接和认知的提升。

好的实验设计不仅能帮助学生顺利完成实验项目，巩固课堂理论知识，还能提高其实践动手能力，促进知识之间的融合衔接，对于学生掌握知识，应用知识，促进知识的活学活用具有重要的作用。

二、强化理论向实践应用转化

工程实践是工科类学生培养体系的重要环节，现有的教育模式倾向于理论知识的灌输传授，不注重理论与实践的相互关联，导致理论与实践存在脱节现象[6]。为了弥补这一缺憾，流体力学实验就要在设计上力争最大程度地体现理论与工程实践的统一，逐步解决中国高等教育质量报告指出的大学生实践能力欠缺这一问题。

流体力学知识在工程中的应用极其广泛，如果在实验教学中将流体知识与工程实践紧密联系起来，不仅能巩固所学流体知识，也能树立理论知识和实践应用相统一的思维，使流体力学实验更好发挥其纽带和传承作用。

在工程实践中，流量测量手段多种多样，其中，文丘里传感器测流量被广泛使用。雷诺实验是流体力学具有代表性的实验，流量测量是其中的重要参数。因此，在雷诺实验中，将流量测量设计成用文丘里计进行测量，由前面可知，文丘里测流量既是必做的验证型实验，在理论上也是伯努利方程的具体应用。通过这样的设计，将课堂理论、实验项目、工程应用关联起来，达到了“穿针引线”的效果，使理论、实验和工程之间产生良性互动，实现了1+1>2的效果，对学生的启发影响意义深远。其实验关联如图2所示。

实验项目之间不仅有理论衔接还有具体的实践应用，在实验过程中，要充分引导学生主动实现理论向实践应用的过渡，避免了理论知识被“石化”，对于拓展学生的学习思维具有积极的意义。

三、借助科技创新，促进理论向工程研究转化

每个行业都有其自身的特点，石油工业从上游到下游都与流体流动息息相关。石油高校面向石油行業培养人才，而石油行业具有系统庞大、学科交叉、技术更新快等特点[2]。借助于大学生科技创新平台，充分利用实验设备，能帮助学生充分利用所学知识解决工程实践中遇到的问题，培养学生的科技创新能力，提高学生的工程素养。逐步解决高等教育在创新能力、实践能力培养等方面存在的问题。

大学生的科技创新要坚持学生为主体，教师承担指导作用，但不替代学生思考。要引导学生以所学书本知识为出发点，结合实际，解决工程问题，同时让学生了解学科专业领域最新的研究成果，增强学生对科技创新的正确认识。

中国石油大学（北京）流体力学实验室为鼓励大学生的科技创新，紧紧结合石油工程的工程问题和实践应用，建立自循环流动与控制实验装置，学生可以观察研究气液两相流动，研究流动特性，研究早期气体侵入的检测等，以便充分认识钻井过程中的流动问题，为安全钻井和井控实施提供实验数据和理论支持。

大学生的科技创新不仅帮助学生将课堂理论向工程研究渗透，也提高了他们对探索油气流动奥秘的决心和信心。通过具体的科技创新项目，能挖掘学生的创新意识和创新欲望[ ]，激励他们活学活用所学知识和技能，主动学习，努力思考，培养学习和研究的成就感、自豪感。

四、透过现象看本质，扩大知识的交叉联系

随着科学技术的高速发展，学科之间的联系愈加紧密。大学阶段是思想最活跃，创新思维最容易建立的时期，必须引导学生重视和加强学科之间的交叉联系，主动建立知识之间的网格化关联和发散性思维，避免禁锢了学生的创新思维。

为使学生加深对抽象概念的感性认识和扩大知识面，流体力学实验建有多种演示型实验，包括流动现象演示、水击综合演示等，这些演示型实验生动直观，深受学生喜爱。

在流动演示实验中，学生通过近距离观察突然扩大段、突然收缩段的平面流动图像，观察突扩段出现的较大漩涡区，和突缩段出现的较小漩涡区，借此理解突扩段和突缩段的水头损失差异以及在工程中的影响。借此，学生能很好地认识在局部水头损失的实验中，水头损失产生的原因和实验结果的由来。将理论以一种更为生动的方式展示出来，对促进学生理解消化课堂理论有积极作用。

测量技术课程是很多工科院校不可或缺的重要课程，测量技术已经渗透到石油工业的每一个角落，而且影响愈来愈大。在流动演示实验中，学生可以观察到单圆柱绕流出现的卡门涡街现象，借此可以了解卡门涡街传感器的测量原理，并推断工程中使用该种测量方法的优势和局限性。通过流动演示，真正实现透过现象看本质的效果，不仅向学生揭示了流动的奥秘，还激发他们利用所学知识向其他领域积极拓展的作用。

五、跟踪行业的前沿技术动态

大学生思维活跃，接受新生事物能力强，大学期间是培养一个人思维特点的关键时期。大学教育除了传授知识，更要下大力气培养学生对新事物、新技术的兴趣，使掌握新技术、研究新内容成为他们终生的学习习惯和追求目标。

目前的石油工业在技术方面达到了前所未有的水平，一些前沿的科技进展叫人刮目相看，让学生了解前沿的科技动态，能開阔他们的眼界和视野，提高认识和拓宽思维，在以后的工作和学习中向着更高的目标努力。

流体力学实验室动画演示分两种，一是根据科研成果编制的动画，二是联合科研院所针对前沿技术编制的动画。例如，根据罗家寨16号恶性井喷事故的研究结果制作的动画和科研院所编制的定向井钻井测量技术的动画。前者模拟了钻井过程中流体流动的复杂情况，再现从井下气体侵入到井喷发生的全过程，分析了井下流体流动异常发生的根本原因。后者生动展示了在定向井钻井过程中，信号通讯、轨迹调整直至按照预期顺利完成的全过程，其间也重点介绍了利用流动的泥浆对钻井液的压力波信号进行编码和传输，这是目前随钻测量的重要信号传输方式，展示了流动流体作为压力信号的载体功能，其作用非同寻常。

多角度认识和体会流体和流动，对于启发和激励学生的学习积极性和研究创造性具有极大的示范作用，对流体力学和专业知识的学习也提到了一个前所未有的高度。

六、结语

随着社会对科技创新型人才需求的增多，培养高素质科技创新人才日益成为工科类高校的发展目标。只有全方位、多角度深化人才培养方案，强化基础理论，促进向实践应用转化，提高科技创新思维与能力培养，才能为国家、为企业输送一大批综合素质过硬、创新能力强的高水平科技人才。

参考文献

[1]宁旭，徐林，许佳，等.以设计为中心改革实践教学，培养合格生物医学工程人才[J].医疗卫生装备，2018（12）：90-94.

[2]郭广生，李庆丰.培养创新人才呼唤教学方法大变革[J].中国高等教育，2011（18）：7-10.

[3]闻建龙.流体力学实验课程教学改革[J].江苏大学学报（高教研究版），2002（4）：84-86.

[4]雷标.工程流体力学实验课程教学改革理论与实践[J].科技信息，2012（21）：5.

[5]刘建龙，谭超毅，曾美玲.流体力学实验课程教学改革[J].中国电力教育，2009（129）：123-124.

[6]李志勇，周劲辉.工科类高校科技创新人才培养与理论教学实践研究[J].教育教学论坛，2018（20）：195-197.