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    流體力學課程開放實驗教學的探索與應用

    更新時間:2022-07-12      點擊次數:979



    1、引言
    流體力學是力學的一個分支,是許多工科專業非常重要的一門專業基礎課程,既有常見的力學特點——理論性強,也有工科課程的特色——實踐性強。在教授課程理論知識的同時,通過實驗提高學生的動手能力、分析和解決問題的能力以及培養學生的創新意識是該課程的課程目標。
    傳統實驗教學模式堅持演示實驗與量測實驗相結合。演示實驗主要采取老師講、學生聽的教學形式,只能簡單實現課堂理論的延伸;在量測實驗中,學生根據實驗指導書“按部就班"地完成實驗任務,學生對實驗現象往往“知其然而不知其所以然",實驗過程流于形式。如何在現有的實驗條件下改變實驗教學思想和模式,適應教育部關于新工科人才培養的要求,是當前開放實驗教學改革研究的關注重點。
    2、實驗教學模式的多元化改革
    2.1實現實驗教學的課外延伸
    實驗教學要求學生在掌握理論知識的前提下,通過實驗來驗證所學理論知識,并能進一步探索生活和工程中的應用問題。這樣的實驗目標并不囿于在實驗室中得以實現,如流體力學課程中伯努利方程這個知識點可應用于畢托管實驗、文丘里實驗、能量方程實驗等多個教學實驗中,這些實驗的實驗目的均包括對動能與勢能之間能量轉換特性的觀察學習以及對測壓排的排氣調平、運用體積法量測流量等技能的掌握。多次重復技巧性不強的動手練習,對于實驗學時少的流體力學課程而言是種浪費,解決方法是:學生在量測型實驗中最多選擇一個此類相關實驗進行操作,同時結合課堂理論知識,在課后要求學生自行組成小組,根據教師提供的方程應用案例(見表1),利用生活中的日常用品動手做實驗以驗證伯努利方程,并通過拍攝視頻清晰展示實驗過程,將原理闡述清楚。

    表1 驗證伯努利方程的課外實驗
    課外實驗的優勢在于,學生可以自己動手設計實驗,裝置簡單易做,不需要集中時間進行,若實驗失敗或效果不佳,學生可咨詢教師進行重復操作,這樣明顯比在實驗室中進行實驗更能提高學生的動手操作能力,反復實驗也強化了學生的知識體系,促使學生將理論知識運用于實踐。
    2.2貫徹啟發式實驗教學法
    演示型實驗的特點是,每種實驗儀器個數少,不具備每位學生對所有實驗都進行量測和動手操作的條件,且其屬于綜合型設備,一個實驗蘊含多種重要原理,單純依靠教師講解容易流于表面。建議采用啟發式教學模式,改變學生被動學習的習慣,要求每個實驗小組依據實驗目的研究實驗裝置的實驗原理及裝置特點[4]。在開放型實驗室中,學生可向教師預約,在實驗室反復進行實驗操作及探討交流,隨后在正式的實驗課上總結自己的實驗收獲。流體力學演示型實驗中比較典型的用于啟發式教學的實驗裝置包括虹吸管實驗(重點是如何實現虹吸管內負壓的形成、如何進行不同型式的測壓排的負壓值測量)、水擊實驗(重點是如何形成間接水擊、如何實現水擊壓強的揚水)、流動現象演示儀的操作實驗(可至少分為三個實驗小組進行,如流量計及閥門種類對比組、局部損失大小對比組、繞流運動形狀阻力大小對比組等)。
    在量測型實驗中,同樣可有效進行啟發式教學。如流體靜力學實驗測負壓時,有一組實驗明確要求實現容器中某點為負壓。這是一個非常簡單的理論應用,但或許是儀器的復雜型式擾亂了學生的“正常思維",不少學生選擇從容器底部持續放水,意圖使容器內液面降至該點以下,使該處形成負壓,可是在放水的過程中,學生很快發現這種做法不合理,從而求助于老師。這時可建議學生自繪加裝簡單測壓管的密閉盛水容器,反問學生測壓管中液位在何處時該點為負壓。不用更多地解釋,甚至還在繪制過程中,學生已恍然大悟。
    課堂所學理論知識掌握得好,不一定實踐應用得好。對有的學生來說,二者之間似乎隔著“一座山",但其實只隔著“一層膜"。啟發式實驗教學就是挑破這層膜,引導學生從被動接受轉為獨立思考和分析知識,同時這也是自我鞏固和更新知識的過程。
    3、實驗教學資源的有效利用與合理配置
    流體力學實驗設備輕便、細小,塑料軟管易老化、玻璃制品易破碎、水泵易燒壞,導致其總體使用年限較短。一旦需要更換或報廢,實驗室會考慮留下部分未損壞材料或簡易設備以備用,如測壓管、可拆卸密閉容器、管道及閥門等,可用于再組裝或改裝利用,為創新和開放實驗提供素材。
    實驗室根據實驗操作和處理數據的需要,配備了幕布、投影儀、電腦及數據處理軟件。當因實驗儀器意外故障等原因導致學生實驗計劃被打亂時,允許學生另找實驗項目代替。此時學生若不熟悉實驗設備、無法及時抓住實驗重點,會造成實驗進程的延緩。利用投影儀不間斷播放實驗課件或顯示虛擬仿真實驗平臺的操作流程,可使學生快速領會各實驗項目的實驗目的,抓住重點,盡快投入到實驗中。以往學生在實驗課后處理實驗數據、完成實驗報告,發現數據不合理或結論錯誤時已為時已晚,甚至可能為確保實驗報告的正確率,抄襲或偽造數據?,F在實驗教師要求每組學生在實驗室將記錄的實驗數據輸入電腦,利用相應的數據處理軟件完成計算,獲得最終的計算結果或規律圖,待教師檢查結論正確后方算結束實驗,如出現實驗誤差太大或實驗規律錯誤的問題則要求重做。利用軟件處理數據旨在節省學生的數據計算時間(大多是簡單重復的加減乘除),教師經過檢查可告知學生問題所在,正確引導學生完成實驗。
    多媒體課件和虛擬仿真實驗平臺的應用促使實驗教學手段靈活多樣,對開放實驗也起到一定的啟發作用。合理配置并開放共享流體力學實驗教學資源,能夠有效提高實驗教學質量,幫助學生迅速掌握實驗目的和實驗規律,同時推動流體力學實驗室的建設與管理。
    4、實驗教學內容的優化改革
    得益于實驗教學模式的多元化以及實驗教學資源的有效利用,可對流體力學實驗教學內容進行整合、優化,增加綜合性、創新性實驗內容,建立新的實驗教學體系。新型實驗教學體系主要由以下四大實驗項目組成:
    (1)基本量測型實驗。精簡傳統實驗項目,減少簡單重復的驗證性實驗,目的是通過基礎的實驗操作使學生掌握實驗方法和操作方法。對象為所有學生。
    (2)創新設計型實驗。如針對某個知識點的課外延伸實驗,學生可根據教師提供的思路或建議自行設計,或自行選擇實驗器材組裝或改裝實驗裝置,不要求*創新,目的是鼓勵學生自主設計、獨立思考及創新,訓練學生靈活運用知識的能力及動手能力。分小組進行,每組至少設計一個實驗。對象為所有學生。
    (3)綜合應用型實驗。主要針對演示型實驗,學生不僅要在實驗課上操作演示型實驗裝置、介紹實驗原理和結論,還要結合該原理自制簡易模型、模擬相關工程現象,展現該原理的實際應用。實驗目的是延伸學生的專業知識,讓理論更貼近實踐。對象為不同專業的學生,如土木專業的學生利用有色煙氣觀察繞流運動。
    (4)預約開放型實驗。以學生為主體,不限定實驗內容,可與上述三項實驗相結合,甚至與課外競賽活動、科研項目相結合,確保實驗的*開放。
    實驗成果的提交有多種選擇,但注意內容不要重復。預約開放型實驗不作特定要求,建議實行加分制。對象為有興趣的學生。
    5、結語
    隨著實驗教學理念的變革,采用創新、開放的實驗教學模式已成為當前實驗教學改革的潮流之一。中南大學土木工程學院流體力學團隊依據課程實驗目標,在實驗教學手段和教學內容方面積極探索和改革,建立并逐步完善新的實驗教學體系,使傳統式實驗和開放式實驗并重,在培養學生創新能力、團隊合作能力方面取得了一定的成效,也進一步提高了新工科人才培養質量。


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