流体力学实验教学改革探讨
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作者: 许 强,朱士江
摘要:流体力学是高等工科院校普遍设置的一门技术基础课,随着教学改革的深入,流体力学实验教学出现了一些问题。在分析流体力学实验教学现状基础上,针对流体力学实验内容、实验教材及课程考核体系存在的问题,提出了各自的解决办法。
关键词:流体力学;实验课程;教学改革
中图分类号:G423.06 文献标志码:A文章编号:1673-291X(2010)17-0254-02
流体力学是水利、土木类专业的一门重要技术基础课,整个课程体系包括理论分析、科学实验与数值计算,在我国高等学校工科专业形成了稳定的颇具特色的教学模式。随着教学改革的不断深入,传统的实验教学在培养学生实践能力和创新能力方面明显显示出不足:在实验内容上单调又陈旧,偏于基础,难以激发学生兴趣;实验设备大多数过于陈旧,多由学校集体申购,教师学生参与程度低;教学方法老套,多采用老师讲解基本原理,之后做示范实验,学生随后模仿这一模式,无法充分调动学生积极性;实验教学教材陈旧,不能适应实际需要;缺乏恰当的评价体系,导致教学双方积极性丧失。因此,在经济建设和科学技术高速发展的今天,本着培养创新性应用型人才的目标,必须对流体力学实验课程教学进行改革。
一、流体力学实验内容的改革
传统的流体力学实验内容包括以下几类。
第一类:液体静压强测定实验,流线演示实验、能量方程实验、文丘里流量系数测定实验、毕托管测流速实验、明渠断面流速分布测定、水面曲线实验、水电比拟实验。
该类实验以认识流体力学基本概念为主,在实验的过程中加深对基本概念的理解,可以归类为认识概念型实验。
第二类:液体的相对平衡实验、动量定理实验、雷诺方程实验、伯诺里方程实验、沿程阻力系数测定实验、局部阻力系数测定实验、达西定律渗流实验。
该类实验以验证流体力学基本原理为主,学生通过动手操作实验设备,达到预期目的,从而理解流体力学经典理论,可以归类为理论验证型实验。
第三类:孔口与喷嘴出流实验、水跃实验、堰顶溢流实验、闸孔出流实验。
该类实验主要通过老师操作,学生观摩的方式完成,从而初步了解流体力学基本原理在实际工程中的应用,可以归类为观摩型实验。
这三类实验其优点是理论成熟且实验开展难度不大,易于学生动手操作。因此,应用广泛,各大高校都在进行类似实验。但也存在明显缺点:第一类第二类实验本身缺乏新鲜感,学生在动手之前已经知道了实验结果,实验过程十分机械,甚至敷衍了事;第三类实验对多数学生有吸引力,学生积极性也高,但是无法参与。
基于此,应从以下几方面入手对流体力学实验内容进行改革。
1.适当减少认识概念型、理论验证型实验的开出数量,将观摩型实验以学生参与、教师指导的方式进行。例如,对于水跃实验,可以完全放手给学生去做,从调试设备到实验开始到水跃形成到改变水跃形式,都由学生自己去完成,教师只起释疑解惑的作用。
2.实验内容应与各专业本身相结合。以本校为例,流体力学实验作为土木工程专业、水利水电工程专业、农业水利工程专业共同的实验科目,由于其各自专业目标的差异、学生专业知识构成的不同,其对于流体力学知识体系的兴趣点也不一样,为此,流体力学实验内容应该考虑到这些专业差异,进行特色教学。为此,针对土木工程专业,增设过桥涵洞流体特性及管流力实验内容;针对水利水电工程专业,增加洪水演示实验,增加大型水利工程模型试验等;针对农业水利工程专业,增加地面灌溉模拟实验,增加农田灌溉系统实验等。
3.在实验教学方法上,由以教师为主转换为以学生自己动手为主,教师只起指导性作用。同时,流体力学实验教学与理论教学密切配合,最大程度调动学生学习的积极性,鼓励学生的自主创新,对于学生在实验课程中提出的看法和见解要注意保护。
4.在流体力学实验教学方式上,充分利用多元化手段,改变以往单一的实验室教学法。将流体力学实验教学与工科专业实践性教学密切结合。例如,在农业水利工程专业本科实习中,注意引导学生观察,记录农业水利工程中的流体力学工程实例,并就相关实际问题运用流体力学基本原理予以讲解。
5.将流体力学物理试验与数值试验相结合,培养学生的动手能力及科研素质。目前,流体力学实验大多以物理模型试验为主,对于数值实验鲜有提及。在计算机教育高度普及的今天,各学科与计算机相结合,走数字化道路已成为共识。流体力学基本实验,原理明确、理论成熟,具备了开展数值试验的先天优势,而工科学生本身又对计算机兴趣较大,如能正确加以引导,必将大大提高学生参与的积极性。例如,对于突扩流动[1],教师可以先指导学生进行物理试验,之后开展数值试验。
二、流体力学实验教材的改革
由于长时期的对于流体力学实验课程的不重视,也导致了流体力学实验教材更新换代的滞后,表现在以下几方面。
1.教材内容陈旧,多数沿袭以往几十年的内容,其中的多数设备目前已经早就被淘汰,所讲内容与时代要求、社会需要有一定距离,因此,更新陈旧的流体力学实验教材内容势在必行。
2.教材讲述性内容太多,留给学生独立思考的空间太少。现有流体力学实验教材沿袭了传统教材的严谨风格,推理严密、论证准确,实验过程的每一个环节讲的都很清楚,甚至于每一个环节可能出现的问题及对策就已经给出。这种特点在保证了实验的准确进行的同时,也束缚了学生的手脚,几乎没有给学生留下独立思考的空间,同时也使学生对实验失去了兴趣,没有了探索的欲望。
为此,可以对流体力学实验教材进行如下方面的改革,以求其与时俱进。
1.实验教学教材内容必须与实验设备同步,每更新一批实验设备,须及时地将其操作规程、注意要点等事项补充入实验教材内容中,做到常用常新。
2.针对各专业对流体力学不同层次的要求,广泛收集实验在不同领域中的应用,结合各专业工程实际,对流动现象、机理、发生条件等,结合实验结果给予详细的描述和解释,培养学生的专业感情,提高学习兴趣,提高实际工程应用能力。例如,结合能量方程实验,介绍水利水电工程专业南水北调水利工程中的穿黄隧道倒虹吸设计及农业水利工程中的农田水泵站设计。
3.在流体力学实验教材编写中编写实验教材时,为了让学生了解所做实验的历史、当时的实验条件、有关学科的发展情况、该实验对流体力学的贡献等,在每个实验前编写“实验中的发现”部分。如孔口与管嘴实验:当时伽利略(1564―1642)成功地解决了自由落体和抛射体问题;托里拆里(1608―1647)也用实验的方法研究了容器出流的射流形状、速度和流量问题,并提出了射流速度与水的高度成正比;约100年后,伯努利(1667―1748)精确地确定了射流速度的公式。
4.在流体力学实验教材编写中,立足本校实际,同时注意吸收国内外相关先进成果。如本校新编的《流体力学实验指导与练习》是编者总结了三十多年的实验教学经验,结合理论教学和实践教学,在编者进行的设备研制和设计的基础上,参考了清华大学、河海大学等知名院校的水力学实验教学方面的资料,并广泛地吸取国内外实验教学教材中的优点编写而成。在编写过程中始终贯彻理论联系实际,注重实践环节,并结合了小型台式自循环仪器的开发和使用,力求符合学生的认识规律及便于自学的原则。
三、流体力学实验课程考核体系的改革
由于缺乏相应的约束机制以及考核方式的不合理导致流体力学实验课中存在着以下问题。
1.学生对流体力学实验课程本身认识不足,积极性不高。随着高校扩招,流体力学实验常采用几人分成一个小组的形式进行,结果导致小部分学生做,其他学生看的局面。同时,学生也仅仅认为实验课是对理论课某些知识的简单验证,兴趣寥寥。
2.学生动手能力差。在实验课进行中经常发现,学生对于实验设备相当陌生,对于教师事先安排的预习实验要点等反应迟钝,即便是进入实验室后,也只是在事先布置好的设备上测定几个数据,部分同学甚至干脆不做。
3.实验报告千篇一律,抄袭普遍,全班同学一个版本。
基于以上情况,必须对流体力学实验课程考核体系进行改革,以便从根本上改变这种现状。在借鉴,调研国内同行经验的基础上,我们认为可以从以下几点着手。
1.实验教学单独考查计算成绩,并实行实验成绩一票否决制。实验成绩必须及格并以30%左右的比例将其汇入课程总成绩。这样有利于调动教学双方的积极性,克服部分学生重理论、轻实验的思想,为保证实验教学提供有利条件。
2.实行必做实验和选做实验相结合。增设选做流体力学实验项目,为学有余力的学生提供更多的锻炼机会。试行结果表明,有相当多的学生会加做2―3项选做实验。
3.增加实验演示内容。为了使学生加深理解,支持个人独立完成实验。实验室在实验周或实验月全天开放的情况下,实验室初步具备学生独立实验的条件,通过独立实验能使学生得到更大的锻炼。
4.实施创新性的综合实验。通过学生自主设计的创新性实验,培养学生分析流体力学问题能力和创新意识。让学生将所学的流体力学知识、理论广泛联系和应用于实际工程中,加强了对广义的概念的理解,提高流体力学学生的综合索质,给学生更多的创新的机会,使他们的潜能充分发挥出来。
在流体力学实验课程教学中,以上几点分别计分,最后乘以相应权重,即为该生最终成绩。
流体力学实验教学在流体力学学习过程起到重要的作用。实验课程能够调动学生的主观能动性,引导学生学习,并促使教师必须不断拓宽知识面,提高自己的理论水平。这样,实验指导教师的水平与教学态度也得到了学生的普遍赞扬,学生做实验的积极性也得到了很大的提高。
参考文献:
[1] 朱士江,李占松.突扩流动主流偏转特性数值模拟研究[J].水科学进展,2009,(3).
[2] 闻建龙,陈汇龙,王军锋,朱曾.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,(12).
[3] 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,(1):123-124.
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