1、以問題為導向的流體力學實驗設計摘 要 創(chuàng)新是一個民族的靈魂，如何在本科教學過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，是高等學校的每一 位教師應該考慮的問題。流體力學實驗是流體力學課程重要的實踐環(huán)節(jié)，為在實驗教學過程中提高學生的創(chuàng)新 意識和創(chuàng)新思維，我們采用了以問題為導向的教學設計。以流體靜力學實驗為例，在常規(guī)的基礎性實驗對靜力 學基本方程進行驗證的基礎上，以問題為導向引導學生進行拓展性實驗，使學生在理解實驗原理的基礎上，對提 出的問題進行思考討論，并自行設計實驗。通過以問題為導向的拓展性實驗能夠促進學生學用結合，拉近理論 與應用的距離，有利于開啟學生的頭腦風暴，提高學生的創(chuàng)新能力。關鍵詞 流體力學實

2、驗 創(chuàng)新思維 拓展性實驗 問題導向Problem-oriented Fluid Mechanics Experimental DesignAbstract Innovation is the spirit of a nationality. How to cultivate students innovative thinking is a problem that every schoolteacher in colleges or universities should be considered. Experiment is an important part in fluid mech

3、anics. During experiment teaching, experiments are designed as basic experiments and problem-oriented extended experiments. Taking the hydrostatics experiment as an example, basic experiment is used to verify the hydrostatics basic equation, the problem- oriented extended experiment is used to guide

4、 students thinking and discussing, and further designing the experiments by themselves. The expanded experiment can promote the combination of learning and application, open up students brainstorming, and improve students innovative ability.Keywords experiment of fluid mechanics; innovative thinking

5、; extended experiment; problem orientation0引言自十八大以來，習近平總書記在公開講話和報道中上 千次的提到創(chuàng)新”一詞,可見創(chuàng)新在國家發(fā)展、民族振興中 的重要性。在新工科背景下創(chuàng)新驅動是大勢所趨，作為為 國家發(fā)展不斷提供人才儲備和智力支持的高等學校，也越 來越認識到創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要性。無論是技術創(chuàng)新還是 知識創(chuàng)新,都離不開具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才，本科 教學創(chuàng)新是關鍵。流體力學是機械、采礦、土木、地質、工程力學等專業(yè)必 修的技術基礎課程，在工程技術領域有著廣泛的應用，如采 礦過程中的通風、排水、壓氣，機械工業(yè)中的潤滑、冷卻、液 壓傳動及控制，水利工

6、程、采暖通風、石油化工、航空航天等 都需要依靠流體力學的基礎理論，而流體力學實驗是流體 力學教學過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學生的實踐能力， 提高學生的觀察分析能力、學用結合能力和創(chuàng)新思維能力 具有重要的作用。對于流體力學的實驗教學,很多學者做了大量探索性、 研究性的工作，管新蕾等通過創(chuàng)新流體力學實驗設備，加 強對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)杜嬌嬌，楊國鑫等2對基礎性實驗 進行了拓展與探索;吳正人等3對工程流體力學虛擬實驗平 臺進行了建設與實踐;曹勇等4利用旋轉平臺模擬地球旋轉 對流體流動的影響;黃彪等5探索了循環(huán)水洞測試技術在流 體力學研究教學中的應用;鄧輝等采用研討課模式對流體 力學實驗教學進行了改

7、革;張慧晨將流體力學實驗分成演 示性、驗證性及設計性三類，構建了階梯形工程流體力學實 驗教學模式;姜楠,孫偉總結了流體力學在液壓技術中的 應用。前人的工作為流體力學的實驗教學拓展了思路，提供 了有益的啟示。針對同學們普遍反映流體力學課程理論抽 象，理論和實踐脫節(jié)的問題，我們在流體力學實驗教學中， 開展了以問題為導向的流體力學實驗教學的探索和實踐。 在實驗內(nèi)容上，將流體力學實驗分為基礎性實驗和拓展性 實驗。其中拓展性實驗以問題為導向展開。兩類實驗內(nèi)容 如圖1所示。本文以流體靜力學實驗為例說明以問題為導 向的拓展性實驗的實施。I實驗內(nèi)容II基礎單實驗I拓展乎實驗I實驗目的 實驗設備 實驗原理 實驗

8、步驟 數(shù)據(jù)處理設計實驗 分析思考 工程應用 學用結合 發(fā)明創(chuàng)造圖1問題導向的流體力學實驗設計1以問題為導向的流體靜力學實驗設計1.1流體靜力學基礎性實驗流體靜力學基礎性實驗內(nèi)容包括準確運用流體靜力學 實驗設備對靜力學基本方程的驗證，掌握用測壓管測量流 體靜壓強的技能，加深對位置水頭、壓強水頭、測壓管水頭、 等壓面等概念的理解。1.測壓管；2.帶標尺測壓管；3.連通管；4.通氣閥；5.加壓 打氣球；6.真空測壓管7.截止閥；8.U形測壓管;9.油柱；10. 水柱；11 .減壓放水閥圖2流體靜力學實驗儀9圖2為流體靜力學實驗儀。實驗前，學生通過預習了解 實驗設備、實驗目的、實驗原理和操作步驟及注意

9、事項。實 驗過程中學生獨立操作,通過實際測量A、B、C、D四點的位 置水頭、測壓管水頭，驗證不可壓縮流體靜力學基本方程10 z + =C(1)pg實驗中要求調節(jié)壓力p0； p=0； p0三種狀態(tài),在學生 熟悉設備的過程中引申出理想氣體狀態(tài)方程，明確調節(jié)壓 力的措施和原理。同時以提問形式讓學生找出等壓面，確 認測壓管、連通管等。1.2流體靜力學拓展性實驗拓展性實驗的目的主要是培養(yǎng)學生學用結合能力和創(chuàng) 新能力。在這部分實驗中指導老師圍繞實驗原理提出問題、 加以引導。在靜力學拓展性實驗中提出了如下三個問題：問題一利用現(xiàn)有的靜力學實驗設備測定某種與水互 不混摻流體(如花生油、大豆油等)的密度，以下是學

10、生給出 的解決方案：方案一利用一 U形測壓管(如圖3所示)，找到等壓 面AB，利用直尺測量U形測壓管兩側油柱高度H和水柱 高度h1o因為水的密度為已知，由等壓面原理有圖3油密度測量方法一方案二不用直尺，直接利用圖2流體靜力學試驗儀中 帶標尺測壓管2進行測量，具體步驟：關閉通氣閥4,用打氣球5充氣，直到U形管水面 與油水交界面齊平，如圖4(a)所示，得到( 3 )打開放水閥11降壓，直到U形管中水面與油面齊 平，如圖3(b)所示(4 )聯(lián)立式(3)和式(4)得到油的密度hP=Pw 冗志;(5)圖4油密度測量方法二問題二讓學生觀察醫(yī)院里打點滴的吊瓶和家用飲水機 的出流，提出的問題是無論吊瓶和水桶中

11、的液位是深是淺, 出口的流量是恒定不變的，請同學們自行畫出飲水機的工作 原理。通過查閱資料，學生弄明白了馬里奧特容器（圖5）恒 定出流的原理。學生開展腦力風暴，舉一反三，將馬里奧特 容器倒過來,就是打點滴的吊瓶;加上閥門和加熱盤就成了 可供常溫水和熱水的家用飲水機，如圖6、7所示。圖6圖6打點滴的吊瓶圖5馬里奧特容器112結論在流體力學的實驗教學中,學生通過實驗前預習、實驗 課堂實際操作、課后數(shù)據(jù)處理等過程完成基礎性實驗，對基 本原理進行驗證,加深對流體力學基本概念的理解。圖8數(shù)字式液位顯示儀通過以問題為導向的實驗設計，可極大的激發(fā)學生的 好奇心和創(chuàng)新欲望。同學們通過查找資料尋去答案，并通 過文字、圖表進行總結，并以此為契機，進行舉一反三。事 實證明，以問題為