创新流体实验仪器探索创新型人才培养

1、创新流体实验仪器，探索创新型人才培养1)摘要 实验教学是理论联系实践的关键环节，对于学生的综合素质培养和提高有重要意义，而传统的实验 教学模式已难以满足社会对工程应用型创新人才的要求。本文结合流体力学实验教学改革实践，探讨了改进自 制流体力学实验仪器设备对提升大学生创新精神和创新能力的作用。创新化的实验教学，有助于激发学生自主 实验的积极性，进而增强了他们应用已学知识解决复杂实际问题的创新能力。关键词 流体实验，教学模式，仪器改进，人才培养INNOVATIVEORIENTED TALENT CULTIVATION BY INNOVATING THEEQUIPMENT IN EXPERIMENT

2、AL TEACHING OF FLUID MECHANICS1)Abstract The teaching of experimentation is a key link between the theory and the practice, which is of great significance to cultivate and improve students comprehensive quality. However, the traditional teaching model is not adequate to meet the requirement for inno

3、vative-oriented engineering talents. In this paper, the effect of developing the experimental equipment of fluid mechanics on improving undergraduates innovation spirit and ability is discussed, combined with the experimental teaching reform practices of fluid mechanics. The innovative experimental

4、teaching can stimulate the students enthusiasm for doing experiments and enhance their innovative ability to solve complex practical problems with the knowledge they have learned.Key words experiment of fluid mechanics, teaching mode, equipment development, talent cultivation流体力学是热能与动力工程、过程装备与控制 工程、

5、土木工程、资源勘查工程等专业的必修课璀, 同时也是很多工科专业重要的专业基础课。流体力 学是力学中的一个重要分支学科，主要研究流体的 运动和平衡规律以及流体和固体之间、流体与流体 之间力的相互作用规律。其内容丰富，理论性强，对 学生的物理、数学基础要求较高，学习难度较大。而 且学科本身具有理论和实践紧密结合的特点，它的 许多问题，即使能用现代理论分析与数值计算求解, 最终还是要借助于实验加以检验和修正。由此，实验 教学也成为学生掌握流体力学知识和技能尤为重要 的一个教学环节冏。然而，一方面传统的流体力学实 验大多采用以教师为主体的演示型教学模式，实验 选择上也偏向于验证性实验囹。学生基本只是依

6、样 画葫芦式地进行实验测量，在给定的实验报告上填 写数据、计算结果，实验课后思考千篇一律。更有甚 者，为了与已有实验结论相符，偶尔还存在拼凑数据 的情况，而非仔细分析误差的原因。长此以往会助长 学生的惰性，使他们失去对专业的兴趣和自主学习 的意愿，专业技能与创新能力也很难有所提升乒6。 另一方面，受客观因素，如仪器设备经费、实验场地 和实验人员队伍等制约，实验教学仪器更新缓慢，设 备老化及零部件损坏，严重影响实验教学结果，使得 教学效果大打折扣。而且随着工程科学技术的发展, 基础课程的实验教学也需要与时俱进，开设新的流 体实验项目，但目前市场上所购置的教学仪器相对 固化单一、功能有限，不利于实

7、验教学的进一步拓展 和创新。为适应不同专业的教学目标，实验教学的内 容和形式往往需要改造与创新。开发新实验、研制新 设备，若只是依靠实验人员，人力有限，难以满足实 验教学快速发展的需求I7-8。针对上述流体力学实验教学中存在的问题，我 校能源与动力工程学科综合训练中心尝试与大学生 创新创业等项目相结合，作为流体课程实验教学的 补充，组织学生对老旧的实验教学仪器进行改良，开 发新的实验装置，改造开发后的仪器设备投入下一 届的实验教学环节中，形成良性循环。1学生自主改造实验仪器在学生修完流体力学课程和课内实验后，实验 中心的教师精心选取若干个仪器设备改造专题。其 涉及的仪器设备均是老化闲置，且通过

8、重新设计创 造能开发出新的教学实验的设备。同时专题的设置 也考虑到了学生现阶段的专业基础与知识能力，以 及项目完成的工作量。学生自发成组、自由选题，教 师分组指导学生改进流体实验教学仪器。优化过程 主要分为以下四个阶段：前期准备阶段。设计改造工作开展前，指导 教师向学生简单介绍需要改进优化的实验设备，提 出预期目标和验收标准，引导学生发现仪器设备现 存的问题。针对这些问题，学生自己查找资料、自行 讨论，提出解决办法，设定实施方案，确定研制计划, 合理安排分工。学生制定的改造内容和进展计划，在 实验中心教师确认可行后，方才开始设计加工。设计加工阶段。面对实际的流体问题，学生 采用理论计算或仿真模

9、拟的方式，核算出配件的尺 寸、安装位置等参数，依据适用情况合理选型、确定 数量，并对设计结果进行校核，绘制加工图纸。指导 教师审核设计说明书和图纸，指出不合理或需改进 之处，学生翻阅文献、组内讨论，反复修改、完善。 设计工作完成后，按照设计说明书和加工图纸，在经 费预算的指导下，学生执行采购或加工仪器设备的 各组成部分。为了避免不必要的浪费，实验中心的教 师从旁指点、协助。安装调试阶段。组内成员相互配合，协作将 购置或加工好的配件进行组装，如涉及技术含量较 高的装配工作，由专业人员负责安装。仪器设备安装 完毕后进行调试，如发现问题，讨论解决方案，做局 部调整，多次调试直至达到设计标准。优化验收

10、阶段。成果验收分为两部分，一部 分为实验设备的验收，学生讲述各自承担的工作，讲 解设计思路，并在实验台上实际操作。另一部分为实 验报告，学生按规范自主编写实验报告，不仅写出实 验步骤、注意事项、详细的数据处理，而且通过亲身 改造过程和实际测量结果分析误差产生的原因。利 用设计的成果，鼓励学生申请专利或发表小论文。2实践案例与人才培养实验中心的一台流体力学多功能实验台，因设 计结构不合理、实验结果不理想而被长期搁置。中 心教师与省级大学生创新创业项目相结合，指导学 生对其进行改造开发。改造前期，学生先行熟悉实 验台，了解预期所要开设的实验，包括雷诺实验、文 丘里流量计、能量方程、局部和沿程阻力实

11、验，搜 集并整理各个实验的实验原理与测试方法，以及实 验装置的相关参数。指导教师带领学生对现有实验 台进行试验，引导学生独立思考，探究实验设备存 在的缺陷。学生经过多次组内讨论，总结归纳出四 大问题：水泵型号不合适、管路、比压计及水箱设 计不合理，导致装置能耗过多，实验误差过大。针 对上述问题，组内成员讨论定下大致的整改方向, 分配工作任务。在此过程中，不仅提升了同学们自 主学习的积极性，还培养了他们发现问题、分析问 题和解决问题的能力，使其了解项目开展的常规流 程，具备完成工程或科研项目的基本素养。在仪器 设计阶段，各成员分工协作。负责水泵选型的学生 根据相关实验装置的参数，进行管路计算，确

12、定水 泵的扬程和流量等基本物理量，并结合实际使用诉求完成水泵选型。负责管路设计的学生重新设计实 验管道，布置测压孔，计算不同阀门开度下的测压 管水头，并对管道的设计与计算进行修正。设计比 压计的学生则查清漏水、气塞的原因，根据测量需 求确定比压计类型并重新设计其外观。水箱的优化 是通过仿真软件，模拟水箱及管道入口处水流情况, 寻找水流稳定的最佳改造方案与最佳放置方式。这 四部分的设计改造工作，在巩固学生所学流体力学 的基础上，结合实验测试与模拟仿真技术，给予了 他们充分的自主性，培养了其勇于尝试、勇于探索 的创新精神。加工安装阶段，学生将设计成果绘制 成CAD装配图、撰写设计说明，购置配件、自

13、行动 手加工安装（图1和图2）。该环节锻炼了学生的动 手和沟通能力，而且在他们与相关专业人员的交流 中，不断提升自己绘制装配图的规范性和严谨性，更 让他们清楚自己设计理念如何落地，由此增强了社 会经验，为今后踏上工作岗位奠定坚实基础。实验 台安装完毕后，项目组成员几经调试，设备运行正 常，进行单项流体力学实验，实验结果与理论值相 符，能反映流体力学的基本规律，满足于实验教学的 日常需求，顺利通过验收。学生在此阶段编写实验 设计思想、实验心得，充分给予学生主动权，有效地 训练他们对科学报告的撰写能力。3结语流体力学实验教学仪器的优化，不仅可以有效 地推动实验教学中心的建设和实验教学水平的提高, 而且给学生提供了接触实际工程或科研项目的机会。 通过改革与实践，树立以学生为主体的教学理念，使 学生在学习和实践过程中拥有了更多的主动权和发 挥空间；建立融知识传授、创新能力培养和科学素质 提高为一体的教育教学模式，加强实验教学的综合 性、研究性、设计性、创新性和实践性，全面培养学 生的探索精神、科学思维、实验技能和创新能力；学 生在与相关行业工程技术人员交流中，拓展专业眼 界、夯