以问题为导向的流体力学实验设计

1、以问题为导向的流体力学实验设计摘 要 创新是一个民族的灵魂，如何在本科教学过程中培养学生的创新意识和创新思维，是高等学校的每一 位教师应该考虑的问题。流体力学实验是流体力学课程重要的实践环节，为在实验教学过程中提高学生的创新 意识和创新思维，我们采用了以问题为导向的教学设计。以流体静力学实验为例，在常规的基础性实验对静力 学基本方程进行验证的基础上，以问题为导向引导学生进行拓展性实验，使学生在理解实验原理的基础上，对提 出的问题进行思考讨论，并自行设计实验。通过以问题为导向的拓展性实验能够促进学生学用结合，拉近理论 与应用的距离，有利于开启学生的头脑风暴，提高学生的创新能力。关键词 流体力学实

2、验 创新思维 拓展性实验 问题导向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引言自十八大以来，习近平总书记在公开讲话和报道中上 千次的提到创新”一词,可见创新在国家发展、民族振兴中 的重要性。在新工科背景下创新驱动是大势所趋，作为为 国家发展不断提供人才储备和智力支持的高等学校，也越 来越认识到创新人才培养的重要性。无论是技术创新还是 知识创新,都离不开具有创新意识和创新能力的人才，本科 教学创新是关键。流体力学是机械、采矿、土木、地质、工程力学等专业必 修的技术基础课程，在工程技术领域有着广泛的应用，如采 矿过程中的通风、排水、压气，机械工业中的润滑、冷却、液 压传动及控制，水利工

6、程、采暖通风、石油化工、航空航天等 都需要依靠流体力学的基础理论，而流体力学实验是流体 力学教学过程中的一个重要环节，对培养学生的实践能力， 提高学生的观察分析能力、学用结合能力和创新思维能力 具有重要的作用。对于流体力学的实验教学,很多学者做了大量探索性、 研究性的工作，管新蕾等通过创新流体力学实验设备，加 强对学生创新能力的培养杜娇娇，杨国鑫等2对基础性实验 进行了拓展与探索;吴正人等3对工程流体力学虚拟实验平 台进行了建设与实践;曹勇等4利用旋转平台模拟地球旋转 对流体流动的影响;黄彪等5探索了循环水洞测试技术在流 体力学研究教学中的应用;邓辉等采用研讨课模式对流体 力学实验教学进行了改

7、革;张慧晨将流体力学实验分成演 示性、验证性及设计性三类，构建了阶梯形工程流体力学实 验教学模式;姜楠,孙伟总结了流体力学在液压技术中的 应用。前人的工作为流体力学的实验教学拓展了思路，提供 了有益的启示。针对同学们普遍反映流体力学课程理论抽 象，理论和实践脱节的问题，我们在流体力学实验教学中， 开展了以问题为导向的流体力学实验教学的探索和实践。 在实验内容上，将流体力学实验分为基础性实验和拓展性 实验。其中拓展性实验以问题为导向展开。两类实验内容 如图1所示。本文以流体静力学实验为例说明以问题为导 向的拓展性实验的实施。I实验内容II基础单实验I拓展乎实验I实验目的 实验设备 实验原理 实验

8、步骤 数据处理设计实验 分析思考 工程应用 学用结合 发明创造图1问题导向的流体力学实验设计1以问题为导向的流体静力学实验设计1.1流体静力学基础性实验流体静力学基础性实验内容包括准确运用流体静力学 实验设备对静力学基本方程的验证，掌握用测压管测量流 体静压强的技能，加深对位置水头、压强水头、测压管水头、 等压面等概念的理解。1.测压管；2.带标尺测压管；3.连通管；4.通气阀；5.加压 打气球；6.真空测压管7.截止阀；8.U形测压管;9.油柱；10. 水柱；11 .减压放水阀图2流体静力学实验仪9图2为流体静力学实验仪。实验前，学生通过预习了解 实验设备、实验目的、实验原理和操作步骤及注意

9、事项。实 验过程中学生独立操作,通过实际测量A、B、C、D四点的位 置水头、测压管水头，验证不可压缩流体静力学基本方程10 z + =C(1)pg实验中要求调节压力p0； p=0； p0三种状态,在学生 熟悉设备的过程中引申出理想气体状态方程，明确调节压 力的措施和原理。同时以提问形式让学生找出等压面，确 认测压管、连通管等。1.2流体静力学拓展性实验拓展性实验的目的主要是培养学生学用结合能力和创 新能力。在这部分实验中指导老师围绕实验原理提出问题、 加以引导。在静力学拓展性实验中提出了如下三个问题：问题一利用现有的静力学实验设备测定某种与水互 不混掺流体(如花生油、大豆油等)的密度，以下是学

10、生给出 的解决方案：方案一利用一 U形测压管(如图3所示)，找到等压 面AB，利用直尺测量U形测压管两侧油柱高度H和水柱 高度h1o因为水的密度为已知，由等压面原理有图3油密度测量方法一方案二不用直尺，直接利用图2流体静力学试验仪中 带标尺测压管2进行测量，具体步骤：关闭通气阀4,用打气球5充气，直到U形管水面 与油水交界面齐平，如图4(a)所示，得到( 3 )打开放水阀11降压，直到U形管中水面与油面齐 平，如图3(b)所示(4 )联立式(3)和式(4)得到油的密度hP=Pw 冗志;(5)图4油密度测量方法二问题二让学生观察医院里打点滴的吊瓶和家用饮水机 的出流，提出的问题是无论吊瓶和水桶中

11、的液位是深是浅, 出口的流量是恒定不变的，请同学们自行画出饮水机的工作 原理。通过查阅资料，学生弄明白了马里奥特容器（图5）恒 定出流的原理。学生开展脑力风暴，举一反三，将马里奥特 容器倒过来,就是打点滴的吊瓶;加上阀门和加热盘就成了 可供常温水和热水的家用饮水机，如图6、7所示。图6图6打点滴的吊瓶图5马里奥特容器112结论在流体力学的实验教学中,学生通过实验前预习、实验 课堂实际操作、课后数据处理等过程完成基础性实验，对基 本原理进行验证,加深对流体力学基本概念的理解。图8数字式液位显示仪通过以问题为导向的实验设计，可极大的激发学生的 好奇心和创新欲望。同学们通过查找资料寻去答案，并通 过文字、图表进行总结，并以此为契机，进行举一反三。事 实证明，以问题为