基于海洋科学创新型人才培养的流体力学实验教学初探

1、基于海洋科学创新型人才培养的流体力学实验教学初探摘要：围绕培养创新型人才的教育理念，海洋科学流体力学实验课程承担着培养 学生认识海洋现象,深入理解海洋动力过程的重要任务开设基本性实验,使学生 掌握流体能量转换、流体流动状态、边界层基本知识，增设海洋类专业性实验，启蒙 学生认识地球流体的运动特性，开展自主设计创新性实验有利于激发学生科研兴 趣，使学生通过学习能透过现象认识本质，从而全面系统地认识海洋 关键词：流体力学实验；海洋科学；创新型人才；地球流体；海洋波动Discussion on Experiment Teaching of Fluid MechanicsBased on Marine

2、Science Cultivation Innovative TalentsAbstract: In order to cultivate the innovative talents, course of hydromechanics experiment for students major in marine science is set up so that the students can have a better understanding of the phenomena and dynamics in the ocean. The characteristic of the

3、fluid can be learnt by the students through basic experiments, while the geophysical fluid dynamics can be understood through specialized experiments. In addition, innovative experiments carried out by the students can make them have deep comprehension of the ocean.Key words： hydromechanics experime

4、nt; marine science; innovative talents; geophysical fluid; waves in oceano引言探索具有自主特色的创新型人才实践教育模式是 当前高校面临的重要课题E,目前迫切需要高校建立 创新型人才的培养模式，以培养学生的实践动手能力、 科研创新能力。实验教学是学生探索未知知识的 重要途径，进行专业性探索学习,是培养学生实践创新 能力的最佳方式和方法。流体力学课程是海洋科学专业后续学习专业课的 基础性课程，流体力学实验是对流体力学抽象复杂的 理论知识的验证和演示，对学生学习流体力学乃至地 球流体动力学等后续专业性课程起到了非常重要的 作用

5、X。海洋科学是以地球流体为研究对象，其运动规律 除与普通流体一致外，还受热力、重力及地球旋转这3 种基本因素的支配，使得地球流体运动区别于一般流 体的特性，即旋转和层结。发生在海洋和大气中的大 尺度运动都遵循旋转层结流体运动的普遍规律。 为了更好地突出海洋科学专业特色，培养海洋科学专 业学生实践创新能力，中国海洋大学流体力学实验课 程自2007年开始进行了一系列改革，对认识流体力学 基本现象的实验内容放入理论教学中，增设了实验讲 授学时，将实验教学中常用的测量方法、技术手段开设 专题为学生讲授，实验教学中除了基本实验外，还加入 了自主设计创新性实验模块，为学生提供了一个初步 进行科学研究、培养

6、创新思维的平台，对培养学生自主 设计实验能力，提高创新性思维，起到了至关重要的 作用。海洋科学流体力学实验课程从夯实流体力学基 础、培养地球流体实践能力教学目标出发，使学生通过 基本性实验，掌握流体能量转换、层流和流态及其转捩 特征、边界层基本知识;增设专业性实验，加强学生对 海洋现象和过程的深入认识;而自主设计创新型实验 致力于激发学生科研兴趣，启蒙学生认识地球流体的 运动特性，从而全面系统地认识海洋。1夯实流体力学基础海洋和大气作为流体，其运动遵循流体力学的一 般规律，因此开展普通流体实验教学可以增强学生对 普通流体运动一般规律的直观认识。普通流体的基本 实验教学设备完善，且多为管道流实验

7、，经过甄选，可 以应用在海洋科学流体力学实验教学的有伯努利方程 实验、雷诺实验、边界层实验等,这些都是流体力学实 验教学中的经典实验。伯努利方程体现了流体能量守恒的关系，表征了 能量转换，突出了流体速度与压强之间的关系。雷诺 实验通过观察圆管中流体的流动状态,确定其转捩特 征，掌握无量纲参数在实验中的应用，为学生开展自主 设计创新型实验提供支撑。边界层实验的测定是流体 力学最为基础的实验之一,测量平板边界层流速剖面, 可以加深学生对边界层概念的认识，了解层流和湍流 边界层的差异。若使用热线热膜风速仪进行边界层实 验的测定,还可以得到气体脉动速度的时空分布及风 场湍流度等重要特征，对于学生深入理

8、解湍流特征、边 界层结构等都十分重要。2增设海洋科学特色实验海洋中存在着各种尺度的过程，包含罗斯贝波等 大尺度运动过程、内波与中尺度涡等中尺度过程、海浪 等小尺度运动过程。它们之间并不是孤立的，而是存 在着相互作用及能量交换，因此开展海洋科学地转实 验、海洋波动实验对学生认识海洋现象和海洋中的动 力过程起到了重要的作用，亦可激发学生科研兴趣,探 究海洋现象和过程,全面系统地认识海洋。依托学校强大的科研优势,面对物理海洋小学科 实验教学设备不足的情况，流体力学实验室教师注重 实验教学设备的研发，研制了小型地球旋转实验平台、 海洋波动实验平台,应用于本科生的实验教学。大尺度地球流体运动首先最主要的

9、特征是地转效 应,地转效应最直观的现象是产生垂直刚性,地球流体 遵循Taylor-Proudman定理，开展泰勒柱实验是对学生 认识地球流体旋转效应最直接的手段。西向强化是受 地转效应影响的典型的海洋现象，西边界流在全球海 洋物质输运、能量交换与气候调节中发挥着关键作 用囱。开展西边界流实验，可以让学生深入认识西向 强化这一重要的海洋现象。此外，利用自主设计的小 型地球旋转实验平台，还可以模拟罗斯贝波、Ekman layer等这些大尺度的海洋现象。地球流体的另一特征是层化效应,而海洋内波正 是发生在层结稳定的海洋内部的一种波动。内波是海 洋能量级串的重要环节,在海洋混合中起着至关重要 的作用申

10、0 ，对海洋中大尺度热盐环流的维持亦不可 或缺皿。内波在海洋中可以远距离传播，从而影响海 洋中的能量再分配$2顶。开展海洋内波实验可以让 学生认识海洋中的波动过程，了解海洋中能量分配的 机制。利用自主设计的波动实验平台可以模拟海洋内 波（包括内潮波与内孤立波）的生成、传播与耗散等过 程,加深学生对于层结流体中物理过程的理解。海洋中还包括海浪这样的小尺度现象，海浪在海 气能量交换过程中起到了非常重要的作用,研究表明 风向海浪输入的能量约60 TW,这一量值远远超过对 其他过程的能量输入皿。开展风浪成长实验可以使 学生认识海浪的成长过程以及海洋中的能量输入。除 此之外，利用设计的波动实验平台还可以

11、进行波浪破 碎、海面微结构等实验。3加强自主创新型实验除基本实验平台外,流体力学实验室教师自主搭 建了三维粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry, PIV），实现了三维流场的精确测量，并 自主设计了大范围同步PIV系统，将测量范围从传统 PIV的30 cm扩充至3 m,这样可以进行一些大型构件 和大地形的实验研究（见图1）区，且成本降至原来的 1 +15,使得高精尖的科研设备真正可以应用在本科生 的实验教学中，还能达到让学生熟知其实验原理的效 果。自主开发了激光诱导荧光、合成纹影等新实验技 术,这些设备与实验测量手段的使用,极大地扩充了实 验教学内容,为学生自主

12、设计实验、本科生科研训练项 目、本科毕业论文提供了优质的平台，一些研究生也利 用这些设备开展实验研究,并发表了高水平论文,极大 地开拓了学生创新性思维。依托但并不限于自主研制的实验装置，流体力学 实验开展了独立构思实验方案的自主设计创新性实 验。学生们在老师的指导下自主选题，自已动手，利用(d) 8 = 0.47, / =0.74(c) 8 = 0.31, / = 1.31(e) 8 = 0.47, / = 0.99(f) 8 = 0.47 , / = 1.31(h) 8 = 0.63, (d) 8 = 0.47, / =0.74(c) 8 = 0.31, / = 1.31(e) 8 = 0.47, / = 0.99(f) 8 = 0.47 , / = 1.31(h) 8 = 0.63, / = 0.99(a) 8 = 0.31, / = 0.74(g) 8 = 0.63, / = 0.74(i) 8 = 0.63, / = 1.34图1大范围同步piv系统测量的内潮在陆架地形上演