基于创新意识培养的流体力学实验教学探索

李小斌?李凤臣?姜宝成?蔡伟华

摘要：针对创新型人才培养的要求，以流体力学创新实验课为基础，论述了在明确流体力学研究背景与发展趋势的基础上，开展实验教学方法的探索。提出了“导与研”结合的“理论→案例→工程→理论深化”的研究型实验课教学，提倡开放、科学的实验态度与精神，及时贯穿科学研究热点、紧跟时代前沿，提升学生自主学习的热情和创新思维的培养。

关键词：创新思维；引导式学习；学科交叉；研究型实验教学

作者简介：李小斌（1984-），男，甘肃甘谷人，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，讲师；李凤臣（1971-），男，黑龙江林甸人，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，教授。（黑龙江 哈尔滨 150001）

基金项目：本文系哈尔滨工业大学创新实验课建设项目（项目编号：2013306）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0119-03

近年来，我国高等教育体系中，实验教学开始加强，实验教学不再只是理论教学的辅助手段，而是两者相辅相成、相互促进。[1，2]实验教学不仅验证理论的正确性，更重要的是锻炼了学生从实验验证理论、深化认知的过程，弥补在理论知识中存在的断层和缺陷，并激发学生的创新热情。[3]这样，实验课内容的加强又在呼唤着实验教学的革新，这种革新包括创新的实验室管理体系、教学手段和实验教学队伍等。针对理工专业的学生，一种适应新时代的创新实践能力培养的研究型实验教学模式显得尤为重要。

为了深入贯彻“研究性、个性化、精英式”的教学理念，集中优质教育资源，为优秀学生提供更优质的实践教学培养平台，哈尔滨工业大学自2012年起开设了创新实验课，自此已有三批次共39门创新实验课获得立项，并按计划面向全校本科大二年级以上的学生开放。创新实验课采用自主式、研究型的教学模式，实行“个性化培养”，旨在通过该模式课程学习，使学生在学习的全过程中受到高水平的全面教育和实践，学生的工程实践能力、创新精神得以全面培养和提高。

流体力学作为一门理工科基础应用型学科，其主干课程包括本科阶段的“工程流体力学”及研究生阶段的“粘性流体动力学”，课程内容内涵丰富、外延广阔，学科贯穿于能源科学、动力机械、土木工程、航空航天、化工过程等多个理工科专业，且学科自身具有一定战略安全意义。针对其课程主线和当前的研究前沿问题，开设了“流体力学多尺度创新实验课”，面向全校和流体力学学科相关专业的学生，使学生能够尽快地步入到科学研究的节奏中来，提升自身获取知识和培养创新思维的能力。

一、流体力学的科学定位与教学现状

通过对实验课所对应的主干课程的认识，研究其背景定位及发展现状，可以纲举目张，明确目前理论教学与实验教学中的不足与误区，以建立有目的性的创新实验课程。

1.国内外流体力学教学研究背景

从世界范围来看，流体力学学科已经从能源应用拓展到了天体力学、航空航天、地理学、生物医药、食品工程、土木工程和环境科学等重要领域，从根本上说，流体力学是多学科交叉课程，甚至在数学学科，流体力学也是一门很受重视的学科。所以只有深刻理解了其基础概念与研究方法，才能将其理论熟练应用于各个专业领域，而其教学理念与定位、教学方法与手段的创新、理论应用的深度一直是教育、科研与工程上的重要课题。

在我国，大多数“985”高校开设有流体力学课程，其中北京大学和清华大学的流体力学研究发展较早，出现了如周培源、林家翘、钱学森等国际流体力学大师，西安交通大学、浙江大学、华中科技大学等均各具特色。哈尔滨工业大学流体力学教学与研究始于20世纪50年代，是建国以来最早创建的特色专业之一，历来重视教学研究及教学质量，已建设成为国家力学教学基地、国家精品课程项目。总体来看，国内流体力学教学沿用教育部优秀教材，种类不多，但具有一定难度和深度。近年来多媒体教学和教学实践与实验环节对流体力学的应用促进很大，如大学生科技创新活动有很多流体力学理论应用作品，全国力学大会和国际流体力学大会增加了学术交流的机会和机遇。从国际上来看，流体力学研究自阿基米德静力学研究开始，经伯努利、欧拉、纳维和斯托克斯及雷诺至今，20世纪形成了流体力学研究四大学派，即莫斯科学派（朗道和柯尔莫戈洛夫）、德国哥廷根学派（普朗特）、美国学派（冯卡门）、英国剑桥学派（泰勒和巴彻勒），并从中涌现出了第一批國际知名的优秀流体力学教材。

2.流体力学教学研究进入新阶段

进入21世纪，流体力学发展进入新的阶段，主要体现在：研究领域不再局限于经典物理学领域，从宏观尺度、微观尺度扩展到了多学科交叉；计算流体动力学极大推动了流体力学理论与应用的发展；流体力学理论更加广泛应用于工程实践中。美国斯坦福大学、麻省理工学院、康内尔大学、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校，日本东京大学、京都大学，新加坡南阳理工大学，中国台湾国立中央大学等国际著名高校走在科研和教学的前沿，其中尤其以麻省理工学院的力学开放课程最为著名。其课程建设优势表现为：

（1）教学方式的“印象式”创新，以开放式、引导式授课模式为主，贯穿经典理论的历史典故与沿袭。如麻省理工学院的Walter Lewin教授讲解流体力学风趣幽默，善于用直观的实验来演示复杂深刻的物理原理。

（2）教学内容的前瞻性与及时性，他们除了使用自己编写的高质量教材，教学过程中更多地引入力学实例，指出研究趋向。

（3）引导学生在课堂中参与教学环节，诱导学生发散式思维，完整糅合了理论背景、应用和现实生活。

（4）教学实践更加突出思维模式和实际工程应用，对课程考核强度降低，使用教学过程中分段式考核，使学生保持连贯的学习兴趣。

（5）课程富含实际应用问题和科研创新课题，学生可以积极参与到科研环节，突出了理论研究及其应用实践的重要性。

3.流体力学教学研究发展趋势探索

从总体看，国际前沿的流体力学教学形成了一整套通用教材，其中也包括网络课程资源。在提出问题上具有实践和实效性，解决问题的方式具有诱导性，而在教学环节中实验演示占据很大比例，能够增强学生从自然现象和工程技术中发现问题的能力，通过“研究型”教学的方式，诱发学生探索问题的兴趣，培养出一套行之有效而高效的思维方式，主动地参与到一些富有创造性和创新精神的科研项目中来，真正提高科学素养和动手能力。

另外，从教学手段上看，对以母语教学为主的群体来说，在接收和认知概念与原理的同时具有优势。而对非母语教学来说，专有名词的引入和翻译一定程度上限制了学习兴趣，由于新理论具有广泛的实际背景和理论基础，使用原版语言的专有名词具有一定的实际意义，在避免了对概念先入为主所造成的误区的同时，激发学生的学习热情，方便与国际其他研究者交流。

二、“流体力学多尺度创新实验课”的施教

面向全校大二及大二以上年级，“流体力学多尺度创新实验课”已经进行了一轮完整的教学。针对流体力学目前存在的问题和其发展趋势，创新实验课的设立旨在提升学生从理论到实践的创新能力，在“理论→案例→工程→理论深化”的过程中，深化掌握流体力学理论、激发学习兴趣、培养研究热情的主要途径，开发自主创新意识和实践能力，以进一步推动研究应用型人才的培养。

1.创新实验课设计方案

在学生掌握部分流体力学知识的前提下，本实验课程依据流体动力学中流体分子尺度、流体热物理及界面性质和流动环境的多尺度特性，开展复杂流体的多尺度流动实验。实验课程从宏观-介观-微观可以分为以下三方面内容：宏观流体流动阻力及换热特性测量、流体介观界面形象及微尺度流动实验，其设计方案如图1所示。

2.创新实验课实施方案

复杂流体多尺度流动实验的三个部分，均依托国家力学教学基地现有资源，将其他项目和已有的实验装置之间互相补充来完成，具体的技术路线如下：

（1）制定多尺度流动实验体系的实验内容及实验大纲，创建培养目标及实验规范，形成完整的实验教学指导教材及课程大纲。

（2）提出学生选课准入及选拔方式，建设学生对创新实验实践能力的认定办法及考核办法。创新实验课采用学生自主报名和按面试、学习成绩进行选拔的方式确定上课人选，选拔标准具有一定弹性，准入人数需要一定裕量。考核办法中，实验报告和针对实验的科技论文各占50%，实验报告不限格式，注重内容，引导学生发挥专长，进行独立思考。

（3）进行多尺度实验设计，实验设计中充分考虑先后顺序，尽可能使得上一个实验的研究结果能够运用到下一个实验中来，做到循序渐进。并进一步细化实验内容，确保实验设备运行正常，能够对付突发情况，同时将实验任务落实到个人。

（4）最后及时进行教学及实验效果总结，改进完善，指导学生完成实验论文，指导教师通过创新课实验教学，查缺补漏，归纳成果，总结经验。

3.創新实验课授课方式

学生对于实验课的热情，来自于兴趣，而不是为了实验而进行实验，所以在实验课授课中，仍然需要将现代教育理念有机地贯穿于实验教学中，让热情这个“最好的老师”来指导。

（1）突出科学实验精神。与实验相关的科学史料和实验应用拓展介绍，可以丰富学生的实验知识和人文素质，极大地增强从课堂到实验的代入感。在实验教学中突出介绍每个实验的设计思想，以实例引导，由简入深，着力培养学生基本的实验技能、严谨的实验态度、倡导实事求是的科学态度。

（2）开放的实验态度。开放的实验态度是指教师在课前或者见面会上给出下次实验关键词，学生可以预先通过图书馆、网络等方式查找资料，这种情况，最能激发出学生新的思维亮点。所以创新实验课授课时，最好是学科教授牵头，实验队伍完整，能够及时解答学生的各种疑问。

（3）对实验的科学认知。实验教学中，并不是每个实验都能够得到良好的结果，在接受实验不完美结果并查找分析原因时，要有“既然不能避免便加以利用”思想，这样不仅能够开创新的问题情境，更能形成新的命题突破口。因为在实验教学中，学生不是单纯的实验操作者，而是实验设计的主导者以及实验过程的控制者，所以这种“研究性”实验教学使得学生在实验过程中自我探索、自我发现，提升了自主学习能力和创造能力。

（4）紧跟学科前沿。课程的理论知识随着研究的深入不断变化，在深刻认识发展历程及发展趋势的基础上，要不断将学科前沿热点穿插进来，比如可以尽量能在实验中某个现象发生时，开拓视野，举一反三。另一方面，教师在授课时，应不拘泥形式，贯穿原始的母语名词及解释，在解释清楚相近容易混淆的名词时，同时指出同一现象的多种解释，使学生能够探究到事物的机理，建立起对自主学习的自信。

三、“流体力学多尺度创新实验课”的反馈

实验课教学将理论知识、研究方案和工程应用潜移默化，创新的教学思维达成了从“教而学”的培养方式逐渐转变为“导而研”的成长模式。经过一轮完整的创新实验课教学，已初步取得了可喜的成绩，学生在获得学科知识的时候，也获取了学习的能力，提高了学习兴趣和热情。

1.跨专业选课

在这一轮的创新实验课选课中，经过选拔，有30人进入实验课学习，数量比课程容量有所增加。选课学生中，人员分布在9个学院的不同专业，所以由于专业背景的差异，学生往往能提出比较深刻的问题。比如：在惯性湍流减阻实验中，学生提出利用泵源和管路将进水和排水结合的问题，以达到快速给排水的目的；还有学生提出表面活性剂添加剂减阻的机理、其失效、补充方案以及经济性等问题。

2.结合项目学习

部分学习通过创新课程设计、节能减排等项目设计的环节进入实验课的学习，能够有的放矢地进行实验设计和实验思考。比如在流动先进测量手段中，学生提出高亚声速飞行器的设计问题、离子风和多相流流动的测量问题，大大促进了对学科热点问题的深度思考。

3.实验分组

实验过程中，发现来自不同学院的学生能够自主地组成一个实验小组，一般每组4到5人，并能自发出现一位领导能力较强的学生成为组长。可见，实验课还将锻炼学生的团队协作能力，这也是科研精神的重要组成部分。

四、结束语

创新的思维，如19世纪多产多领域的领袖数学家庞加莱总结的思想和方法：将物理思想和数学结合起来解决特定的问题，而流体力学大师巴彻勒则在流体力学研究中很好地践行了这一思想，就如巴彻勒的导师泰勒所说，“我科学研究的方向几乎全部来自外界所发生的事件”。

从流体力学的重要性来说，它几乎囊括了能源系统、生态系统、气候预测、国家安全甚至日常生活各个方面，有流体的地方就有流体力学，有人类活动的地方就有流体力学的应用。随着流体力学在各个学科的延伸和交叉，尤其航空航天应用、微尺度生物流体应用、高效气候模拟、大型水动力学应用等方面衍生出一系列科学问题，在能源问题如此紧迫的今天，培养富有学科交叉创新精神的人才对发展我国力学教育事业具有深远的意义。创新实验课的开设，希望能为多领域科学发展略尽绵力，培养出富有探索精神的创新型人才。

参考文献：

[1]吴福根，于兆勤，徐小明，等.创新管理模式，加快实验教学示范中心建设[J].实验室研究与探索，2010，（29）：109-110，117.

[2]丁志胜，李春霞.强化工程实践能力培养的改革探索[J].中国电力教育，2013，（23）：22，35.

[3]张士磊，孟昕元.创新实践型人才培养的实验教学改革与探索[J].实验科学与技术，2014，（12）：149-152.

注：李凤臣为本文通讯作者。

（责任编辑：刘辉）