流体力学实验课程教学探索与启示

李正一 宋洪庆

[摘 要] 针对北京科技大学流体力学实验教学现状及存在的问题，结合实际教学需要和课程体系教学改革的实践经验，提出了流体力学实验教学改革的办法，优化了实验教学改革内容，对实验课程进行了教学探索，指明了流体力学实验课程教学讲授和改革的正确方向。

[关键词] 流体力学;实验教学;线上线下;教学探索

[基金项目] 北京科技大学本科教育教学改革项目（JG2019M03）;北京科技大学“十三五”规划教材建设项目（JC2018YB008）

[作者简介] 李正一（通信作者）（1982—），男，河北唐山人，硕士研究生，工程师，主要从事流体力学实验研究;宋洪庆（1982—），男，辽宁大连人，博士研究生，教授/博士生导师，主要从事流体力学研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）31-0251-02    [收稿日期] 2020-01-03

一、前言

流体力学是力学的一个重要分支，具有广泛的工程应用背景，在建筑环境工程、能源工程、环境工程、材料科学、生命科学、机械工程、土木工程等多个工业门类中具有广泛应用。北京科技大学土木与资源工程学院流体力学专业研究方向以流体力学理论与渗流科学研究为基础，并与工程实际紧密结合，主要进行计算流体力学、流体力学实验方法与实验技术、渗流、环境流体力学、物理-化学流体力学、工业流体力学等方面的研究。该专业的培养目标是“拥有扎实的基础理论、宽广的专业知识，掌握力学计算分析方法和软件、力学相关测试方法与技能，具备创新能力、实践能力和国际竞争力的复合型人才”。

流体力学实验课程是学院各个专业的基础课，是很多应用科学和工程技术领域的基础。通过流体力学实验课程专业知识学习，针对交叉学科实际问题，利用流体力学理论知识进行建模研究，与工程实际进行对比分析，培养流体力学实验专业知识学习应用能力、探究性学习能力，对扩展学生的创新性思维具有重要的意义。在流体力学的教学过程中，实验环节对于教学质量的影响具有十分重要的影响，对流体力学理论知识的进一步理解和掌握起到了无法替换的作用，因此实验教学环节引起到高校教师的足够重视[1]。因为学生对专业知识的熟练程度，以及动手实践能力的培养，都与实验教学有着千丝万缕的联系，甚至也会影响到学生就业后对专业知识的灵活运用[2]。本文就流体力学实验课程中存在的问题，提出解决方案，并对流体力学实验课程进行相应探索，进而确定流体力学实验课程讲授的正确方向。

二、流体力学实验教学现状及存在的问题

1.实验教学内容单一。我校流体力学实验课程教学项目主要包括水静压强实验和油密度测定、雷诺实验、伯努利实验。开设流体力学实验课程的目的是要求学生掌握用测压管测量流体静压强的技能，会验证不可压缩流体静力学基本方程;熟悉并掌握层流、紊流两种流态的运动学特性与动力学特性;释“体积法”测流量的方法，能够刻画弯道水流压强分布规律等。这些实验均为传统的流体力学教学实验，且教学内容过于单一。由于实验空间、硬件设施、实验教师人员等方面的限制，导致一些综合型、设计型的流体力学经典实验无法开设。现有流体力学实验指导老师会根据实验目的、实验原理、实验设备、实验步骤、数据记录与处理、注意事项、思考题等方面对实验课程教学内容进行细致讲解，之后将授课学生进行分组实验，要求每位学生主动参与教学实验，出现问题及时与小组组员或者指导老师进行沟通解决，按时记录并分析实验数据，得出实验结论，撰写实验报告。实验指导教师根据每位学生的课堂表现以及实验报告，对学生的综合成绩进行评判。虽然每位学生都能从实验中学到很多技能和知识，但是由于开设实验项目少，不能在最大程度上发挥学生学习的主观能动性[3，4]，而且学生自主设计实验的能力无法展现。

2.学校教学设备笨重。我校作为引领国家钢铁行业发展，支撑国家工业化建设的典型高校，现拥有1个国家科学中心，1个“2011计划”协同创新中心，2个国家重点实验室，2个国家工程（技术）研究中心，2个国家科技基础条件平台，2个国家级国际科技合作基地，50个省部级重点实验室、工程研究中心、国际合作基地、创新引智基地等。但是学校场地技术条件有限，众多实验室和基地的教学设备过于笨重，教学实验设计内容老旧。一方面给学校教师授课带来了困扰，教师在操作这些笨重的设备时，时常遇到难以掌控机器、设备不够灵敏等问题，也在一定程度上影响教学质量;另一方面妨碍学生听课情绪，降低了学生探索实验设备的好奇心。所以应考虑引进一些小型化、智能化的教学设备，实现场地的高效利用。

3.线上线下实验教学资源过少。当今时代学生可以利用慕课等网络资源自行安排时间自主学习，突破了课堂实验学习受限的弊端，科学设置时间，大大提高学习效果。实验课程研究型教学，也称研讨式教学，是指实验指导教师以课程内容和学生的学识积累为基础，引导学生创造性地运用知识和能力，发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识、培养能力和锻炼思维的新型教学模式。无论慕课等线上“金课”，还是研究型教学等线下“金课”，目前只是针对本科教育教学方法提出的线上或线下的创新型教育教学方法，学生依旧会出现学完慕课后就忘记实验课程内容，或者完成实验教学内容中的研究内容后，仍无法真正掌握实验课程内容，达不到“吃透会用”的效果。

三、流体力学实验教学改革与探索

1.增加实验教学设备。我校流体力学实验室针对教学现状及存在的问题，从源头入手，着力解决实验教学内容单一的问题。首先，购置拥有性能先进的MTS岩石力学实验机、电液伺服岩石三轴试验机、EH-4大地连续电导率成像系统、多尺度多相流动力学实验系统、复杂介质微细观动力学实验系统、多场耦合测试与仿真模拟系统、高温高压多介质流动系统等，实现研究型流体力学实验课程内容。其次，采取增加实践性流体力学实验的办法，进而解决实验教学项目过少的问题。

2.加大对线上线下实验教学资源的投入。通过慕课、微信群、在线问卷调查等线上线下方法，对流体力学实验课程内容、课程评价实时反馈，不断优化完善。学生可以利用网络资源自行安排时间自主学习，避免了课堂学习受限的弊端，有效降低投入成本。

3.开展广泛的学术交流活动。我校流体力学实验室与国内外同行开展了众多的学术交流活动，提高了实验室在国内外的影响力。2019年，实验室先后接待前来参观和进行技术交流的学术团体30余次;组织国内外学术会议15次，参加国际学术会议40余人次。不仅如此，实验室所在团队还与美国斯坦福大学、美国德克萨斯A&M大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学、美国北达科他大学、中国科学院、清华大学等国内外知名机构长期开展学术合作、交流及人才联合培养计划。

四、结语

百年大计，教育为本;高教大计，本科为本。增强本科教育是提高国民素质，促进社会发展，增强中华民族创新创造力的重要基石，对实现中华民族伟大复兴具有决定性意义。流体力学实验课程是我校建筑环境、土木、矿业、能源应用学科的基础，在国家重点实验室基础研究中起到了重要的支撑作用。通过流体力学实验课程的系统学习，培养了学生高尚情操，锻炼了他们独立解决问题的创新能力，使学生及时接触到最新的技术和理论，提高了学生对流体力学实验课程专业知识的认知层次，将有助于学生成为德才兼备、视野广阔的德智体美劳全面發展的社会主义合格建设者和可靠接班人。

参考文献

[1]吴琼，王文欢，刘海龙，任洪波.流体力学实验教学改革与探索[J].教育教学论坛，2016（42）：124-125.

[2]陈俊俊，庞赟佶，王晓彤，刘素霞.建筑环境与能源应用工程专业流体力学课程实验改革研究[J].教育教学论坛，2016（16）：225-226.

[3]朱晖，张智明，王毅刚.实验引导法在流体力学课程中的创新与实践[J].教育教学论坛，2019（40）：3-4.

[4]祝会兵，戴文琰，李建.工程流体力学实验教学的改革与创新[J].宁波大学学报（教育科学版），2008（02）：107-109.