创新流体实验仪器，探索创新型人才培养1)

管新蕾 高云鹏 王 维 王利军 晁 阳 何光艳

**(中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州221116)

†(徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州221018)

流体力学是热能与动力工程、过程装备与控制工程、土木工程、资源勘查工程等专业的必修课[1-2]，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[3]。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[4]。学生基本只是依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[5-6]。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[7-8]。

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：

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 优化验收阶段。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报告、做误差分析，不再如传统实验那般敷衍，突破了传统撰写实验报告的方式，报告中加入了自己的设计思想、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。

图1 学生安装实验设备现场照片

图2 改造前后的实验设备对比

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、夯实专业基础，有助于实验研究、实践动手等综合能力的提升；同时在此过程中还培养了同学们的团队协作精神，推进了学生自主学习、合作学习和研究性学习。实践证明，大力倡导学生参与教学实验的开发与教学实验仪器的研制，有利于培养创新型、研究型、复合型的工程技术人才。