研究生流体力学实验教学改革探究

刘小林，冈敦殿，何 霖

（国防科技大学空天科学学院，湖南 长沙 410073）

0 引言

流体力学是力学学科的一个重要分支，流体力学课程一般也是航空航天、土木工程、能源动力等专业本科生的必修课程[1]。流体力学实验课程，作为流体力学课程的配套课程，是流体力学系列课程的重要组成部分。通过学习流体力学实验课程，一方面能够加深学生对流体力学相关原理与现象的理解，另外还能够锻炼学生动手操作的能力[2-3]。对于国内许多工科高校，流体力学实验课程通常是作为相关专业研究生的一门专业选修课程，课程对于研究生流体力学完整知识体系的构建，以及日后的科研工作都具有非常重要的意义。

1 研究生流体力学实验教学中存在的问题

1.1 研究生选课情况不相同，知识储备差异大

流体力学实验课程的先导课程包括空气动力学、水力学、粘性流体力学等，选修流体力学实验课程的研究生需要一定的流体力学相关理论基础。然而研究生一般来自不同本科院校，本科阶段学习的课程内容差异较大。且对于一部分跨专业研究生而言，在本科阶段甚至没有学习过流体力学相关课程，这导致研究生知识储备差异较大。笔者对所在单位（国防科技大学）历年来选修流体力学实验课程的研究生进行学情调研发现，其中约四分之一的学生前期都没有流体力学相关学习经历；而另外大约四分之一的学生，他们在本科阶段选修过空气动力学等相关课程，并且还做过相关气动实验，具有较好的课程基础。由此可见，研究生前期知识储备两极分化情况严重，如何兼顾不同学习基础的研究生进行教学，就成了研究生流体力学实验教学必须面对的难题。

1.2 授课内容与实际工程应用联系不够密切，学生学习积极性不高

流体力学实验课程主要包括实验理论教学和实验实践教学两个方面，理论授课内容一般包括实验设备、实验测量技术以及实验数据处理方法等。其中实验设备主要讲授的是风洞、水洞等流体力学实验常用设备的发展现状及结构原理；而测量技术则主要介绍针对流体温度、压强以及流动显示等方面的测量技术，测量技术一般是课程重点讲授的内容。然而对于研究生，大多都面临一定的科研课题任务。相对于本科生，他们除了了解原理之外，还需要具备运用知识解决相关研究问题的能力。笔者在实际授课过程中发现，常规的授课内容一般侧重在讲解测量仪器概念和原理等方面，这导致研究生对不同工程应用场景中的测量仪器设备如何选、怎么用等具体问题仍然存在困惑。例如在讲解温度测量技术的时候，通常将授课的重点放在了讲解热电偶传感器、热电阻传感器以及温敏漆等测量技术的原理上面，但是对于典型的实际应用场景，比如超声速飞行器头部驻点区域的温度测量，许多研究生仍然不能够准确确定所需传感器的量程、灵敏度以及最小分辨率等参数，不能够制定出合理的具体测量方案。由于授课内容缺少与实际工程应用背景的联系，导致学生应用所学知识解决实际问题的能力得不到锻炼，课堂趣味性降低，研究生学习积极性不高。

1.3 实验参与度低，学生缺乏动手操作以及创新训练机会

流体力学实验教学的另外一个重要内容是实验实践教学。研究生在了解了相关实验原理之后，还需要通过参与具体的实验，才能够掌握相关的实验技能。然而笔者在教学过程中发现，对于流体力学实验实践课程，学生的参与度往往是较低的。这是因为流体力学实验中需要用到的仪器设备体积庞大，例如空气动力实验中常用到的风洞和激光器等，设备也普遍较昂贵。由于一般教学实验室的场地等硬件条件的限制，不能够保证每个学生能有一台套完整的实验设备进行操作练习，因此实验环节通常都是以教师讲解和演示为主，然后只有少部分学生能够自己动手参与相关的实验过程[4-5]。这样的客观因素大大降低了实验的参与度，学生缺乏了动手操作的机会，导致学生对知识的学习停留在了解的阶段，不能够通过动手训练掌握实验技能，提高实验素养，更加不能利用相关实验测量技术进行创新研究，这就使得流体力学实验教学效果大打折扣。

2 研究生流体力学实验教学改革措施

针对上述一系列问题，笔者对研究生流体力学实验教学进行了改革，并在笔者所在单位进行了初步探索，相关的措施取得了一定效果，下面具体介绍笔者在研究生流体力学实验教学中的一些改革举措。

2.1 结合研究生学情，合理进行课堂设计

针对研究生学员前期知识储备差异明显的特点，注重基础知识铺垫，合理进行课堂设计。在每次课前，首先对相关学情进行统计，分析学生是否具备相关的流体力学基础，根据学生对基础且必要的流体力学概念掌握情况，对课堂内容进行铺垫。具体方式可以通过发放课前预习资料和在课前进行流体力学知识回顾的方式进行。例如在讲解风速管测量气流速度的时候，一些研究生由于之前没有学习过空气动力学课程，因此还没有气流总压和静压的概念，在讲解风速管相关原理之前，先对总压和静压的概念进行讲解，这样可以让没有基础的学生更容易理解相关内容。由于学生前期基础不同，导致学生对课堂知识的接受能力也会有所差异，在课堂进行过程中，基于雨课堂引入随堂小测验，主要考查学生对相关实验原理的掌握情况。例如在讲解PIV测量原理时，在课堂上考查学生对跨帧时间等参数设置的掌握情况，根据实际情况着重讲解难点内容。针对研究生前期知识储备差异情况，通过采取上述方法，尽量让每个学生都能够真正学懂流体力学实验课程。

2.2 调整课程内容密切联系工程实际，紧跟研究前沿热点

在课程内容方面，除了讲授常规的理论知识，尽量根据每种测试技术的特点设计相应的工程应用案例，让学生通过运用课堂所学知识解决实际问题，从而激发学生的学习兴趣。例如在讲授完流动显示技术之后，引入高超声速边界层转捩这样一个研究课题，让学生根据所学知识，合理选择相应的测量技术，并且分析相关技术在特定应用场景中的适用性。除此之外，针对研究生群体，还需要紧跟目前相关领域研究热点，重点介绍前沿的实验技术，从而拓展研究生的知识领域。例如在压强测量章节，常规讲授的内容主要是介绍各种压强传感器，包括应变式、压电式和压阻式传感器等。采用传统的压强传感器都只能够对离散空间点上的压强信息进行测量，然而目前越来越多的应用场景中需要测量整个面的压强分布，因此能够同时测量整个面压强分布的压敏漆技术因此应运而生。且随着压敏漆技术测试精度和响应频率的提高，它在实验流体力学中运用越来越广。通过对以压敏漆为代表的新兴测试技术的重点讲授，让学生尽量了解领域内的研究前沿，拓宽视野。

2.3 优化课程授课形式，强调研究生自主学习

对于流体力学实验课程，常规的授课方式仍然是以教师讲授为主。但是这样带来的弊端是学生课堂参与度较低，学习积极性不高，而且对于研究生而言，学生具有学习能力强，知识需求面广的明显特点。因此对于流体力学实验课程，需要优化授课形式，强调学生自主学习的重要性，充分调动学生自主学习的积极性。例如，在流体力学实验课程中，温度测量是一个非常重要的内容，然而目前可用的温度测量技术非常多，如果将包括热电偶、热电阻、温敏漆、红外测温等测量技术完全讲完，需要大量的课时，学生完全听教师讲授也会感觉枯燥乏味，费时费力的同时可能还不能够取得良好的教学效果。因此我们选取了其中的部分内容，例如红外测温相关内容，设计成自主学习式的研讨性课题，让学生通过文献调研，了解红外测温的原理和红外测温技术国内外发展现状，然后针对特定的研究需求，利用红外测温技术设计相应的实验方案。通过这样的方式，让学生获得知识的同时也锻炼了自主学习的能力。

2.4 改革课程考核方式，注重学生实操能力和创新能力的培养

流体力学实验课程是一门综合性很强的实践类课程，其中实验操作是流体力学实验课程不可或缺的重要环节，但是前期由于实验设备数量少，价格贵等客观因素限制，学生实操机会较少。因此，前期流体力学实验类课程主要是以理论考核为主，缺乏了对学生实操能力的考量。针对这一问题，设计了相应的小型化、低成本流体力学实验设备，让学生能够利用设备充分锻炼实验技能。例如纹影实验，传统的纹影实验采用Z字形纹影光路，需要两块凹面镜，光源，刀口等设备，科研级纹影设备整套价格通常在数十万量级，且搭建纹影光路需要足够的空间。在学生实际操作中，采用天文望远镜中常用的牛顿反射镜代替纹影中的凹面镜，用手机闪光灯做光源，手机摄像头用作相机，因此简单的一部手机和一面镜子就可以做锥形光纹影实验。锥形光纹影相比传统的Z字形纹影，虽然由于像差的存在会导致图像轻微失真，但是他基本原理同Z字形纹影相同。通过锥形光纹影实验能够让学生更加理解纹影的原理，更重要的是大大简化后的实验装置，甚至可以让学生在宿舍完成纹影实验，这样的流体力学小实验大大降低了实验成本，让每个学生都能够真正亲自动手做流体力学实验，从而培养学生的操作能力。除此之外，进一步要求研究生利用现有的实验设备开展创新性实验研究。例如利用上述提到的简易纹影装置，对生活中的流体力学现象开展创新研究，这样的训练提高了研究生的实验素养，加深了对流体力学原理的认识，同时也一定程度上也培养了研究生的创新能力。解决了学生实操机会少的问题之后，就可以对流体力学实验课程的考核方式进行改革，考核方式转变为以实验能力和创新能力考核为主，理论考核为辅的形式，更加注重了对研究生实验能力和创新能力的培养。

3 结语

流体力学实验课程是一门综合性课程，无论是对教师的教学水平，还是对研究生的综合素质都具有较高的要求。笔者从流体力学实验教学的亲生体会出发，总结了研究生流体力学实验教学过程中发现的一系列问题。且针对上述问题，从教学内容、授课形式和考核方式等方面探索了一些教学改革措施。希望通过这些措施，不仅能够让研究生获得相关的专业知识，而且能够有助于提高研究生自主学习和实际操作的能力，激发研究生科学探索的精神，为日后科研工作奠定良好的基础。