以問題為導(dǎo)向的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、以問題為導(dǎo)向的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)摘 要 創(chuàng)新是一個(gè)民族的靈魂，如何在本科教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，是高等學(xué)校的每一 位教師應(yīng)該考慮的問題。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)課程重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，為在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中提高學(xué)生的創(chuàng)新 意識(shí)和創(chuàng)新思維，我們采用了以問題為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)。以流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，在常規(guī)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)對靜力 學(xué)基本方程進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，對提 出的問題進(jìn)行思考討論，并自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過以問題為導(dǎo)向的拓展性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼龠M(jìn)學(xué)生學(xué)用結(jié)合，拉近理論 與應(yīng)用的距離，有利于開啟學(xué)生的頭腦風(fēng)暴，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。關(guān)鍵詞 流體力學(xué)實(shí)

2、驗(yàn) 創(chuàng)新思維 拓展性實(shí)驗(yàn) 問題導(dǎo)向Problem-oriented Fluid Mechanics Experimental DesignAbstract Innovation is the spirit of a nationality. How to cultivate students innovative thinking is a problem that every schoolteacher in colleges or universities should be considered. Experiment is an important part in fluid mech

3、anics. During experiment teaching, experiments are designed as basic experiments and problem-oriented extended experiments. Taking the hydrostatics experiment as an example, basic experiment is used to verify the hydrostatics basic equation, the problem- oriented extended experiment is used to guide

4、 students thinking and discussing, and further designing the experiments by themselves. The expanded experiment can promote the combination of learning and application, open up students brainstorming, and improve students innovative ability.Keywords experiment of fluid mechanics; innovative thinking

5、; extended experiment; problem orientation0引言自十八大以來，習(xí)近平總書記在公開講話和報(bào)道中上 千次的提到創(chuàng)新”一詞,可見創(chuàng)新在國家發(fā)展、民族振興中 的重要性。在新工科背景下創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)是大勢所趨，作為為 國家發(fā)展不斷提供人才儲(chǔ)備和智力支持的高等學(xué)校，也越 來越認(rèn)識(shí)到創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要性。無論是技術(shù)創(chuàng)新還是 知識(shí)創(chuàng)新,都離不開具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的人才，本科 教學(xué)創(chuàng)新是關(guān)鍵。流體力學(xué)是機(jī)械、采礦、土木、地質(zhì)、工程力學(xué)等專業(yè)必 修的技術(shù)基礎(chǔ)課程，在工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如采 礦過程中的通風(fēng)、排水、壓氣，機(jī)械工業(yè)中的潤滑、冷卻、液 壓傳動(dòng)及控制，水利工

6、程、采暖通風(fēng)、石油化工、航空航天等 都需要依靠流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論，而流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是流體 力學(xué)教學(xué)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力， 提高學(xué)生的觀察分析能力、學(xué)用結(jié)合能力和創(chuàng)新思維能力 具有重要的作用。對于流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),很多學(xué)者做了大量探索性、 研究性的工作，管新蕾等通過創(chuàng)新流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，加 強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)杜嬌嬌，楊國鑫等2對基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn) 進(jìn)行了拓展與探索;吳正人等3對工程流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平 臺(tái)進(jìn)行了建設(shè)與實(shí)踐;曹勇等4利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)模擬地球旋轉(zhuǎn) 對流體流動(dòng)的影響;黃彪等5探索了循環(huán)水洞測試技術(shù)在流 體力學(xué)研究教學(xué)中的應(yīng)用;鄧輝等采用研討課模式對流體 力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改

7、革;張慧晨將流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)分成演 示性、驗(yàn)證性及設(shè)計(jì)性三類，構(gòu)建了階梯形工程流體力學(xué)實(shí) 驗(yàn)教學(xué)模式;姜楠,孫偉總結(jié)了流體力學(xué)在液壓技術(shù)中的 應(yīng)用。前人的工作為流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展了思路，提供 了有益的啟示。針對同學(xué)們普遍反映流體力學(xué)課程理論抽 象，理論和實(shí)踐脫節(jié)的問題，我們在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中， 開展了以問題為導(dǎo)向的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索和實(shí)踐。 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，將流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和拓展性 實(shí)驗(yàn)。其中拓展性實(shí)驗(yàn)以問題為導(dǎo)向展開。兩類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 如圖1所示。本文以流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)為例說明以問題為導(dǎo) 向的拓展性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施。I實(shí)驗(yàn)內(nèi)容II基礎(chǔ)單實(shí)驗(yàn)I拓展乎實(shí)驗(yàn)I實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)

8、步驟 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 分析思考 工程應(yīng)用 學(xué)用結(jié)合 發(fā)明創(chuàng)造圖1問題導(dǎo)向的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1以問題為導(dǎo)向的流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1流體靜力學(xué)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括準(zhǔn)確運(yùn)用流體靜力學(xué) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備對靜力學(xué)基本方程的驗(yàn)證，掌握用測壓管測量流 體靜壓強(qiáng)的技能，加深對位置水頭、壓強(qiáng)水頭、測壓管水頭、 等壓面等概念的理解。1.測壓管；2.帶標(biāo)尺測壓管；3.連通管；4.通氣閥；5.加壓 打氣球；6.真空測壓管7.截止閥；8.U形測壓管;9.油柱；10. 水柱；11 .減壓放水閥圖2流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀9圖2為流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生通過預(yù)習(xí)了解 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理和操作步驟及注意

9、事項(xiàng)。實(shí) 驗(yàn)過程中學(xué)生獨(dú)立操作,通過實(shí)際測量A、B、C、D四點(diǎn)的位 置水頭、測壓管水頭，驗(yàn)證不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程10 z + =C(1)pg實(shí)驗(yàn)中要求調(diào)節(jié)壓力p0； p=0； p0三種狀態(tài),在學(xué)生 熟悉設(shè)備的過程中引申出理想氣體狀態(tài)方程，明確調(diào)節(jié)壓 力的措施和原理。同時(shí)以提問形式讓學(xué)生找出等壓面，確 認(rèn)測壓管、連通管等。1.2流體靜力學(xué)拓展性實(shí)驗(yàn)拓展性實(shí)驗(yàn)的目的主要是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)用結(jié)合能力和創(chuàng) 新能力。在這部分實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)老師圍繞實(shí)驗(yàn)原理提出問題、 加以引導(dǎo)。在靜力學(xué)拓展性實(shí)驗(yàn)中提出了如下三個(gè)問題：問題一利用現(xiàn)有的靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備測定某種與水互 不混摻流體(如花生油、大豆油等)的密度，以下是學(xué)

10、生給出 的解決方案：方案一利用一 U形測壓管(如圖3所示)，找到等壓 面AB，利用直尺測量U形測壓管兩側(cè)油柱高度H和水柱 高度h1o因?yàn)樗拿芏葹橐阎?，由等壓面原理有圖3油密度測量方法一方案二不用直尺，直接利用圖2流體靜力學(xué)試驗(yàn)儀中 帶標(biāo)尺測壓管2進(jìn)行測量，具體步驟：關(guān)閉通氣閥4,用打氣球5充氣，直到U形管水面 與油水交界面齊平，如圖4(a)所示，得到( 3 )打開放水閥11降壓，直到U形管中水面與油面齊 平，如圖3(b)所示(4 )聯(lián)立式(3)和式(4)得到油的密度hP=Pw 冗志;(5)圖4油密度測量方法二問題二讓學(xué)生觀察醫(yī)院里打點(diǎn)滴的吊瓶和家用飲水機(jī) 的出流，提出的問題是無論吊瓶和水桶中

11、的液位是深是淺, 出口的流量是恒定不變的，請同學(xué)們自行畫出飲水機(jī)的工作 原理。通過查閱資料，學(xué)生弄明白了馬里奧特容器（圖5）恒 定出流的原理。學(xué)生開展腦力風(fēng)暴，舉一反三，將馬里奧特 容器倒過來,就是打點(diǎn)滴的吊瓶;加上閥門和加熱盤就成了 可供常溫水和熱水的家用飲水機(jī)，如圖6、7所示。圖6圖6打點(diǎn)滴的吊瓶圖5馬里奧特容器112結(jié)論在流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn) 課堂實(shí)際操作、課后數(shù)據(jù)處理等過程完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，對基 本原理進(jìn)行驗(yàn)證,加深對流體力學(xué)基本概念的理解。圖8數(shù)字式液位顯示儀通過以問題為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可極大的激發(fā)學(xué)生的 好奇心和創(chuàng)新欲望。同學(xué)們通過查找資料尋去答案，并通 過文字、圖表進(jìn)行總結(jié)，并以此為契機(jī)，進(jìn)行舉一反三。事 實(shí)證明，以問題為