依托大學生創(chuàng)新項目 探索力學實驗教學模式

依托大學生創(chuàng)新項目探索力學實驗教學模式依托大學生創(chuàng)新工程探索力學實驗教學模式

中圖分類號：G424文獻標識碼：A

RelyonStudents'InnovativeProjectsandExplore

MechanicsExperimentTeachingMode

LANYamei，XIAOShigui，LIMing，WANGShiming，SONGQiuhong，LIUShuang

〔ShanghaiOceanUniversity，Shanghai202206〕

AbstractBysummingupacollegeinnovativeproject，namelytheflowaroundobjectsofdifferentshapesforcewindtunnelexperimentalstudytoexploretheroadofinnovationpracticeamechanicalexperimentteachingreform.Studentsthroughtheimplementationofinnovativeprojects，thetraditionalexperimentalteachingmodelcanbeimproved，experimentalteachingcontentcanbeenrichedgreatlyenhancedtheabilitiesofstudents，trainingthestudents'creativethinking，willtrulymovetothelaboratoryclassroom，applywhattheylearntoimproveoverallqualityofstudents.

Keywordsflowobjects；Reynolds；collegestudents'innovation；experimentalteaching

本文對一項上海海洋大學市級大學生創(chuàng)新方案進行總結，該工程主要針對不同形狀繞流物體受力進行風洞實驗研究，從模型的設計制作到實驗測試、實驗數(shù)據(jù)的整理與分析，每個環(huán)節(jié)都由學生親力親為，真正將課堂轉(zhuǎn)移到了實驗室，鍛煉了學生的創(chuàng)新思維和動手能力，充沛利用了學校的實驗室資源，將生活中的現(xiàn)象以模型的方式抽象出來，用實驗的辦法解釋表明，得出更深刻的科學證明，取得了較好的實驗結果，豐盛了實驗教學內(nèi)容。

1大學生創(chuàng)新工程研究背景及內(nèi)容

為什么打高爾夫球比光滑圓球打得更遠？為什么魚雷的頭部接近流線型？為什么場地自行車賽的運發(fā)動都要帶一頂具有尖尾巴的帽子？風對汽車的阻力主要來自于頂風面還是背風面？很多人對以上流體力學現(xiàn)象不足認識，這主要是因為流體變化難以用肉眼察看、識別，必須借助相應的流體測試儀器進行分析研究。這些繞流物體阻力問題同尾部漩渦流有關，用風洞結合現(xiàn)代流體力學測試技術可得到阻力變化規(guī)律。

在流體中運動的物體統(tǒng)稱為繞流物體。繞流的運動一般可分為兩類，一類是流體運動，物體靜止，流體繞過物體運動；另一類是物體運動，流體靜止，物體在流體中運動；當然也可以上述兩種運動都有。前者運動如河水繞過橋墩、風吹過建筑物；后者如船在水中運動、飛機在大氣中飛行、以及粉塵、泥沙在空氣和水中的沉降等。對于后一類運動，可以在運動的物體上建立動坐標系，而將運動轉(zhuǎn)換為流體相對于動坐標系的運動。就研究流體與物體之間相互作用力的問題而言，兩者是等價的。

粘性物體繞有曲率物體運動時，在物體后部緊貼壁面區(qū)域，將產(chǎn)生逆壓梯度。后部靠近壁面的流體在逆壓的作用下，將產(chǎn)生倒流現(xiàn)象，并開展成旋渦，這就是曲面邊界層的別離現(xiàn)象。一旦產(chǎn)生該現(xiàn)象，邊界層的厚度將明顯增加，物體后部將形成尾渦區(qū)，將外部勢流隔離于壁面之外，使得作用在物體上的壓強分布具有前后不對稱性，且后部的壓強小于前部，這種不對稱的壓強分布產(chǎn)生的合力與來流方向相同，定義為壓差阻力。由于物體后部的逆壓梯度大小與物面形狀緊密相關，因此壓差阻力又被稱為形狀阻力。

流體繞過物體，作用在物體上的力按其方向不同，可分為阻力和升力。前者包括摩擦阻力和壓差阻力兩局部。摩擦阻力是由于流體與物面摩擦而產(chǎn)生的應力，可用邊界層理論計算，而形狀阻力一般通過實驗測定。繞流阻力用無量綱的阻力系數(shù)來表示，計算公式為：

=

式中為繞流阻力；為流體的密度；為來流速度；為物體特征面積，即水平最大截面積。此外，研究發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)的大小會影響阻力系數(shù)，計算公式為：

=

式中為特征長度；為流體的運動粘度；為來流速度。

本創(chuàng)新實驗在風洞中進行，實驗對象為直徑80mm的圓板、圓錐、半球，后部由細長撐持架固定。實驗中用到的設備主要有：直流式低速風洞，是實驗中風的來源，將圓盤置于風箱中，用來測定各個物理量，采用風速調(diào)頻儀調(diào)節(jié)頻率，進而調(diào)節(jié)風速；YD-28A型應變放大器，測量由于風吹動圓盤而引起的支架形變，從而得到阻力，畢托管測得實驗風速，進一步分析可以得到雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的關系。

2大學生創(chuàng)新工程與力學實驗教學相結合

將大學生創(chuàng)新實驗工程和力學實驗教學結合起來，一方面能將大學生創(chuàng)新實驗工程落到實處，有利于更進一步地激發(fā)大學生的創(chuàng)新性思維，另一方面可以提高實驗教學的質(zhì)量，豐盛實驗教學的內(nèi)容。同時，在創(chuàng)新方案中，改變了實驗教學的模式，由傳統(tǒng)的灌輸模式，開展為學生根據(jù)自己感興趣的課題或者方向，自主實驗，具體為學生自主設計實驗、完成實驗、管理實驗。工程實施的過程中，學生的自主性、創(chuàng)新性和團隊協(xié)作性，以及實驗教學質(zhì)量都得到明顯提高。傳統(tǒng)的教學實驗工程實施，難以實現(xiàn)“以學生為主體，以教師為主導〞的實驗教學理念，學生普遍都對教師有依賴思想，其次由于實驗指導書描述的步驟過于詳盡，實驗報告的格式較為固定死板，將學生的思維始終局限在設定的框架內(nèi)，難以激起學生創(chuàng)新的興趣和熱情。風洞實驗使學生能夠?qū)α黧w力學理論有更深層次的認識，同時為實驗教學提供了一個更好的平臺，能夠解決很多難以在傳統(tǒng)實驗教學中解決的問題，為力學實驗的實踐教學注入了新的活力。根據(jù)研究計劃，選擇圓板、半球、圓錐三種模型，實驗研究雷諾數(shù)對阻力的影響。實驗過程中，完成了三分力天平的標定工作，得到力與電壓之間的關系；利用壓差計，得到來流風速與電機頻率之間的關系。通過屢次實驗取平均值的辦法，最終得到Re數(shù)與三種模型阻力系數(shù)Cd的關系。對實驗結果進一步分析可知，當風速比擬小，Re5000時，Cd趨于定值，風速影響不大。實驗結論與理論相吻合，因為風速越大，粘性力的影響越小。

在整個創(chuàng)新方案的執(zhí)行過程中，學生自始至終積極參與前期調(diào)研、查閱相關文獻資料、進行材料的梳理整合。實驗中遇到問題，能夠及時和導師進行溝通，修訂實驗方案和計劃，認真規(guī)劃和管理創(chuàng)新工程的基金經(jīng)費。通過大學生創(chuàng)新實驗工程的實施完成，初步了解科研工程的標準與步驟，大大提高了學生的整體素質(zhì)，實驗中分析問題、解決問題，以及動手能力都得到了鍛煉，團隊的合作能力也進一步提高。

3結束語

通過大學生創(chuàng)新方案工程的實施完成，使得實驗教學的模式和內(nèi)容更具多樣性和豐盛性，調(diào)動了學生學習的積極性，使得學生的創(chuàng)新性得到提升。學生在導師的指導下，自主完成立項申報、設計計劃、調(diào)試設備、準備材料、動手實驗、整理分析數(shù)據(jù)、撰寫結題報告等工作，學生的實驗動手