依托大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目 探索力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

依托大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目探索力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式依托大學(xué)生創(chuàng)新工程探索力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)一項(xiàng)上海海洋大學(xué)市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新方案進(jìn)行總結(jié)，該工程主要針對(duì)不同形狀繞流物體受力進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，從模型的設(shè)計(jì)制作到實(shí)驗(yàn)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析，每個(gè)環(huán)節(jié)都由學(xué)生親力親為，真正將課堂轉(zhuǎn)移到了實(shí)驗(yàn)室，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力，充沛利用了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室資源，將生活中的現(xiàn)象以模型的方式抽象出來，用實(shí)驗(yàn)的辦法解釋表明，得出更深刻的科學(xué)證明，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，豐盛了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

1大學(xué)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(yuǎn)？為什么魚雷的頭部接近流線型？為什么場(chǎng)地自行車賽的運(yùn)發(fā)動(dòng)都要帶一頂具有尖尾巴的帽子？風(fēng)對(duì)汽車的阻力主要來自于頂風(fēng)面還是背風(fēng)面？很多人對(duì)以上流體力學(xué)現(xiàn)象不足認(rèn)識(shí)，這主要是因?yàn)榱黧w變化難以用肉眼察看、識(shí)別，必須借助相應(yīng)的流體測(cè)試儀器進(jìn)行分析研究。這些繞流物體阻力問題同尾部漩渦流有關(guān)，用風(fēng)洞結(jié)合現(xiàn)代流體力學(xué)測(cè)試技術(shù)可得到阻力變化規(guī)律。

在流體中運(yùn)動(dòng)的物體統(tǒng)稱為繞流物體。繞流的運(yùn)動(dòng)一般可分為兩類，一類是流體運(yùn)動(dòng)，物體靜止，流體繞過物體運(yùn)動(dòng)；另一類是物體運(yùn)動(dòng)，流體靜止，物體在流體中運(yùn)動(dòng)；當(dāng)然也可以上述兩種運(yùn)動(dòng)都有。前者運(yùn)動(dòng)如河水繞過橋墩、風(fēng)吹過建筑物；后者如船在水中運(yùn)動(dòng)、飛機(jī)在大氣中飛行、以及粉塵、泥沙在空氣和水中的沉降等。對(duì)于后一類運(yùn)動(dòng)，可以在運(yùn)動(dòng)的物體上建立動(dòng)坐標(biāo)系，而將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為流體相對(duì)于動(dòng)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。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(jià)的。

粘性物體繞有曲率物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shì)流隔離于壁面之外，使得作用在物體上的壓強(qiáng)分布具有前后不對(duì)稱性，且后部的壓強(qiáng)小于前部，這種不對(duì)稱的壓強(qiáng)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(guān)，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(yīng)力，可用邊界層理論計(jì)算，而形狀阻力一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。繞流阻力用無量綱的阻力系數(shù)來表示，計(jì)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(huì)影響阻力系數(shù)，計(jì)算公式為：

=

式中為特征長(zhǎng)度；為流體的運(yùn)動(dòng)粘度；為來流速度。

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在風(fēng)洞中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為直徑80mm的圓板、圓錐、半球，后部由細(xì)長(zhǎng)撐持架固定。實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備主要有：直流式低速風(fēng)洞，是實(shí)驗(yàn)中風(fēng)的來源，將圓盤置于風(fēng)箱中，用來測(cè)定各個(gè)物理量，采用風(fēng)速調(diào)頻儀調(diào)節(jié)頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)速；YD-28A型應(yīng)變放大器，測(cè)量由于風(fēng)吹動(dòng)圓盤而引起的支架形變，從而得到阻力，畢托管測(cè)得實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，進(jìn)一步分析可以得到雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系。

2大學(xué)生創(chuàng)新工程與力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合

將大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)工程和力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來，一方面能將大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)工程落到實(shí)處，有利于更進(jìn)一步地激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新性思維，另一方面可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，豐盛實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。同時(shí)，在創(chuàng)新方案中，改變了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，由傳統(tǒng)的灌輸模式，開展為學(xué)生根據(jù)自己感興趣的課題或者方向，自主實(shí)驗(yàn)，具體為學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)、管理實(shí)驗(yàn)。工程實(shí)施的過程中，學(xué)生的自主性、創(chuàng)新性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作性，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量都得到明顯提高。傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)工程實(shí)施，難以實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)〞的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，學(xué)生普遍都對(duì)教師有依賴思想，其次由于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書描述的步驟過于詳盡，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式較為固定死板，將學(xué)生的思維始終局限在設(shè)定的框架內(nèi)，難以激起學(xué)生創(chuàng)新的興趣和熱情。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠?qū)α黧w力學(xué)理論有更深層次的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)更好的平臺(tái)，能夠解決很多難以在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中解決的問題，為力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)注入了新的活力。根據(jù)研究計(jì)劃，選擇圓板、半球、圓錐三種模型，實(shí)驗(yàn)研究雷諾數(shù)對(duì)阻力的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，完成了三分力天平的標(biāo)定工作，得到力與電壓之間的關(guān)系；利用壓差計(jì)，得到來流風(fēng)速與電機(jī)頻率之間的關(guān)系。通過屢次實(shí)驗(yàn)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(guān)系。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析可知，當(dāng)風(fēng)速比擬小，Re5000時(shí)，Cd趨于定值，風(fēng)速影響不大。實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論相吻合，因?yàn)轱L(fēng)速越大，粘性力的影響越小。

在整個(gè)創(chuàng)新方案的執(zhí)行過程中，學(xué)生自始至終積極參與前期調(diào)研、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、進(jìn)行材料的梳理整合。實(shí)驗(yàn)中遇到問題，能夠及時(shí)和導(dǎo)師進(jìn)行溝通，修訂實(shí)驗(yàn)方案和計(jì)劃，認(rèn)真規(guī)劃和管理創(chuàng)新工程的基金經(jīng)費(fèi)。通過大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)工程的實(shí)施完成，初步了解科研工程的標(biāo)準(zhǔn)與步驟，大大提高了學(xué)生的整體素質(zhì)，實(shí)驗(yàn)中分析問題、解決問題，以及動(dòng)手能力都得到了鍛煉，團(tuán)隊(duì)的合作能力也進(jìn)一步提高。

3結(jié)束語

通過大學(xué)生創(chuàng)新方案工程的實(shí)施完成，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式和內(nèi)容更具多樣性和豐盛性，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使得學(xué)生的創(chuàng)新性得到提升。學(xué)生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，自主完成立項(xiàng)申報(bào)、設(shè)計(jì)計(jì)劃、調(diào)試設(shè)備、準(zhǔn)備材料、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、整理分析數(shù)據(jù)、撰寫結(jié)題報(bào)告等工作，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手