流体力学课程开放实验教学的探索与应用

1、引言
流体力学是力学的一个分支，是许多工科专业非常重要的一门专业基础课程，既有常见的力学特点——理论性强，也有工科课程的特色——实践性强。在教授课程理论知识的同时，通过实验提高学生的动手能力、分析和解决问题的能力以及培养学生的创新意识是该课程的课程目标。
传统实验教学模式坚持演示实验与量测实验相结合。演示实验主要采取老师讲、学生听的教学形式，只能简单实现课堂理论的延伸；在量测实验中，学生根据实验指导书“按部就班”地完成实验任务，学生对实验现象往往“知其然而不知其所以然”，实验过程流于形式。如何在现有的实验条件下改变实验教学思想和模式，适应教育部关于新工科人才培养的要求，是当前开放实验教学改革研究的关注重点。
2、实验教学模式的多元化改革
2.1实现实验教学的课外延伸
实验教学要求学生在掌握理论知识的前提下，通过实验来验证所学理论知识，并能进一步探索生活和工程中的应用问题。这样的实验目标并不囿于在实验室中得以实现，如流体力学课程中伯努利方程这个知识点可应用于毕托管实验、文丘里实验、能量方程实验等多个教学实验中，这些实验的实验目的均包括对动能与势能之间能量转换特性的观察学习以及对测压排的排气调平、运用体积法量测流量等技能的掌握。多次重复技巧性不强的动手练习，对于实验学时少的流体力学课程而言是种浪费，解决方法是：学生在量测型实验中最多选择一个此类相关实验进行操作，同时结合课堂理论知识，在课后要求学生自行组成小组，根据教师提供的方程应用案例（见表1），利用生活中的日常用品动手做实验以验证伯努利方程，并通过拍摄视频清晰展示实验过程，将原理阐述清楚。

表1 验证伯努利方程的课外实验
课外实验的优势在于，学生可以自己动手设计实验，装置简单易做，不需要集中时间进行，若实验失败或效果不佳，学生可咨询教师进行重复操作，这样明显比在实验室中进行实验更能提高学生的动手操作能力，反复实验也强化了学生的知识体系，促使学生将理论知识运用于实践。
2.2贯彻启发式实验教学法
演示型实验的特点是，每种实验仪器个数少，不具备每位学生对所有实验都进行量测和动手操作的条件，且其属于综合型设备，一个实验蕴含多种重要原理，单纯依靠教师讲解容易流于表面。建议采用启发式教学模式，改变学生被动学习的习惯，要求每个实验小组依据实验目的研究实验装置的实验原理及装置特点^[4]。在开放型实验室中，学生可向教师预约，在实验室反复进行实验操作及探讨交流，随后在正式的实验课上总结自己的实验收获。流体力学演示型实验中比较典型的用于启发式教学的实验装置包括虹吸管实验（重点是如何实现虹吸管内负压的形成、如何进行不同型式的测压排的负压值测量）、水击实验（重点是如何形成间接水击、如何实现水击压强的扬水）、流动现象演示仪的操作实验（可至少分为三个实验小组进行，如流量计及阀门种类对比组、局部损失大小对比组、绕流运动形状阻力大小对比组等）。
在量测型实验中，同样可有效进行启发式教学。如流体静力学实验测负压时，有一组实验明确要求实现容器中某点为负压。这是一个非常简单的理论应用，但或许是仪器的复杂型式扰乱了学生的“正常思维”，不少学生选择从容器底部持续放水，意图使容器内液面降至该点以下，使该处形成负压，可是在放水的过程中，学生很快发现这种做法不合理，从而求助于老师。这时可建议学生自绘加装简单测压管的密闭盛水容器，反问学生测压管中液位在何处时该点为负压。不用更多地解释，甚至还在绘制过程中，学生已恍然大悟。
课堂所学理论知识掌握得好，不一定实践应用得好。对有的学生来说，二者之间似乎隔着“一座山”，但其实只隔着“一层膜”。启发式实验教学就是挑破这层膜，引导学生从被动接受转为独立思考和分析知识，同时这也是自我巩固和更新知识的过程。
3、实验教学资源的有效利用与合理配置
流体力学实验设备轻便、细小，塑料软管易老化、玻璃制品易破碎、水泵易烧坏，导致其总体使用年限较短。一旦需要更换或报废，实验室会考虑留下部分未损坏材料或简易设备以备用，如测压管、可拆卸密闭容器、管道及阀门等，可用于再组装或改装利用，为创新和开放实验提供素材。
实验室根据实验操作和处理数据的需要，配备了幕布、投影仪、电脑及数据处理软件。当因实验仪器意外故障等原因导致学生实验计划被打乱时，允许学生另找实验项目代替。此时学生若不熟悉实验设备、无法及时抓住实验重点，会造成实验进程的延缓。利用投影仪不间断播放实验课件或显示虚拟仿真实验平台的操作流程，可使学生快速领会各实验项目的实验目的，抓住重点，尽快投入到实验中。以往学生在实验课后处理实验数据、完成实验报告，发现数据不合理或结论错误时已为时已晚，甚至可能为确保实验报告的正确率，抄袭或伪造数据。现在实验教师要求每组学生在实验室将记录的实验数据输入电脑，利用相应的数据处理软件完成计算，获得最终的计算结果或规律图，待教师检查结论正确后方算结束实验，如出现实验误差太大或实验规律错误的问题则要求重做。利用软件处理数据旨在节省学生的数据计算时间（大多是简单重复的加减乘除），教师经过检查可告知学生问题所在，正确引导学生完成实验。
多媒体课件和虚拟仿真实验平台的应用促使实验教学手段灵活多样，对开放实验也起到一定的启发作用。合理配置并开放共享流体力学实验教学资源，能够有效提高实验教学质量，帮助学生迅速掌握实验目的和实验规律，同时推动流体力学实验室的建设与管理。
4、实验教学内容的优化改革
得益于实验教学模式的多元化以及实验教学资源的有效利用，可对流体力学实验教学内容进行整合、优化，增加综合性、创新性实验内容，建立新的实验教学体系。新型实验教学体系主要由以下四大实验项目组成：
（1）基本量测型实验。精简传统实验项目，减少简单重复的验证性实验，目的是通过基础的实验操作使学生掌握实验方法和操作方法。对象为所有学生。
（2）创新设计型实验。如针对某个知识点的课外延伸实验，学生可根据教师提供的思路或建议自行设计，或自行选择实验器材组装或改装实验装置，不要求完全创新，目的是鼓励学生自主设计、独立思考及创新，训练学生灵活运用知识的能力及动手能力。分小组进行，每组至少设计一个实验。对象为所有学生。
（3）综合应用型实验。主要针对演示型实验，学生不仅要在实验课上操作演示型实验装置、介绍实验原理和结论，还要结合该原理自制简易模型、模拟相关工程现象，展现该原理的实际应用。实验目的是延伸学生的专业知识，让理论更贴近实践。对象为不同专业的学生，如土木专业的学生利用有色烟气观察绕流运动。
（4）预约开放型实验。以学生为主体，不限定实验内容，可与上述三项实验相结合，甚至与课外竞赛活动、科研项目相结合，确保实验的完全开放。
实验成果的提交有多种选择，但注意内容不要重复。预约开放型实验不作特定要求，建议实行加分制。对象为有兴趣的学生。
5、结语
随着实验教学理念的变革，采用创新、开放的实验教学模式已成为当前实验教学改革的潮流之一。中南大学土木工程学院流体力学团队依据课程实验目标，在实验教学手段和教学内容方面积极探索和改革，建立并逐步完善新的实验教学体系，使传统式实验和开放式实验并重，在培养学生创新能力、团队合作能力方面取得了一定的成效，也进一步提高了新工科人才培养质量。