“流体力学”课程实验教学改革研究与实践

摘    要：“流体力学”课程实验教学是流体力学教学的一个重要环节。革新实验教学模式，加强实验教学过程控制，提高了实验成绩的可信度。自行研制实验设备，丰富了实验教学内容，提高了单人单组实验的保证率。开展课堂演示实验，激发了学生学习兴趣。加强实验信息化建设，构建了实验室信息化平台，开展立体化教材建设，拓展了实验教学资源，提升了实验室管理水平，提高了实验教学质量。

关键词：“流体力学”课程；实验教学；实验设备；信息化

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）07-0065-04

一、引言

“流体力学”是一门理论和实验并重的课程，多种流动现象通过流场显示设备来演示，使学生对流体流动现象有直观的认识，感受奇妙的流动世界。“流体力学”课程中的许多理论需要通过课程实验去验证，进而巩固课堂教学中所学的理论知识。通过基本实验操作技能的训练和对实验结果的观测处理分析，学生能够掌握流体压强、速度、流量、水头损失等物理量测量技能，培养动手实操能力、观测分析能力和实验数据处理能力，进而提高解决问题的能力。教师指导学生参与创新设计实验和竞赛等活动，有利于提高学生的创新能力和协作能力，有利于培养学生的团队精神。教师通过对实验过程严格规范，培养学生严谨求实的科学态度，为其后续的专业课程学习和后期实际工作打下坚实的基础。

但是，在实验教学中还有许多问题亟待解决。一是实验课时紧张，要求在两个学时内完成两个实验项目。教师需要花半个多小时讲解实验原理、操作步骤、注意事项

等，而剩下一个多小时则是学生自己动手实验，但部分学生在较短时间内很难完成。二是由于实验设备有限，不可能每人一台实验设备独立进行实验，一般都是安排两人一组进行实验，会有一些学生投机取巧，直接抄袭同伴的实验报告，不仅严重影响了教学效果，对教师批改、甄别这些实验报告也造成了较大困难。三是实验室信息化管理水平仍比较落后，仪器设备信息化程度较低，绝大部分实验设备详细信息虽然已经形成电子文档，但并没有形成网络化管理，设备的状态、使用情况等不能及时掌握；实验室教学资源无法在大范围内共享，虚拟实验教学还没有实现网络化；实验内容以基本实验为主，缺乏综合性和创新性实验内容，很难提高学生的实践能力和培养学生的创新精神。

二、革新实验教学模式，提高实验教学效率

课程实验是“流体力学”课程形成性考核的重要一

环。为了提高实验效率，教师要求学生进行课前预习。课程组编写了实验报告册，其中包括预习报告。学生在实验课前必须完成预习报告，对将要进行的实验内容进行预习，对实验原理和实验步骤有初步了解。在理论教学过程中，教师结合课内演示实验，如毕托管测速、文丘里管测速等，把实验原理在课内讲解清楚。由于教材中讲解的理论趋于普适性，并不针对特定的仪器设备，因此，在实验课中还应针对实验室具体的实验设备的工作原理进行讲解，理论课与实验课内容应协调一致，教学进度密切配

合，理论课中讲授的理论知识最好在一周内就开展相应的实验内容，节约实验课讲授时间，提高教学效率。同时，学生通过完成网上开设的虚拟实验，对实验操作步骤、注意事项等进一步熟悉，这样在实际操作过程中就会节约大量时间。在实验课教学中，教师利用计算机、多媒体设备和网络通信等，将实验教学内容以视频演示、图文讲解等形式向学生展示，为学生提供一个声画并茂、直观生动的教学平台。教师通过教学平台能够准确掌握学生的学习状态，及时与学生沟通、交流，开展网上答疑，架起与学生沟通的桥梁。教师利用流体力学实验仿真软件，采用

“理论学习—虚拟仿真—实物训练”的方式开展实验教

学，可以较大程度地扩展实验教学的内容，为学生提供更大的学习空间，从而更好地激发他们的想象力、创造力。虚拟实验和实际的操作实验可以相互补充、相互印证，对提高教学质量有很大的促进作用。

学生按照实验要求，必须独立完成课程实验，课内提交实验报告，按完成情况得分。实验过程中采用单人单

组，每人一组数据独立处理的方式，可以避免抄袭实验报告或者偷懒依靠同组实验者蒙混过关等现象。每次实验成绩以百分计，占最终成绩的20%。为了更准确地检查学生实验数据的准确性，教师让学生提交电子版数据测量结果。学生在实验报告中完成实验数据处理结果。教师将学生提交的数据导入Excel编写处理程序，通过数据比对，可以更准确地检查学生数据测量和处理的准确性，这样得出的实验成绩真实、合理、可信。以往大部分实验需要改变流量测量3组数据，对于除沿程阻力实验以外的大部分实验意义不大，除了增加重复操作和实验数据处理计算外，对学生动手能力的提升帮助不大。革新后的实验教学要求学生能够认真独立完成一组实验数据的测量、数据处理，并完成实验报告，只要把一组实验数据真正弄清楚，就可以达到实验的基本目的，节约了动手测量记录和后续数据处理的时间。由于实验数据是单人单组的，因此每名学生必须独立完成数据处理和实验报告，这样每名学生都得到了应有的训练，同时也确保了实验成绩真实有效。节约出来的时间可让学生完成设计性、探索性实验内容。针对学有余力的学生开设创新设计实验，进一步提升学生的创新能力。教师指导学生参加机械创新大赛等创新实践活动。课程组指导的“水下滑翔机演示样机”获军队院校物理创新竞赛一等奖，参与指导的创新设计项目“自动翻书机”获全国机械创新大赛二等奖。2021年和2022年，课程组组织学生参加由江苏省主办、江苏大学承办的“诗画流体力学”大赛，取得了6项特等奖的好成绩。2021年，“流体力学”课程被评为国家一流课程。

学生实验前通过完成实验预习报告，掌握实验目的，熟悉实验内容，结合理论课相关内容和虚拟实验，初步理解实验原理，再通过课内讲解，彻底理解实验原理。教师严格把关实验教学中的每个环节，让学生熟练掌握实验操作步骤。每名学生都能独立完成实验内容，规范测记实验数据，认真处理实验数据，及时完成基本实验内容，切实提高了动手能力。学校向部分学有余力的学生开设探索性实验研究，进一步提高学生的创新实践能力。学生通过参加学科竞赛，培养了综合素质，激发了学习热情。

三、自行研制实验设备，提高实验教学能力

“流体力学”课程实验设备具有较强的专业性，许多流体力学实验设备受到场地、经费等因素的制约，不同院校对设备的性能要求不同，不具备通用性，很难进行批量生产。通过自行研制实验设备，不仅满足了教学需求，同时也体现了学校的办学水平[1]。

实验室先后研制了微型风洞、自循环流场显示系统、船池拖动系统等。微型风洞可完成机翼升阻力实验、黏性阻力对比实验、二元机翼和圆柱体表面压强分布实验等。 2017年，微型风洞获得了发明专利。原有的三元风洞体积大、噪声大，不能多台同时使用，因此，只能多人一起实验，以演示为主，大部分学生不能亲自实操，实验教学效果较差。新研制的微型风洞体积小、噪声小，可以进行单人单组实验，完成机翼升阻力、黏性阻力对比等多个实验内容，不仅提高了实验教学效果，同时也大大提高了实验设备的利用率。自循环流场显示系统不仅可以进行平板边界层流场特性定性显示和定量测量实验及平板、回转体阻力测量实验，而且可以进行三元机翼、圆柱体等流场显示，观察有限翼展三元翼自由涡（翼稍涡）、圆柱体绕流卡门涡街等实验，通过摄像头、投影仪等把流动现象投影到屏幕上便于学生观测。试验段还可以置换成封闭洞体，作为自循环水洞使用，进行水洞中相关实验。实验室通过自行研制的实验设备开出了课程标准中规定的实验项目，实现了实验开出率达到 100% 的目标，同时由于台套数增加，满足了对定量实验单人单组的要求，还可以开展创新设计实验，培养学生的创新能力。学生对开出的实验比较感兴趣，普遍反映实验仪器操作方便、测量结果误差小，与理论教学配合密切，教学效果好。自行研制实验设备为培养学生创新能力提供了活教材。

为了加强理论课授课效果，实验室研制了毕托管测速演示仪、文丘里管测速演示仪、微型流场显示仪、机翼升力演示仪、吹不走的乒乓球演示仪、卡门涡街演示仪、便携式流体黏性演示仪等，用于课堂教学演示。教师利用自行研制的演示实验设备开展课内演示实验教学，可以激发学生的兴趣，活跃课堂气氛，使学生获得流体力学知识感性认识，加深学习印象，将理论知识和实际现象建立联系，帮助学生更好地理解抽象概念，知识掌握也更加牢固[2]。

案例1：毕托管测速演示实验（图1）。教师在讲授毕托管测速原理时，首先通过实物展示，让学生认识毕托管的外形特征和基本构造，然后通过剖面图让学生了解其内部结构，让学生看清楚前缘驻点和侧壁上的缝隙，用电吹风或者专用小风机作为风源，对准毕托管吹风，测读出两根测压管的液面高差，根据理论公式计算电吹风出风速度，可以调档，并分别测出高档和低档的风速，再利用风速仪进行校核[3]。案例2：吹不走的乒乓球演示实验。教师首先提出“乒乓球在喇叭形容器中能不能被吹走”的问题，再展示实验道具，一台电吹风、一个乒乓球和一个被剪开的矿泉水瓶，然后将乒乓球放在被剪开的矿泉水瓶内，用电吹风向上吹、水平吹或者向下吹，会发现乒乓球始终在瓶口快速的震荡，但不离开瓶口，再进行理论分

析。案例3：空气黏性演示实验（图2）。接通电源前，两侧盘片均静止不动，通电后，右侧盘片电机驱动高速旋转，左侧盘片由静止逐渐开始转动。因为左右两侧盘片并未接触，中间有约7 mm的间距，因此，左侧盘片的转动是由于右侧盘片转动造成的，两盘片是普通光盘，没有磁性，说明左侧转动的力是右侧高速旋转的盘片通过空气传递过来的，从而说明空气具有黏性。案例4：机翼升力演示实验。教师利用自行研制的演示实验装置，利用电吹风沿翼弦方向吹向非对称的机翼模型，模型在气流的作用下，沿两侧固定轴向上浮起，说明非对称机翼在平行于翼弦方向的气流作用下产生了升力，再讲解升力产生的机理，利用形象直观的演示实验，活跃了课堂气氛，激发了学生的学习兴趣，增加了课堂的教学效果。

演示实验作为重要的教学辅助手段，为了确保教学效果，教师必须未雨绸缪，提前准备，认真细致地进行课程设计。首先，教师在开展课内演示实验前，调试好演示设备，反复演练实验内容，熟练掌握操作步骤，及时排除在实验中可能出现的问题，确保演示实验达到较高的成功率和理想的教学效果。其次，教师要在演示实验过程

中，采用问题链式教学方法，问题逐步深入，环环相扣，抓住学生的兴趣点，引导学生认真观察实验现象，归纳实验结论，同时让学生参与到实验中来，如让学生协助读测压管液面高度、控制电吹风等，充分调动学生的学习热情，充分发挥演示实验形象直观、寓教于乐的作用。最后，演示实验现象要明显直观，要有一定的视觉冲击力，最好能够出人意料或者与大部分学生的惯性思维相悖。好的课堂演示实验不仅可以活跃课堂气氛，提升教学效果，有些典型的实验现象还可以让学生终生难忘，起到了不可替代的作用。

四、加强实验室信息化建设，提升实验室信息化水平

进入21世纪，信息化成为新的军事变革的必然趋势，发展势头十分迅猛。传统的军事院校教学、管理模式已经不能满足培养高素质军事人才的要求， 军事院校教育信息化已成为一种必然，因此，担负着培养人才、开展科研、知识创新和服务部队等重任的军事院校实验室进行信息化建设十分必要[4]。流体力学实验室依托校园网，利用现有的“实验室信息管理平台”“网络教学应用系

统”，自行开发了“实验室成绩管理系统”，实现了实验设备、教学资源和实验成绩管理等的信息化建设。

实验室信息化平台的建设是实现实验室信息化的基础和保障。流体力学实验室充分利用网络技术，依托校园网，将实验室、教师办公室、实验仪器设备仓库等通过服务器链接，构建一个信息畅通的网络环境[5]。根据海军工程大学专业设置情况，突出学校自身办学特色，利用学校自主开发的“实验室信息管理平台”，将实验设备名称、型号规格、生产日期、性能指标、操作指南、使用状况等各种参数录入管理系统进行动态管理，实时掌握设备使用状态，实现实验室设备资产的规范化和信息化管理，提高实验设备的利用率。采用远程维护更新的方式，确保信息管理平台数据准确可靠，为实验室的信息化奠定了良好的基础。