創(chuàng)新流體實(shí)驗(yàn)儀器探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

1、創(chuàng)新流體實(shí)驗(yàn)儀器，探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)1)摘要 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)和提高有重要意義，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn) 教學(xué)模式已難以滿足社會(huì)對(duì)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的要求。本文結(jié)合流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，探討了改進(jìn)自 制流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備對(duì)提升大學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的作用。創(chuàng)新化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于激發(fā)學(xué)生自主 實(shí)驗(yàn)的積極性，進(jìn)而增強(qiáng)了他們應(yīng)用已學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。關(guān)鍵詞 流體實(shí)驗(yàn)，教學(xué)模式，儀器改進(jìn)，人才培養(yǎng)INNOVATIVEORIENTED TALENT CULTIVATION BY INNOVATING THEEQUIPMENT IN EXPERIMENT

2、AL TEACHING OF FLUID MECHANICS1)Abstract The teaching of experimentation is a key link between the theory and the practice, which is of great significance to cultivate and improve students comprehensive quality. However, the traditional teaching model is not adequate to meet the requirement for inno

3、vative-oriented engineering talents. In this paper, the effect of developing the experimental equipment of fluid mechanics on improving undergraduates innovation spirit and ability is discussed, combined with the experimental teaching reform practices of fluid mechanics. The innovative experimental

4、teaching can stimulate the students enthusiasm for doing experiments and enhance their innovative ability to solve complex practical problems with the knowledge they have learned.Key words experiment of fluid mechanics, teaching mode, equipment development, talent cultivation流體力學(xué)是熱能與動(dòng)力工程、過程裝備與控制 工程、

5、土木工程、資源勘查工程等專業(yè)的必修課璀, 同時(shí)也是很多工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。流體力 學(xué)是力學(xué)中的一個(gè)重要分支學(xué)科，主要研究流體的 運(yùn)動(dòng)和平衡規(guī)律以及流體和固體之間、流體與流體 之間力的相互作用規(guī)律。其內(nèi)容豐富，理論性強(qiáng)，對(duì) 學(xué)生的物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，學(xué)習(xí)難度較大。而 且學(xué)科本身具有理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的特點(diǎn)，它的 許多問題，即使能用現(xiàn)代理論分析與數(shù)值計(jì)算求解, 最終還是要借助于實(shí)驗(yàn)加以檢驗(yàn)和修正。由此，實(shí)驗(yàn) 教學(xué)也成為學(xué)生掌握流體力學(xué)知識(shí)和技能尤為重要 的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)冏。然而，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的流體力學(xué)實(shí) 驗(yàn)大多采用以教師為主體的演示型教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn) 選擇上也偏向于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)囹。學(xué)生基本只是依

6、樣 畫葫蘆式地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在給定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告上填 寫數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果，實(shí)驗(yàn)課后思考千篇一律。更有甚 者，為了與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符，偶爾還存在拼湊數(shù)據(jù) 的情況，而非仔細(xì)分析誤差的原因。長(zhǎng)此以往會(huì)助長(zhǎng) 學(xué)生的惰性，使他們失去對(duì)專業(yè)的興趣和自主學(xué)習(xí) 的意愿，專業(yè)技能與創(chuàng)新能力也很難有所提升乒6。 另一方面，受客觀因素，如儀器設(shè)備經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地 和實(shí)驗(yàn)人員隊(duì)伍等制約，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器更新緩慢，設(shè) 備老化及零部件損壞，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果，使得 教學(xué)效果大打折扣。而且隨著工程科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也需要與時(shí)俱進(jìn)，開設(shè)新的流 體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但目前市場(chǎng)上所購(gòu)置的教學(xué)儀器相對(duì) 固化單一、功能有限，不利于實(shí)

7、驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)一步拓展 和創(chuàng)新。為適應(yīng)不同專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi) 容和形式往往需要改造與創(chuàng)新。開發(fā)新實(shí)驗(yàn)、研制新 設(shè)備，若只是依靠實(shí)驗(yàn)人員，人力有限，難以滿足實(shí) 驗(yàn)教學(xué)快速發(fā)展的需求I7-8。針對(duì)上述流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，我 校能源與動(dòng)力工程學(xué)科綜合訓(xùn)練中心嘗試與大學(xué)生 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等項(xiàng)目相結(jié)合，作為流體課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的 補(bǔ)充，組織學(xué)生對(duì)老舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器進(jìn)行改良，開 發(fā)新的實(shí)驗(yàn)裝置，改造開發(fā)后的儀器設(shè)備投入下一 屆的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，形成良性循環(huán)。1學(xué)生自主改造實(shí)驗(yàn)儀器在學(xué)生修完流體力學(xué)課程和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn) 中心的教師精心選取若干個(gè)儀器設(shè)備改造專題。其 涉及的儀器設(shè)備均是老化閑置，且通過

8、重新設(shè)計(jì)創(chuàng) 造能開發(fā)出新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。同時(shí)專題的設(shè)置 也考慮到了學(xué)生現(xiàn)階段的專業(yè)基礎(chǔ)與知識(shí)能力，以 及項(xiàng)目完成的工作量。學(xué)生自發(fā)成組、自由選題，教 師分組指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)流體實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器。優(yōu)化過程 主要分為以下四個(gè)階段：前期準(zhǔn)備階段。設(shè)計(jì)改造工作開展前，指導(dǎo) 教師向?qū)W生簡(jiǎn)單介紹需要改進(jìn)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提 出預(yù)期目標(biāo)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備現(xiàn) 存的問題。針對(duì)這些問題，學(xué)生自己查找資料、自行 討論，提出解決辦法，設(shè)定實(shí)施方案，確定研制計(jì)劃, 合理安排分工。學(xué)生制定的改造內(nèi)容和進(jìn)展計(jì)劃，在 實(shí)驗(yàn)中心教師確認(rèn)可行后，方才開始設(shè)計(jì)加工。設(shè)計(jì)加工階段。面對(duì)實(shí)際的流體問題，學(xué)生 采用理論計(jì)算或仿真模

9、擬的方式，核算出配件的尺 寸、安裝位置等參數(shù)，依據(jù)適用情況合理選型、確定 數(shù)量，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核，繪制加工圖紙。指導(dǎo) 教師審核設(shè)計(jì)說明書和圖紙，指出不合理或需改進(jìn) 之處，學(xué)生翻閱文獻(xiàn)、組內(nèi)討論，反復(fù)修改、完善。 設(shè)計(jì)工作完成后，按照設(shè)計(jì)說明書和加工圖紙，在經(jīng) 費(fèi)預(yù)算的指導(dǎo)下，學(xué)生執(zhí)行采購(gòu)或加工儀器設(shè)備的 各組成部分。為了避免不必要的浪費(fèi)，實(shí)驗(yàn)中心的教 師從旁指點(diǎn)、協(xié)助。安裝調(diào)試階段。組內(nèi)成員相互配合，協(xié)作將 購(gòu)置或加工好的配件進(jìn)行組裝，如涉及技術(shù)含量較 高的裝配工作，由專業(yè)人員負(fù)責(zé)安裝。儀器設(shè)備安裝 完畢后進(jìn)行調(diào)試，如發(fā)現(xiàn)問題，討論解決方案，做局 部調(diào)整，多次調(diào)試直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化驗(yàn)收

10、階段。成果驗(yàn)收分為兩部分，一部 分為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的驗(yàn)收，學(xué)生講述各自承擔(dān)的工作，講 解設(shè)計(jì)思路，并在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)際操作。另一部分為實(shí) 驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生按規(guī)范自主編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不僅寫出實(shí) 驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)、詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理，而且通過親身 改造過程和實(shí)際測(cè)量結(jié)果分析誤差產(chǎn)生的原因。利 用設(shè)計(jì)的成果，鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)專利或發(fā)表小論文。2實(shí)踐案例與人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中心的一臺(tái)流體力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，因設(shè) 計(jì)結(jié)構(gòu)不合理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想而被長(zhǎng)期擱置。中 心教師與省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué) 生對(duì)其進(jìn)行改造開發(fā)。改造前期，學(xué)生先行熟悉實(shí) 驗(yàn)臺(tái)，了解預(yù)期所要開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，包括雷諾實(shí)驗(yàn)、文 丘里流量計(jì)、能量方程、局部和沿程阻力實(shí)

11、驗(yàn)，搜 集并整理各個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理與測(cè)試方法，以及實(shí) 驗(yàn)裝置的相關(guān)參數(shù)。指導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn) 臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，探究實(shí)驗(yàn)設(shè)備存 在的缺陷。學(xué)生經(jīng)過多次組內(nèi)討論，總結(jié)歸納出四 大問題：水泵型號(hào)不合適、管路、比壓計(jì)及水箱設(shè) 計(jì)不合理，導(dǎo)致裝置能耗過多，實(shí)驗(yàn)誤差過大。針 對(duì)上述問題，組內(nèi)成員討論定下大致的整改方向, 分配工作任務(wù)。在此過程中，不僅提升了同學(xué)們自 主學(xué)習(xí)的積極性，還培養(yǎng)了他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問 題和解決問題的能力，使其了解項(xiàng)目開展的常規(guī)流 程，具備完成工程或科研項(xiàng)目的基本素養(yǎng)。在儀器 設(shè)計(jì)階段，各成員分工協(xié)作。負(fù)責(zé)水泵選型的學(xué)生 根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的參數(shù)，進(jìn)行管路計(jì)算，確

12、定水 泵的揚(yáng)程和流量等基本物理量，并結(jié)合實(shí)際使用訴求完成水泵選型。負(fù)責(zé)管路設(shè)計(jì)的學(xué)生重新設(shè)計(jì)實(shí) 驗(yàn)管道，布置測(cè)壓孔，計(jì)算不同閥門開度下的測(cè)壓 管水頭，并對(duì)管道的設(shè)計(jì)與計(jì)算進(jìn)行修正。設(shè)計(jì)比 壓計(jì)的學(xué)生則查清漏水、氣塞的原因，根據(jù)測(cè)量需 求確定比壓計(jì)類型并重新設(shè)計(jì)其外觀。水箱的優(yōu)化 是通過仿真軟件，模擬水箱及管道入口處水流情況, 尋找水流穩(wěn)定的最佳改造方案與最佳放置方式。這 四部分的設(shè)計(jì)改造工作，在鞏固學(xué)生所學(xué)流體力學(xué) 的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試與模擬仿真技術(shù)，給予了 他們充分的自主性，培養(yǎng)了其勇于嘗試、勇于探索 的創(chuàng)新精神。加工安裝階段，學(xué)生將設(shè)計(jì)成果繪制 成CAD裝配圖、撰寫設(shè)計(jì)說明，購(gòu)置配件、自

13、行動(dòng) 手加工安裝（圖1和圖2）。該環(huán)節(jié)鍛煉了學(xué)生的動(dòng) 手和溝通能力，而且在他們與相關(guān)專業(yè)人員的交流 中，不斷提升自己繪制裝配圖的規(guī)范性和嚴(yán)謹(jǐn)性，更 讓他們清楚自己設(shè)計(jì)理念如何落地，由此增強(qiáng)了社 會(huì)經(jīng)驗(yàn)，為今后踏上工作崗位奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn) 臺(tái)安裝完畢后，項(xiàng)目組成員幾經(jīng)調(diào)試，設(shè)備運(yùn)行正 常，進(jìn)行單項(xiàng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值相 符，能反映流體力學(xué)的基本規(guī)律，滿足于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的 日常需求，順利通過驗(yàn)收。學(xué)生在此階段編寫實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)心得，充分給予學(xué)生主動(dòng)權(quán)，有效地 訓(xùn)練他們對(duì)科學(xué)報(bào)告的撰寫能力。3結(jié)語(yǔ)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的優(yōu)化，不僅可以有效 地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高, 而且給學(xué)生提供了接觸實(shí)際工程或科研項(xiàng)目的機(jī)會(huì)。 通過改革與實(shí)踐，樹立以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，使 學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中擁有了更多的主動(dòng)權(quán)和發(fā) 揮空間；建立融知識(shí)傳授、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和科學(xué)素質(zhì) 提高為一體的教育教學(xué)模式，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合 性、研究性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和實(shí)踐性，全面培養(yǎng)學(xué) 生的探索精神、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力；學(xué) 生在與相關(guān)行業(yè)工程技術(shù)人員交流中，拓展專業(yè)眼 界、夯