新工科背景下流體動量方程實驗教學(xué)探索與建設(shè)

1、新工科背景下流體動量方程實驗教學(xué)探索與建設(shè)摘要:在高等教育新工科背景下，流體力學(xué)作為工科專業(yè)基礎(chǔ)課程，其實驗教學(xué) 方法和內(nèi)容面臨更新和改革。以流體力學(xué)經(jīng)典實驗一一動量方程實驗為例，探索 信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等與傳統(tǒng)物理實驗相融合的方法。通過更新實驗教學(xué)文件、 建設(shè)數(shù)字教學(xué)資源、優(yōu)化師資隊伍、重構(gòu)考評體系等措施，構(gòu)建面向?qū)W生工程創(chuàng)新 能力培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)模式;該教學(xué)模式的引入,為教師創(chuàng)新性、啟發(fā)性教學(xué)的開展 提供了平臺和制度支撐。關(guān)鍵詞:流體力學(xué)；動量方程；新工科；數(shù)字教學(xué)資源Exploration and Construction of Fluid Momentum EquiationExper

2、iment Teaching under the Background ofEmerging Engineering EducationAbstract: Under the background of emerging engineering education in higher education, fluid mechanics is a fundamental course of engineering domains, its experimental teaching methods and contents face on the renewal and reform. The

3、 classical experiment of fluid mechanics-momentum equation experiment is taken as an example to explore the method, which is as the integration of information technology and the Internet technology with traditional physics experiments. By updating the experimental teaching documents, constructing di

4、gital teaching resources, optimizing the teaching staffs, and reconstructing the evaluation system, the new teaching mode for the students( engineering innovation ability training goal is constructed. The new teaching method supplies a platform and regulation, and supports teachers in innovative and

5、 inspiring teaching.Key words： fluid mechanics； momentum equation； emerging engineering； digital teaching resources0引言新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速進(jìn)行，正催生 并推動著新經(jīng)濟(jì)模式的蓬勃發(fā)展成 工程教育作為科技發(fā)展和應(yīng)用的加速器與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系、相互 支撐。新工科教育正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生的。新工 科教育建設(shè)要堅持新工科專業(yè)孕育和現(xiàn)有工科專業(yè)改 革創(chuàng)新并進(jìn)的思路0引言新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速進(jìn)行，正催生 并推動著新經(jīng)濟(jì)模式的蓬勃發(fā)展成 工程教育作為基礎(chǔ)科學(xué)和基礎(chǔ)技術(shù)作為

6、推動人類社會進(jìn)步和發(fā) 展的基本源泉，是人類智慧的結(jié)晶，是人類對生產(chǎn)生活 過程中基本原理、方法的總結(jié)、精煉，是科學(xué)進(jìn)步和技 術(shù)發(fā)展的基石。流體力學(xué)作為研究流體（包含氣體、 液體及等離子體）現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的基礎(chǔ)科學(xué)，其在推動科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步方面發(fā)揮了廣泛且 巨大的作用。其應(yīng)用范圍及交叉學(xué)科涵蓋物理學(xué)、化 學(xué)、航空工程、機(jī)械工程、動力工程、礦業(yè)工程、醫(yī)學(xué)等 諸多學(xué)科和領(lǐng)域。流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容涵蓋基本概 念、理論分析和科學(xué)實驗;教學(xué)體系包含理論教學(xué)和實 驗教學(xué)兩部分回。實驗教學(xué)作為鞏固理論知識認(rèn)知、 關(guān)聯(lián)工程實踐的中間環(huán)節(jié)，是基本理論檢驗和發(fā)展的 手段,是培養(yǎng)學(xué)生知識與能力轉(zhuǎn)化、理論與實踐結(jié)合、

7、 創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)養(yǎng)成的重要環(huán)節(jié)，是養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求 實科學(xué)態(tài)度的重要手段國迫。新產(chǎn)業(yè)、新科技需求帶 給流體力學(xué)實驗教學(xué)帶來新的機(jī)遇和新的挑戰(zhàn)。將信 息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)與傳統(tǒng)的流體力學(xué)實驗相融合, 建設(shè)具備交融性、創(chuàng)新性的人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系，不 僅僅是適應(yīng)高等教育的發(fā)展趨勢，更是新工科背景下 提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑回。動量定律是流體力學(xué)的三大基本定律之一。動量 定律的本身雖不復(fù)雜，但是作為基礎(chǔ)理論對流體力學(xué) 理論知識延伸和以其為基礎(chǔ)的工程實踐應(yīng)用拓展有廣 泛且深入的影響。水射流切削加工、渦輪機(jī)葉片高溫 射流沖擊腐蝕、燃油噴射等高新技術(shù)均與流體動量理 論相關(guān)聯(lián)回書。選擇動量方程實驗作為研究對

8、象，對 探索新工科背景下流體力學(xué)實驗教學(xué)體系的改革方向 和內(nèi)容建設(shè)有一定的參考和實際意義。1動量方程實驗1.1動量方程簡介動量方程作為牛頓第二定律（動量定律）在流體 力學(xué)中的一種表現(xiàn)形式，主要闡述流體動量變化與作 用力之間的關(guān)系,表示作用于控制體內(nèi)流體的外力等 于控制體在單位時間內(nèi)沿外力方向凈流出的動量（流 出與流入的動量之差），其歐拉表示法為：# / 9判尸DI危（他）式中：#/表示控制體內(nèi)質(zhì)點系上所有外力的矢量 和,3 pvdV表示控制體內(nèi)流體動量對時間的變化 率，4 P7（7d）表示單位時間內(nèi)通過所有控制表面的 動量代數(shù)和。式（1）是動量定律的一般表現(xiàn)形式，針對教學(xué)、工 程中的定常、不可

9、壓縮、一元流動，其方程簡化為：F 9 pM（.27= - .17$）（2）式中:/表示作用外力;p表示流體的密度;M表示流體 的流量;.1表示入流的動量修正系數(shù);71表示入流的流 速;.2表示出流的動量修正系數(shù);7=表示出流的流速。 1.2動量方程實驗簡介傳統(tǒng)的流體動量方程驗證實驗以動量定律實驗裝 置為工具，通過測量射流沖擊模型所受的沖擊反力、計 算動量系數(shù).，進(jìn)而驗證不可壓縮流體恒定總流的動 量定律面。學(xué)院實驗教學(xué)所使用的動量定律實驗裝 置見圖1。圖1動量方程實驗裝置1.3傳統(tǒng)實驗存在的問題實驗過程中考慮到實驗安全等因素，工作介質(zhì)多 選擇水;通過改變?nèi)肓髁髁康姆绞綔y量不同流量條件 下的射流沖

10、擊力，驗證不同流量條件下的動量方程。 對比式（2）可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實驗方法在實驗過程中 只針對單一變量（流量Q）進(jìn)行調(diào)整，通過實驗，學(xué)生 只能分析獲得流量一個物理量對沖擊力的影響，無法 真實感知其他物理變量（如流速8、工作介質(zhì)密度p） 對射流沖擊力的影響，導(dǎo)致學(xué)生對動量方程理解的局 限。工程實踐中，很多設(shè)備是基于動量方程中流速變 化原理實現(xiàn)工作的，這種理解的局限部分限制了學(xué)生 工程視野的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。依據(jù)筆者的實驗教學(xué)經(jīng)驗,現(xiàn)有動量方程實驗存 在4點不足:方程中各物理量對沖擊力影響驗證不 足;實驗設(shè)備及操作講解占用學(xué)時較長;基于動 量定律的工程應(yīng)用等擴(kuò)展類、創(chuàng)新類內(nèi)容較少;實 驗考核方

11、式單一。2教學(xué)建設(shè)目標(biāo)與方法針對實驗存在的不足，探索將信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)引入動量方程實驗中，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)境基礎(chǔ) 上搭建數(shù)字環(huán)境，建設(shè)數(shù)字資源聽弱。通過設(shè)計、制 作動量方程數(shù)字化實驗課程，結(jié)合新的教學(xué)方法，突破 實驗條件、實驗設(shè)備等約束，拓展實驗教學(xué)的時間及空 間維度，提高實驗教學(xué)效率，改善實驗教學(xué)效果，構(gòu)建 適合新工科需求的流體力學(xué)實驗教學(xué)方法明。新的實驗教學(xué)采用數(shù)字實驗教學(xué)與真實物理實驗 教學(xué)相結(jié)合的方式展開。通過虛實結(jié)合的方法，充分 發(fā)揮兩種教學(xué)方法的優(yōu)勢,相互取長補(bǔ)短，保障并提高 教學(xué)質(zhì)量,具體方法如圖2所示。課程計劃內(nèi)實驗開放實驗卜創(chuàng)新實驗1其他實驗H提交實驗申請f虛擬實驗預(yù)斗

12、rf虛擬實驗羸補(bǔ)虛擬實驗拓展|課程計劃內(nèi)實驗開放實驗卜創(chuàng)新實驗1其他實驗H提交實驗申請f虛擬實驗預(yù)斗rf虛擬實驗羸補(bǔ)虛擬實驗拓展|虛擬實驗考核數(shù)字虛擬實驗物理實驗 預(yù)習(xí)匯報物理實 驗操作物理實驗 報告提交物理實驗 工程拓展實驗考評3教學(xué)資源建設(shè)3.1教學(xué)文件建設(shè)教學(xué)文件是教學(xué)實施的指南與依據(jù)。其主要包含 實驗教學(xué)大綱、實驗教案、實驗指導(dǎo)與報告幾部分。（$）實驗教學(xué)大綱。實驗教學(xué)大綱確定了實驗內(nèi) 容、教學(xué)目標(biāo)和學(xué)時分配，是實驗教學(xué)運(yùn)行的“憲 法”實驗教案。實驗教案是包含具體教學(xué)設(shè)計及 安排的教學(xué)文書。動量方程實驗教案依據(jù)實驗教學(xué)大 綱編寫，其中增加數(shù)字化實驗教學(xué)內(nèi)容。教案豐富了 教學(xué)授課內(nèi)容，在

13、保證基本授課內(nèi)容的基礎(chǔ)上,教師可 以根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗進(jìn)行擴(kuò)展講解，這樣做既有效 的避免了教師隨意授課導(dǎo)致的必要知識點漏講又保障 了授課內(nèi)容的豐富性。 實驗指導(dǎo)與報告。實驗指導(dǎo)與報告是學(xué)生了 解實驗，記錄、匯報實驗,教師了解學(xué)生實驗效果的文 字材料。動量方程實驗指導(dǎo)與報告依據(jù)實驗大綱和實 驗教學(xué)經(jīng)驗進(jìn)行修訂；其中指導(dǎo)部分增設(shè)了安全操作%。動量方程實驗為主要面向全校工學(xué)部3個學(xué) 院4門課程（工程流體力學(xué)A、工程流體力學(xué)B、流體 力學(xué)、水力學(xué)與橋涵水文）設(shè)置$2個課內(nèi)教學(xué)學(xué)時 的專業(yè)基礎(chǔ)實驗，采用24人/組使用實驗教案。實驗教案是包含具體教學(xué)設(shè)計及 安排的教學(xué)文書。動量方程實驗教案依據(jù)實驗教學(xué)大

14、綱編寫，其中增加數(shù)字化實驗教學(xué)內(nèi)容。教案豐富了 教學(xué)授課內(nèi)容，在保證基本授課內(nèi)容的基礎(chǔ)上,教師可 以根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗進(jìn)行擴(kuò)展講解，這樣做既有效 的避免了教師隨意授課導(dǎo)致的必要知識點漏講又保障 了授課內(nèi)容的豐富性。實驗指導(dǎo)與報告。實驗指導(dǎo)與報告是學(xué)生了 解實驗，記錄、匯報實驗,教師了解學(xué)生實驗效果的文 字材料。動量方程實驗指導(dǎo)與報告依據(jù)實驗大綱和實 驗教學(xué)經(jīng)驗進(jìn)行修訂；其中指導(dǎo)部分增設(shè)了安全操作表1動量方程實驗教學(xué)內(nèi)容$23456$23456動量方程虛擬實驗% 2 （課外）實驗預(yù)習(xí)匯報0.4 （課內(nèi)）實驗操作回顧0. 2 （課內(nèi)）實驗運(yùn)行0. 8 （課內(nèi)）實驗問題匯報0.2 （課內(nèi)）工程拓展啟

15、發(fā)與討論0.4 （課內(nèi)）3.2數(shù)字資源建設(shè)數(shù)字教學(xué)資源是虛擬實驗順利開展的基礎(chǔ)。數(shù)字 化實驗主要包含如下幾個方面的內(nèi)容：（a）實驗原理界面圖（b）實驗儀器介紹圖（$）運(yùn)用多媒體技術(shù)對實驗的基本信息（目的、 原理、儀器設(shè)備等）、實驗理論的工程拓展應(yīng)用，儀器 設(shè)備的原理、操作流程、安全注意事項等進(jìn)行講解。 為了簡單、充分、完整的表達(dá)相關(guān)信息，根據(jù)需要采用 文字、圖片、視頻、動畫等方法，如圖2（a）實驗原理界面圖（b）實驗儀器介紹圖圖2實驗基本信息（a）實驗操作界面圖（b）安全注意事項介紹圖圖3實驗操作信息（2）運(yùn)用人機(jī)交互功能實現(xiàn)實驗設(shè)備的真實物理 實驗虛擬操作、工程拓展虛擬操作和虛擬實驗的考評

16、工作。虛擬實驗全面數(shù)字化真實物理實驗的相關(guān)操 作，學(xué)生通過虛擬操作，可以全面掌握實驗的操作流程 及注意事項；以大量真實實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)構(gòu)建了誤差 函數(shù)，誤差函數(shù)的引入，讓虛擬實驗與物理實驗的貼合 度更強(qiáng)，如圖4所示。工程拓展虛擬實驗的引入目的 在于讓學(xué)生了解動量方程的工程應(yīng)用，拓展學(xué)生的工 程視野，此類工程應(yīng)用因安全等因素不宜在實驗教學(xué) 中引入;動量方程的工程拓展虛擬實驗以動力設(shè)備中 常見的燃油噴射裝置為范例，設(shè)置了不同工作介質(zhì) （汽油和柴油）和不同尺寸的噴嘴直徑選項，學(xué)生可選 擇不同工作介質(zhì)、不同尺寸的噴嘴組成差異化的實驗 組，通過實驗結(jié)果對比，感知不同實驗參數(shù)對沖擊力的 影響，強(qiáng)化學(xué)生對基本

17、理論在工程專業(yè)實踐中的應(yīng)用,如圖5所示圖4真實物理實驗虛擬操作圖5工程拓展實驗虛擬操作虛擬實驗考評和數(shù)字教學(xué)運(yùn)行依托校虛擬仿真實 驗教學(xué)中心的網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)選-學(xué)v做V平的一站式 教學(xué)。3.3師資隊伍建設(shè)師資隊伍是實驗教學(xué)實施的人員保障。為保證實 驗教學(xué)工作的順利開展，建立了實驗教學(xué)團(tuán)隊,采用課 程負(fù)責(zé)人中心責(zé)任制。實驗教學(xué)團(tuán)隊由不同層次的理 論課教師、實驗課教師、信息化經(jīng)驗豐富的教師及助教 共同組成，以高級職稱的教師組成指導(dǎo)委員會,對實驗 指導(dǎo)、人員安排、效果評估進(jìn)行實時跟蹤和指導(dǎo)。實驗 教學(xué)團(tuán)隊定期進(jìn)行教學(xué)總結(jié)、培訓(xùn)和考核，確保實驗教 學(xué)水平穩(wěn)步提高。3.4考核評價方法建設(shè)動量方程的實驗考

18、核評價方法由傳統(tǒng)的過分重視 實驗操作和實驗報告的考評方法轉(zhuǎn)化為注重實驗教學(xué) 全過程及工程能力拓展的綜合考評方法。綜合考評法 的實驗成績由虛擬實驗考核成績、實驗操作、實驗報告 提交成績、實驗態(tài)度及工程拓展成績5部分組成。其 中數(shù)字虛擬實驗考核成績占25%，實驗操作占35% , 實驗報告占15%，實驗態(tài)度占5%，工程拓展成績占 20%，所有成績經(jīng)加權(quán)最終匯入流體力學(xué)課程的總 成績。行。與傳統(tǒng)的物理實驗相協(xié)作，共同助力流體力學(xué)實 驗教學(xué)?？紤]到現(xiàn)行本科培養(yǎng)方案和實驗教學(xué)大綱的 執(zhí)行周期，新的實驗教學(xué)方法選擇部分課程、部分學(xué)生 進(jìn)行試驗性運(yùn)行,教學(xué)反饋效果良好。（1）新教學(xué)模式的應(yīng)用，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，充 實了實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)方法的多樣