基于海洋科學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探

1、基于海洋科學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探摘要：圍繞培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教育理念，海洋科學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程承擔(dān)著培養(yǎng) 學(xué)生認(rèn)識(shí)海洋現(xiàn)象,深入理解海洋動(dòng)力過程的重要任務(wù)開設(shè)基本性實(shí)驗(yàn),使學(xué)生 掌握流體能量轉(zhuǎn)換、流體流動(dòng)狀態(tài)、邊界層基本知識(shí)，增設(shè)海洋類專業(yè)性實(shí)驗(yàn)，啟蒙 學(xué)生認(rèn)識(shí)地球流體的運(yùn)動(dòng)特性，開展自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)有利于激發(fā)學(xué)生科研興 趣，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)能透過現(xiàn)象認(rèn)識(shí)本質(zhì)，從而全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)海洋 關(guān)鍵詞：流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)；海洋科學(xué)；創(chuàng)新型人才；地球流體；海洋波動(dòng)Discussion on Experiment Teaching of Fluid MechanicsBased on Marine

2、Science Cultivation Innovative TalentsAbstract: In order to cultivate the innovative talents, course of hydromechanics experiment for students major in marine science is set up so that the students can have a better understanding of the phenomena and dynamics in the ocean. The characteristic of the

3、fluid can be learnt by the students through basic experiments, while the geophysical fluid dynamics can be understood through specialized experiments. In addition, innovative experiments carried out by the students can make them have deep comprehension of the ocean.Key words： hydromechanics experime

4、nt; marine science; innovative talents; geophysical fluid; waves in oceano引言探索具有自主特色的創(chuàng)新型人才實(shí)踐教育模式是 當(dāng)前高校面臨的重要課題E,目前迫切需要高校建立 創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、 科研創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生探索未知知識(shí)的 重要途徑，進(jìn)行專業(yè)性探索學(xué)習(xí),是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新 能力的最佳方式和方法。流體力學(xué)課程是海洋科學(xué)專業(yè)后續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)課的 基礎(chǔ)性課程，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是對(duì)流體力學(xué)抽象復(fù)雜的 理論知識(shí)的驗(yàn)證和演示，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)乃至地 球流體動(dòng)力學(xué)等后續(xù)專業(yè)性課程起到了非常重要的 作用

5、X。海洋科學(xué)是以地球流體為研究對(duì)象，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 除與普通流體一致外，還受熱力、重力及地球旋轉(zhuǎn)這3 種基本因素的支配，使得地球流體運(yùn)動(dòng)區(qū)別于一般流 體的特性，即旋轉(zhuǎn)和層結(jié)。發(fā)生在海洋和大氣中的大 尺度運(yùn)動(dòng)都遵循旋轉(zhuǎn)層結(jié)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律。 為了更好地突出海洋科學(xué)專業(yè)特色，培養(yǎng)海洋科學(xué)專 業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，中國海洋大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課 程自2007年開始進(jìn)行了一系列改革，對(duì)認(rèn)識(shí)流體力學(xué) 基本現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容放入理論教學(xué)中，增設(shè)了實(shí)驗(yàn)講 授學(xué)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的測(cè)量方法、技術(shù)手段開設(shè) 專題為學(xué)生講授，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中除了基本實(shí)驗(yàn)外，還加入 了自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)K，為學(xué)生提供了一個(gè)初步 進(jìn)行科學(xué)研究、培養(yǎng)

6、創(chuàng)新思維的平臺(tái)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生自主 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，提高?chuàng)新性思維，起到了至關(guān)重要的 作用。海洋科學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程從夯實(shí)流體力學(xué)基 礎(chǔ)、培養(yǎng)地球流體實(shí)踐能力教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，使學(xué)生通過 基本性實(shí)驗(yàn)，掌握流體能量轉(zhuǎn)換、層流和流態(tài)及其轉(zhuǎn)捩 特征、邊界層基本知識(shí);增設(shè)專業(yè)性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì) 海洋現(xiàn)象和過程的深入認(rèn)識(shí);而自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn) 致力于激發(fā)學(xué)生科研興趣，啟蒙學(xué)生認(rèn)識(shí)地球流體的 運(yùn)動(dòng)特性，從而全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)海洋。1夯實(shí)流體力學(xué)基礎(chǔ)海洋和大氣作為流體，其運(yùn)動(dòng)遵循流體力學(xué)的一 般規(guī)律，因此開展普通流體實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì) 普通流體運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的直觀認(rèn)識(shí)。普通流體的基本 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備完善，且多為管道流實(shí)驗(yàn)

7、，經(jīng)過甄選，可 以應(yīng)用在海洋科學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有伯努利方程 實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)、邊界層實(shí)驗(yàn)等,這些都是流體力學(xué)實(shí) 驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。伯努利方程體現(xiàn)了流體能量守恒的關(guān)系，表征了 能量轉(zhuǎn)換，突出了流體速度與壓強(qiáng)之間的關(guān)系。雷諾 實(shí)驗(yàn)通過觀察圓管中流體的流動(dòng)狀態(tài),確定其轉(zhuǎn)捩特 征，掌握無量綱參數(shù)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，為學(xué)生開展自主 設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)提供支撐。邊界層實(shí)驗(yàn)的測(cè)定是流體 力學(xué)最為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)之一,測(cè)量平板邊界層流速剖面, 可以加深學(xué)生對(duì)邊界層概念的認(rèn)識(shí)，了解層流和湍流 邊界層的差異。若使用熱線熱膜風(fēng)速儀進(jìn)行邊界層實(shí) 驗(yàn)的測(cè)定,還可以得到氣體脈動(dòng)速度的時(shí)空分布及風(fēng) 場(chǎng)湍流度等重要特征，對(duì)于學(xué)生深入理

8、解湍流特征、邊 界層結(jié)構(gòu)等都十分重要。2增設(shè)海洋科學(xué)特色實(shí)驗(yàn)海洋中存在著各種尺度的過程，包含羅斯貝波等 大尺度運(yùn)動(dòng)過程、內(nèi)波與中尺度渦等中尺度過程、海浪 等小尺度運(yùn)動(dòng)過程。它們之間并不是孤立的，而是存 在著相互作用及能量交換，因此開展海洋科學(xué)地轉(zhuǎn)實(shí) 驗(yàn)、海洋波動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)海洋現(xiàn)象和海洋中的動(dòng) 力過程起到了重要的作用，亦可激發(fā)學(xué)生科研興趣,探 究海洋現(xiàn)象和過程,全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)海洋。依托學(xué)校強(qiáng)大的科研優(yōu)勢(shì),面對(duì)物理海洋小學(xué)科 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備不足的情況，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室教師注重 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的研發(fā)，研制了小型地球旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、 海洋波動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),應(yīng)用于本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。大尺度地球流體運(yùn)動(dòng)首先最主要的

9、特征是地轉(zhuǎn)效 應(yīng),地轉(zhuǎn)效應(yīng)最直觀的現(xiàn)象是產(chǎn)生垂直剛性,地球流體 遵循Taylor-Proudman定理，開展泰勒柱實(shí)驗(yàn)是對(duì)學(xué)生 認(rèn)識(shí)地球流體旋轉(zhuǎn)效應(yīng)最直接的手段。西向強(qiáng)化是受 地轉(zhuǎn)效應(yīng)影響的典型的海洋現(xiàn)象，西邊界流在全球海 洋物質(zhì)輸運(yùn)、能量交換與氣候調(diào)節(jié)中發(fā)揮著關(guān)鍵作 用囪。開展西邊界流實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生深入認(rèn)識(shí)西向 強(qiáng)化這一重要的海洋現(xiàn)象。此外，利用自主設(shè)計(jì)的小 型地球旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可以模擬羅斯貝波、Ekman layer等這些大尺度的海洋現(xiàn)象。地球流體的另一特征是層化效應(yīng),而海洋內(nèi)波正 是發(fā)生在層結(jié)穩(wěn)定的海洋內(nèi)部的一種波動(dòng)。內(nèi)波是海 洋能量級(jí)串的重要環(huán)節(jié),在海洋混合中起著至關(guān)重要 的作用申

10、0 ，對(duì)海洋中大尺度熱鹽環(huán)流的維持亦不可 或缺皿。內(nèi)波在海洋中可以遠(yuǎn)距離傳播，從而影響海 洋中的能量再分配$2頂。開展海洋內(nèi)波實(shí)驗(yàn)可以讓 學(xué)生認(rèn)識(shí)海洋中的波動(dòng)過程，了解海洋中能量分配的 機(jī)制。利用自主設(shè)計(jì)的波動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以模擬海洋內(nèi) 波（包括內(nèi)潮波與內(nèi)孤立波）的生成、傳播與耗散等過 程,加深學(xué)生對(duì)于層結(jié)流體中物理過程的理解。海洋中還包括海浪這樣的小尺度現(xiàn)象，海浪在海 氣能量交換過程中起到了非常重要的作用,研究表明 風(fēng)向海浪輸入的能量約60 TW,這一量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì) 其他過程的能量輸入皿。開展風(fēng)浪成長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)可以使 學(xué)生認(rèn)識(shí)海浪的成長(zhǎng)過程以及海洋中的能量輸入。除 此之外，利用設(shè)計(jì)的波動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以

11、進(jìn)行波浪破 碎、海面微結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)。3加強(qiáng)自主創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)除基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)外,流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室教師自主搭 建了三維粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（Particle Image Velocimetry, PIV），實(shí)現(xiàn)了三維流場(chǎng)的精確測(cè)量，并 自主設(shè)計(jì)了大范圍同步PIV系統(tǒng)，將測(cè)量范圍從傳統(tǒng) PIV的30 cm擴(kuò)充至3 m,這樣可以進(jìn)行一些大型構(gòu)件 和大地形的實(shí)驗(yàn)研究（見圖1）區(qū)，且成本降至原來的 1 +15,使得高精尖的科研設(shè)備真正可以應(yīng)用在本科生 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還能達(dá)到讓學(xué)生熟知其實(shí)驗(yàn)原理的效 果。自主開發(fā)了激光誘導(dǎo)熒光、合成紋影等新實(shí)驗(yàn)技 術(shù),這些設(shè)備與實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段的使用,極大地?cái)U(kuò)充了實(shí) 驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,為學(xué)生自主

12、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、本科生科研訓(xùn)練項(xiàng) 目、本科畢業(yè)論文提供了優(yōu)質(zhì)的平臺(tái)，一些研究生也利 用這些設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)研究,并發(fā)表了高水平論文,極大 地開拓了學(xué)生創(chuàng)新性思維。依托但并不限于自主研制的實(shí)驗(yàn)裝置，流體力學(xué) 實(shí)驗(yàn)開展了獨(dú)立構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案的自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí) 驗(yàn)。學(xué)生們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下自主選題，自已動(dòng)手，利用(d) 8 = 0.47, / =0.74(c) 8 = 0.31, / = 1.31(e) 8 = 0.47, / = 0.99(f) 8 = 0.47 , / = 1.31(h) 8 = 0.63, (d) 8 = 0.47, / =0.74(c) 8 = 0.31, / = 1.31(e) 8 = 0.47, / = 0.99(f) 8 = 0.47 , / = 1.31(h) 8 = 0.63, / = 0.99(a) 8 = 0.31, / = 0.74(g) 8 = 0.63, / = 0.74(i) 8 = 0.63, / = 1.34圖1大范圍同步piv系統(tǒng)測(cè)量的內(nèi)潮在陸架地形上演