风机方向专业基础课实验教学改革研究

陈爱平　王伟

[摘要]本文通过对风机方向专业基础课实验教学的现状进行分析，指出其不足之处。并结合当下虚拟实验室的趋势，就其实验内容、实验方法、成绩评定提出了改进方案。

[关键词]实验教学 改进 数值模拟

一、引言

本课题所指的专业基础课不包含机械大类的专业基础课，特指风机方向的专业基础课程《流体力学》、《工程热力学》。这两门课程是是现代工程技术人员必备的技术基础知识，是工科类专业人工程素质的重要组成部分。对机械大类风机方向的学生而言，是他们学习后续专业课程的必要基础。这两门课程概念多、公式多、内容多、抽象难懂。为了帮助学生更好的学好这两门课，为了提升学生的实践动手能力和工程意识，一般学校都开设有实验课。

但就该课程目前的实验技术条件和实验手段，离预定目标还有一定的差距。文章从两门课程的实验室条件和实验教学的现状分析入手，针对存在的不足，对实验室改造、实验教学内容和方法和环节提出一些建议。

二、风机方向专业基础课传统实验教学及其不足

针对《流体力学》和《工程热力学》两门专业基础课，传统的实验方法是每门课程安排4-5个实验，即两门课程共计8-10个实验。《流体力学》一般开设静水力学实验、伯努利能量方程实验、雷诺实验、局部损失实验、沿程阻力实验，验实验目的分别是验证流体静压强规律；验证能量方程、判断层流紊流及其划分、测量计算管道沿程水头损失、測量计算管道局部水头损失需要用到的实验设备有水静力学实验仪能量方程实验仪雷诺实验仪、沿程水头损失仪、局部水头损失仪。

《工程热力学》开设的实验主要包括：空气定压比热容测定、空气绝热指数的确定、饱和蒸汽温度和压力关系实验、二氧化碳P-v-T关系的观察和测定、喷管性能试验，需要的实验设备有恒温水浴、电位计、变压器、标准温度计（套）、保温瓶等等。

传统的实验的实验内容大多是演示实验和验证实验，基本不需要设计。学生在对实验的兴趣不大，他们按照实验指导书的实验步骤操作得出结论了事。很难发挥学生的主观能动性，更别提提高学生的实践能力和工程意识。

这些实验的实验设备比较昂贵，又占很大的空间。为了节约成本，一般学校购买的台套数有限，这样一来，一台套设备同时接纳的学生就较多，很难有每个学生亲自操作的机会。甚至对于一些使用较为贵重、操作中容易出现故障的仪器实验，很多由老师亲自演示让学生在一旁观看，了解操作的过程，让学生直接抄取实验数据。学生自由由发挥的余地很少。

传统的实验教学方法也存在弊端，一般采用灌入式填鸭教学方法，通过“老师讲解—实验演示—实验报告”的模式进行教学。学生走进实验室， 师事先将实验原理、目的、步骤写在黑板上讲述一遍，然后将实验步骤演示给学生看一遍，学生按照设定的实验固定模式进行机械地重复性操作，依照实验报告的内容一步步地做下去，最后得出大同小异的实验结论。这些实验前人已经做过多次，区别就在于是用同学各异的操作能力重复同一内容，结果最多只是误差存在些微差距。学生的感性认知很差，实验效果很难达到预期的理想目标。

传统的实验成绩评定也是一块硬伤。由于不是一对一教学，对于实验过程的给分老师几乎无能为力。只能从学生上交的实验报告进行批阅。但是实验报告的数据有可能是抄袭的，也有可能是捏造的。其结果是大家分数大同小异。甚至出现实验动手的学生比不动手学生的分数还低的情况。极大地打击了学生上实验课的积极性。

三、风机方向专业基础课实验教学改革

从上面的论述可以看出，针对风机方向专业基础课实验课，要想改变现有传统的实验教学弊端。必须从实验设备、实验内容、实验方法和实验评定上三管齐下。

（一）实验室由实体的实验室改造为数值虚拟实验室 （花费很少）

建造热流体数值实验平台（现在已经是很成熟的实验平台），一个实验平台可以开设两门课程的所有实验（验证性的、设计性的、综合性的）。不需要像传统实验室要买很多实验设备。只需将实验平台安装在一般的机房即可实施。

不用担心学生措手损坏仪器而只让老师演示，更不用担心五个、十个个学生共用一套设备。该数值实验室可以实现一次性容纳50-70学生同时做实验，并且保证人手一套仪器（虚拟），每个学生都要亲自操刀动手，提高了学生的能动性，规避了人的惰性（一人一组，不能依靠其他组员）。

（二）实验内容的改进

传统的实验基本都是验证性和演示性实验。热流体数值实验运用CFD技术，通过模拟流体力学以及传热学中一些简单物理问题，使一些基本概念、基本现象、基本模型数值化，可视化，从而加强同学们对流体力学和传热学基本概念的认识，并将这些基础知识与风机工程应用结合起来，引导学生更有效的利用CFD工具解决热流体方面的有关问题。

热流体数值实验平台中可供实验的项目见图1，图1表示了部分实验项目。这些项目内容包括工程应用中最常见的流体动力学问题——对流体通过管道系统时流场分布的分析。研究有热传递或无热传递时等截面管道的流动状况。

在管路系统中，压头损失或阻力是风机工程中要解决的2个主要问题之一，热流体数值实验可以研究不同管道的损失机理，损失与管道结构尺寸的关系。

风机工程中要解决的另外的主要问题之一是风机叶片作功，热流体数值实验通过模拟流过机翼（翼型叶片）物理现象，介绍机翼（翼型叶片）绕流的基本过程，得出翼型叶片升力系数和阻力系数。

以上内容既是《流体力学》、《工程热力学与传热学》两门专业基础课程教学的需要，又与风机方向的专业知识相关联。

（三）实验教学方法的改进

传统的实验教学方法是教师怎么教授，学生就怎么复制，机械性地重复。学生积极性不高。而对于在热流体数值实验台上做实验的学生来说，想要完全地照搬实验规程，恐怕有难度。老师讲解时，一般是讲起实现原理，并且举一个例子（不可能把每一种情况都提到）。学生根据原理，自由发挥。

学生必须从热流体数值实验台里选取合适的实验仪器自己搭建某一个实验平台（热流体数值实验台对于每一个实验都会提供几十种甚至上百种可相互替代但效果不相同的虚拟仪器）。只要不抄袭，每个同学搭建的虚拟实验平台都很难重复，更何况，实验平台搭建后还要自己选取合适的模拟分析方法也存在差异。比如说究流体在研究不同管道的损失机理时，学生在搭建实验平台时，有的学生搭建的实验对象：第一段是直管（直径可自选，材料也可自选），第二段是弯管（弯管方向可变），第三段开一个小孔，第四段变直径等等。也有的学生第一段选弯管，第二段直管，第三段管道突扩等等。通过数值虚拟实验平台可以搭建无数种可行的虚拟实验平台。

当然，学生在搭建虚拟实验平台时可能会出错，但不要紧。可以重新来。不用担心阀门拆了装，装了拆会出现漏隙，不用担心重复搭建会损坏仪器。

虚拟实验平台搭建好之后，学生可根据老师所讲的实验原理选取合理的软件模拟方法。这是最有意思的地方了。很多学生把参数，实验条件虚拟加入到实验平台后，会出现意想不到的结果。可能那个地方流体损失过多，可能都不能够六流到最后，学生只能从搭建实验平台重新开始。有的学生在模拟过程中会发现各种各样的实验现象和实验结论，这些现象和结论可能是老师也不能预见的。因为老师不可能把所有可能的实验平台都搭建到。从实验教學中，老师也可以增长不少“见闻”。

这样一来，学生觉得既有压力又有意思。压力是所有的实验过程每个人都必须会，如果不会，实验不能完成 。不像以前，一组10个学生，只要有一个学生会了其他人抄抄数据就行了。让人觉得兴奋的是，实验过程与现象、结论不再千篇一律，每一个学生都可以展开想象的翅膀自由发挥。甚至其实验模拟方案可能优于老师，充分调动了学生的积极性。

（四）改进实验成绩评定方式

老师根据每一个实验特点，确定该实验的评分细则。比如说对于研究不同管道的损失机理实验时，可以规定实验台搭建总分40分（搭建合理35-40分，比较合理25-35分，基本合理20-25分，有错误重做），模拟现象描述20分，

软件分析总分40分（分析方法合适，结论合理35-40分，方法有待优化30-50分，方法未出原则性错误20-25分，方法出现大错重做）。这样老师的评分有理有据又合理，学生得到公平对待才能有积极性。

四、结论

通过上面的分析可看出，对于风机方向专业基础课的实验教学，可以通过对验仪器的虚拟改造，对实验内容的优化，实验方法和实验成绩评定的改进提高学生的实验积极性、激发学生的实验兴趣，从而达到实验的教学目标与效果。

[参考文献]

[1]韩小平.浅议高校实验教学改革[J].山西广播电视大学学报，2008（1）.

[2]许桂英.程流体力学教学改革[J]广东化工2012（16）

[3]周桂云.流体力学实验教学改革与探索[J]河南科技.2013（21）

[4]江海斌.工程热力学实验教学改革探索[J]中国电力教育.2013（34）

[5]崔蕾.工程热力学实验课程改革的探讨[J]教育与职业.2011（23）

（作者单位：湖北省武汉市 武昌工学院机 械工程学院）