CAI在雷诺实验教学中的应用与探讨

张若玫　兰雅梅　李庆军

摘要：文章探讨基于CAI进行学生雷诺实验的教学改革，在分析雷诺实验的基本原理和教学要求的基础上，对教学方法、教学工具等方面进行了一系列改进措施。改进后的雷诺实验教学有助于学生对原理的理解，提高了实验效率和计算准确度，优化了实验教学效果，提升了学生满意度。

关键词：CAI；流体力学；雷诺实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）17-0265-02

一、引言

实验是理论联系实际的重要环节。它不仅是为了传授学科知识、验证学科理论、掌握实验操作的基本技能，更着意于培养学生的设计思维、开拓意识、创新和动手能力。为适应创新型人才培养的需求，如何在现有基础上，摆脱烦琐的实验数据计算，提高学生的学习兴趣，加深学生对理论的理解，深度挖掘学生运用理论解决实际问题的潜在能力，努力探索创新型的教学方法成为大学实验改革的重点[1]。流体力学是一门专业基础课，该课程覆盖了海洋渔业科学与技术、海洋环境、海洋技术、热能动力工程、环境工程等专业。为了配合相关实验课程的顺利开展（包括针对部分专业的独立实验课程），各高校添置了多种类、多套数的多功能流体力学实验装置，确保完成流体力学的本科实验教学任务[2]。与此同时，传统的实验教学方法存在许多不足之处，有待改进创新。例如，实验效率低下、数据处理烦琐且易出错、学生掌握情况无法及时反馈、教师工作量大且重复性高等。这些都使得实验教学效果大打折扣，不仅学生满意度降低，而且教师的付出并未得到有效的产出回报。尽管设备的“硬件”实力已经加强，但落后的“软件”却制约着实验教学效果的有效提升，无法达到事半功倍的理想效果。基于此种情形，本文在2015—2016学年第二学期的实验教学中，以“雷诺实验”为例，采用计算机软件辅助计算与分析。通过对2个专业3个班级共125名学生的调查问卷与数据统计，新型方法的应用，可以提高课堂效率40%以上，学生综合满意度达到95%。

二、雷诺实验

英国科学家雷诺（O.Reynolds）在1883年经过实验研究发现，在黏性流体中存在层流和湍流这两种截然不同的流态。实验发现，流动由层流至湍流的轉捩不仅仅取决于管内的流速，而且与以下四个物理量：管内的平均流速V、圆管直径d、流体密度ρ及流体的动力黏度μ（或者运动粘度ν）组成的无量纲数有关，即雷诺系数Re。

由层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，小于临界值流动为层流，大于临界值流动为湍流。实验得出，临界雷诺数为2300，用它来判断流态是十分简便的，只要计算出圆管中流动的雷诺数，便可确定流态。雷诺实验的装置如图1所示[3]。

雷诺实验的教学目的是通过改变水在管内的速度，观察流体流动过程的不同流态及其转变过程，建立“层流和湍流”两种流态的感性认识，测定流态转变时的临界雷诺数。雷诺实验的特点是数据量大，计算烦琐。在传统的实验教学方式下，学生把主要时间都花在了数据处理方面，让很多学生失去了学习流体力学的兴趣。

三、雷诺实验课程的CAI教改方案

CAI，被广泛译为“计算机辅助教学”，已基本得到教育界的认可。CAI为学生提供一个良好的个人化学习环境。综合应用多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术，克服了传统教学方式上单一、片面的缺点。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。

在传统的雷诺实验过程中，学生只是被动地观察流动形态，简单地记录数据，然后花费大量课堂时间进行计算以验证雷诺数，没有时间和老师主动探讨实验原理，积极分析问题和解决问题，容易挫伤学生的学习积极性。本文从两个方面对雷诺实验教学进行改进和创新。

1.教学模式改革。教学模式的改革服务于课程核心目标从“使学生了解并掌握雷诺实验基本概念”转变为“使学生能够观察实验、理解实验和研究实验”的根本目标，为实现这个目标将实验内容的结构调整为雷诺实验基本概念、雷诺实验搭建和雷诺实验测试三部分，每部分提出若干问题，编制《雷诺实验指导书》，以指导手册为基础指导学生进行“基于问题的学习”。课程教学时间分为视频教学和实践教学并行的两部分，视频教学时间以教师讲授与小组讨论的方式梳理学习内容的结构；实践教学时间学生带着问题进入，搭建实验和测试雷诺数，验证理论、提炼理论。

2.教学工具改革。在传统的实验教学方式下，按照实验报告册上的既定步骤，学生可以在无须对理论知识了解很多的情况下就完成实验和利用既定公式计算整理出实验报告；其次，传统实验让学生把主要时间花在烦琐的数据计算方面，而不是放在加深对理论的理解和运用理论解决实际问题方面；再次，实验作为对理论知识掌握程度的一种量度，在传统的实验教学形式下其反馈周期过长，不利于教师及时把握教学效果和教学进程。因此，本文充分利用现代计算机技术，以上问题可以得到有效的解决：在硬件建设方面，所需要做的只是为实验室添置一台微机和多台计算机终端，在软件方面，利用计算工具创建雷诺实验的数据库管理系统。编制该CAI时，本着形象、直观、易操作的原则，只要输入有关的测量数据，屏幕上便显示出雷诺数的大小和管道中流体的流态。图2和图3分别是测量数据的输入窗口和雷诺数的校准图。

四、CAI在雷诺实验课程中的教学效果

1.鼓励和指导对实验感兴趣又学有余力的学生进入更深层次的实验，实现理论与实验课程的电脑化教学，可通过电脑观看预习教学录像，实验课程讲义，给学生提高动手能力和创新能力创造了条件。

2.运用先进的实验设计手段，通过CAI对雷诺实验进行模拟仿真，再进行实验的搭建和调试，让学生更好掌握软硬件结合设计实验的流程和方法，提高了学生的学习兴趣和热情。

3.计算工具的改进。通过CAI将学生从烦琐的数据计算中解脱出来，可以快速理解实验原理，准确校准实验数据，便于教师快速掌握学生实验测量和计算情况。

参考文献：

[1]曹桂萍，孙杰，潘亮，闫亭亭.雷诺实验的创新性教学[J].高师理科学刊，2011，（3）：110-112.

[2]兰雅梅，王世明，宋秋红，刘爽.工程流体力学课程体系的建设与完善[J].中国现代教育装备，2014，（15）：42-44.

[3]宋秋红，夏泰淳，王世明，兰雅梅.工程流体力学[M].第2版.上海交通大学出版社，2012：191-193.