新工科背景下流体动量方程实验教学探索与建设

杨 嵩， 朱先勇， 于 萍， 王 辉， 王继利

(吉林大学 机械与航空航天工程学院， 长春 130025)

0 引 言

新一轮科技革命和产业变革的加速进行，正催生并推动着新经济模式的蓬勃发展[1-2]。工程教育作为科技发展和应用的加速器与产业发展紧密联系、相互支撑。新工科教育正是在此背景下应运而生的。新工科教育建设要坚持新工科专业孕育和现有工科专业改革创新并进的思路。交叉与融合成为工程创新人才培养的着力点和重大工程科技创新的突破点[3-8]。

基础科学和基础技术作为推动人类社会进步和发展的基本源泉，是人类智慧的结晶，是人类对生产生活过程中基本原理、方法的总结、精炼，是科学进步和技术发展的基石。流体力学作为研究流体(包含气体、液体及等离子体)现象以及相关力学行为的基础科学，其在推动科学发展和技术进步方面发挥了广泛且巨大的作用。其应用范围及交叉学科涵盖物理学、化学、航空工程、机械工程、动力工程、矿业工程、医学等诸多学科和领域[9-10]。流体力学教学内容涵盖基本概念、理论分析和科学实验；教学体系包含理论教学和实验教学两部分[11]。实验教学作为巩固理论知识认知、关联工程实践的中间环节，是基本理论检验和发展的手段，是培养学生知识与能力转化、理论与实践结合、创新能力和综合素质养成的重要环节，是养成严谨求实科学态度的重要手段[11-12]。新产业、新科技需求带给流体力学实验教学带来新的机遇和新的挑战。将信息技术、互联网+技术与传统的流体力学实验相融合，建设具备交融性、创新性的人才培养实践教学体系，不仅仅是适应高等教育的发展趋势，更是新工科背景下提高人才培养质量的重要途径[13]。

动量定律是流体力学的三大基本定律之一。动量定律的本身虽不复杂，但是作为基础理论对流体力学理论知识延伸和以其为基础的工程实践应用拓展有广泛且深入的影响。水射流切削加工、涡轮机叶片高温射流冲击腐蚀、燃油喷射等高新技术均与流体动量理论相关联[14-15]。选择动量方程实验作为研究对象，对探索新工科背景下流体力学实验教学体系的改革方向和内容建设有一定的参考和实际意义。

1 动量方程实验

1.1 动量方程简介

动量方程作为牛顿第二定律(动量定律)在流体力学中的一种表现形式，主要阐述流体动量变化与作用力之间的关系，表示作用于控制体内流体的外力等于控制体在单位时间内沿外力方向净流出的动量(流出与流入的动量之差)，其欧拉表示法为：

∭VρvdV+Aρv(vdA)

(1)

式(1)是动量定律的一般表现形式，针对教学、工程中的定常、不可压缩、一元流动，其方程简化为:

F=ρQ(β2v2-β1v1)

(2)

式中：F表示作用外力；ρ表示流体的密度；Q表示流体的流量；β1表示入流的动量修正系数；v1表示入流的流速；β2表示出流的动量修正系数；v2表示出流的流速。

1.2 动量方程实验简介

传统的流体动量方程验证实验以动量定律实验装

置为工具，通过测量射流冲击模型所受的冲击反力、计算动量系数β，进而验证不可压缩流体恒定总流的动量定律[16]。学院实验教学所使用的动量定律实验装置见图1。

图1 动量方程实验装置

1.3 传统实验存在的问题

实验过程中考虑到实验安全等因素，工作介质多选择水；通过改变入流流量的方式测量不同流量条件下的射流冲击力，验证不同流量条件下的动量方程。对比式(2)可以发现，传统的实验方法在实验过程中只针对单一变量(流量Q)进行调整，通过实验,学生只能分析获得流量一个物理量对冲击力的影响，无法真实感知其他物理变量(如流速u、工作介质密度ρ)对射流冲击力的影响，导致学生对动量方程理解的局限。工程实践中，很多设备是基于动量方程中流速变化原理实现工作的，这种理解的局限部分限制了学生工程视野的开拓和创新能力的培养。

依据笔者的实验教学经验，现有动量方程实验存在4点不足：① 方程中各物理量对冲击力影响验证不足；② 实验设备及操作讲解占用学时较长；③ 基于动量定律的工程应用等扩展类、创新类内容较少；④ 实验考核方式单一。

2 教学建设目标与方法

针对实验存在的不足，探索将信息技术和互联网技术引入动量方程实验中，在传统实验教学环境基础上搭建数字环境，建设数字资源[17-18]。通过设计、制作动量方程数字化实验课程，结合新的教学方法，突破实验条件、实验设备等约束，拓展实验教学的时间及空间维度，提高实验教学效率，改善实验教学效果，构建适合新工科需求的流体力学实验教学方法[19]。

新的实验教学采用数字实验教学与真实物理实验教学相结合的方式展开。通过虚实结合的方法，充分发挥两种教学方法的优势，相互取长补短，保障并提高教学质量，具体方法如图2所示。

图2 动量方程虚实结合实验方案

3 教学资源建设

3.1 教学文件建设

教学文件是教学实施的指南与依据。其主要包含实验教学大纲、实验教案、实验指导与报告几部分。

(1) 实验教学大纲。实验教学大纲确定了实验内容、教学目标和学时分配，是实验教学运行的“宪法”[20]。动量方程实验为主要面向全校工学部3个学院4门课程(工程流体力学A、工程流体力学B、流体力学、水力学与桥涵水文)设置1～2个课内教学学时的专业基础实验，采用2～4人/组使用1台设备的形式开展实验教学。实验教学内容增设虚拟实验部分，虚拟实验采用课外学时教学制，学生提交实验申请后，根据各自情况自行登录网站进行在线学习，学习时长无上限限制，学生可根据自己的兴趣点和知识薄弱点进行重复学习，学生通过虚拟实验考评后，方可进入课内实验的学习。以工程流体力学A为例，其教学内容分配如表1所示。

表1 动量方程实验教学内容

(2) 实验教案。实验教案是包含具体教学设计及安排的教学文书。动量方程实验教案依据实验教学大纲编写，其中增加数字化实验教学内容。教案丰富了教学授课内容，在保证基本授课内容的基础上，教师可以根据自己的教学经验进行扩展讲解，这样做既有效的避免了教师随意授课导致的必要知识点漏讲又保障了授课内容的丰富性。

(3) 实验指导与报告。实验指导与报告是学生了解实验，记录、汇报实验，教师了解学生实验效果的文字材料。动量方程实验指导与报告依据实验大纲和实验教学经验进行修订；其中指导部分增设了安全操作规程和具体的操作步骤，保障实验教学安全、顺利地开展；报告部分增设思考题和工程拓展题，内容紧扣虚拟实验教学、物理实验操作和各自专业方向的工程实践拓展，在检验学生对基本知识、操作技能掌握程度的基础上，注重激发学生在专业方向上的创新思维，让基础理论的“根”越扎越深，工程拓展的“花”越开越艳。

3.2 数字资源建设

数字教学资源是虚拟实验顺利开展的基础。数字化实验主要包含如下几个方面的内容：

(1) 运用多媒体技术对实验的基本信息(目的、原理、仪器设备等)、实验理论的工程拓展应用，仪器设备的原理、操作流程、安全注意事项等进行讲解[21]。为了简单、充分、完整的表达相关信息，根据需要采用文字、图片、视频、动画等方法，如图2、3所示。

(a) 实验原理界面图(b) 实验仪器介绍图

图2 实验基本信息

图3 实验操作信息

(2) 运用人机交互功能实现实验设备的真实物理实验虚拟操作、工程拓展虚拟操作和虚拟实验的考评工作。虚拟实验全面数字化真实物理实验的相关操作，学生通过虚拟操作，可以全面掌握实验的操作流程及注意事项；以大量真实实验数据为依据构建了误差函数，误差函数的引入，让虚拟实验与物理实验的贴合度更强，如图4所示。工程拓展虚拟实验的引入目的在于让学生了解动量方程的工程应用，拓展学生的工程视野，此类工程应用因安全等因素不宜在实验教学中引入；动量方程的工程拓展虚拟实验以动力设备中常见的燃油喷射装置为范例，设置了不同工作介质(汽油和柴油)和不同尺寸的喷嘴直径选项，学生可选择不同工作介质、不同尺寸的喷嘴组成差异化的实验组，通过实验结果对比，感知不同实验参数对冲击力的影响，强化学生对基本理论在工程专业实践中的应用，如图5所示。

图4 真实物理实验虚拟操作

图5 工程拓展实验虚拟操作

虚拟实验考评和数字教学运行依托校虚拟仿真实验教学中心的网络平台，实现选-学-做-评的一站式教学。

3.3 师资队伍建设

师资队伍是实验教学实施的人员保障。为保证实验教学工作的顺利开展，建立了实验教学团队，采用课程负责人中心责任制。实验教学团队由不同层次的理论课教师、实验课教师、信息化经验丰富的教师及助教共同组成，以高级职称的教师组成指导委员会，对实验指导、人员安排、效果评估进行实时跟踪和指导。实验教学团队定期进行教学总结、培训和考核，确保实验教学水平稳步提高。

3.4 考核评价方法建设

动量方程的实验考核评价方法由传统的过分重视实验操作和实验报告的考评方法转化为注重实验教学全过程及工程能力拓展的综合考评方法。综合考评法的实验成绩由虚拟实验考核成绩、实验操作、实验报告提交成绩、实验态度及工程拓展成绩5部分组成。其中数字虚拟实验考核成绩占25%，实验操作占35%，实验报告占15%，实验态度占5%，工程拓展成绩占20%，所有成绩经加权最终汇入流体力学课程的总成绩。

4 教学应用

动量方程数字化虚拟仿真实验于2016年建成，并于2017年在校虚拟仿真实验教学平台上线进行试运行。与传统的物理实验相协作，共同助力流体力学实验教学。考虑到现行本科培养方案和实验教学大纲的执行周期，新的实验教学方法选择部分课程、部分学生进行试验性运行，教学反馈效果良好。

(1) 新教学模式的应用，丰富了实验教学内容，充实了实验教学环节，教学方法的多样化和考评体系的完善有益于激发学习兴趣、端正学习态度。

(2) 新教学方法的应用有效解决了传统实验教学中学生对理论方程、物理变量影响程度认识不充分、工程拓展方向模糊的不足。

(3) 虚拟实验在帮助学生熟悉实验设备、操作流程，减少盲目操作造成实验设备损耗，降低教学运行成本方面发挥了积极的作用。

5 结 语

本文对新工科建设背景下流体动量方程实验的改革和建设进行了探讨。信息技术、互联网技术与传统实验相融合教学方法更适合高校新工科建设的培养目标。新的教学方法中的“融合”不是简单、机械地将虚拟实验与传统物理实验相叠加，与之相对应的是包含教学文件、师资队伍、考评方法等一系列教学内容、方式的改革和建设。虚拟实验不仅仅是传统物理实验的数字化，其中更包含了工程拓展和工程创新的内容和启发。新的实验教学模式有效地提高了实验教学的效率和质量。在新技术的助力下，学生可以结合自己的知识薄弱点和兴趣点进行任意时间、任意地点的自主学习和创新思考；教师从传统的繁复的灌输式教学中解放出来，可以将更多的时间和精力用于启发学生的创新思维，解决学生在实验过程及创新过程中所遇到的问题；学与教的变革和重组，将改变传统流体力学实验教学体系，让学生在掌握理论知识的基础上，搭建更高、更美的工程创新应用大厦。