以问题为导向的流体力学实验设计

滕桂荣 朱绪力 邢明录

摘要创新是一个民族的灵魂，如何在本科教学过程中培养学生的创新意识和创新思维，是高等学校的每一位教师应该考虑的问题。流体力学实验是流体力学课程重要的实践环节，为在实验教学过程中提高学生的创新意识和创新思维，我们采用了以问题为导向的教学设计。以流体静力学实验为例，在常规的基础性实验对静力学基本方程进行验证的基础上，以问题为导向引导学生进行拓展性实验，使学生在理解实验原理的基础上，对提出的问题进行思考讨论，并自行设计实验。通过以问题为导向的拓展性实验能够促进学生学用结合，拉近理论与应用的距离，有利于开启学生的头脑风暴，提高学生的创新能力。

关键词 流体力学实验 创新思维 拓展性实验 问题导向

中图分类号：O35文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.17.018

Problem-oriented Fluid Mechanics Experimental Design

TENG Guirong[1]， ZHU Xuli[2]， XING Minglu[1]

（[1]College of Energy and Mining Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590；

[2].College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590）

AbstractInnovation is the spirit of a nationality. How to cultivate students’ innovative thinking is a problem that every schoolteacherin colleges oruniversitiesshouldbe considered. Experiment is an importantpartinfluidmechanics.During experiment teaching， experiments are designed as basic experiments and problem-oriented extended experiments. Taking thehydrostaticsexperimentasanexample，basicexperimentisusedtoverify thehydrostaticsbasicequation，theproblemoriented extended experiment is used to guide students thinking and discussing， and further designing the experiments by themselves. The expanded experiment can promote the combination of learning and application， open up students’ brainstorming， and improve students’ innovative ability.

Keywordsexperiment of fluid mechanics； innovative thinking； extended experiment； problem orientation

0引言

自十八大以來，习近平总书记在公开讲话和报道中上千次的提到“创新”一词，可见创新在国家发展、民族振兴中的重要性。在新工科背景下创新驱动是大势所趋，作为为国家发展不断提供人才储备和智力支持的高等学校，也越来越认识到创新人才培养的重要性。无论是技术创新还是知识创新，都离不开具有创新意识和创新能力的人才，本科教学创新是关键。

流体力学是机械、采矿、土木、地质、工程力学等专业必修的技术基础课程，在工程技术领域有着广泛的应用，如采矿过程中的通风、排水、压气，机械工业中的润滑、冷却、液压传动及控制，水利工程、采暖通风、石油化工、航空航天等都需要依靠流体力学的基础理论，而流体力学实验是流体力学教学过程中的一个重要环节，对培养学生的实践能力，提高学生的观察分析能力、学用结合能力和创新思维能力具有重要的作用。

对于流体力学的实验教学，很多学者做了大量探索性、研究性的工作，管新蕾等[1]通过创新流体力学实验设备，加强对学生创新能力的培养杜娇娇，杨国鑫等[2]对基础性实验进行了拓展与探索；吴正人等[3]对工程流体力学虚拟实验平台进行了建设与实践；曹勇等[4]利用旋转平台模拟地球旋转对流体流动的影响；黄彪等[5]探索了循环水洞测试技术在流体力学研究教学中的应用；邓辉等[6]采用研讨课模式对流体力学实验教学进行了改革；张慧晨[7]将流体力学实验分成演示性、验证性及设计性三类，构建了阶梯形工程流体力学实验教学模式；姜楠，孙伟[8]总结了流体力学在液压技术中的应用。

前人的工作为流体力学的实验教学拓展了思路，提供了有益的启示。针对同学们普遍反映流体力学课程理论抽象，理论和实践脱节的问题，我们在流体力学实验教学中，开展了以问题为导向的流体力学实验教学的探索和实践。在实验内容上，将流体力学实验分为基础性实验和拓展性实验。其中拓展性实验以问题为导向展开。两类实验内容如图1所示。本文以流体静力学实验为例说明以问题为导向的拓展性实验的实施。

1以问题为导向的流体静力学实验设计

1.1流体静力学基础性实验

流体静力学基础性实验内容包括准确运用流体静力学实验设备对静力学基本方程的验证，掌握用测压管测量流体静压强的技能，加深对位置水头、压强水头、测压管水头、等压面等概念的理解。

1.2流体静力学拓展性实验

拓展性实验的目的主要是培养学生学用结合能力和创新能力。在这部分实验中指导老师围绕实验原理提出问题、加以引导。在静力学拓展性实验中提出了如下三个问题：

问题一利用现有的静力学实验设备测定某种与水互不混掺流体（如花生油、大豆油等）的密度，以下是学生给出的解决方案：

问题二让学生观察医院里打点滴的吊瓶和家用饮水机的出流，提出的问题是无论吊瓶和水桶中的液位是深是浅，出口的流量是恒定不变的，请同学们自行画出饮水机的工作原理。

通过查阅资料，学生弄明白了马里奥特容器（图5）恒定出流的原理。学生开展脑力风暴，举一反三，将马里奥特容器倒过来，就是打点滴的吊瓶；加上阀门和加热盘就成了可供常温水和热水的家用饮水机，如图6、7所示。

问题三利用静力学基本原理设计汽车油箱的液位观测装置，该问题考察流体静力学中的连通器原理、帕斯卡原理、等压面的概念等知识点。

学生的方案如图8所示，并且加上自动控制的数字显示仪，可以直接读到液位高度，该装置设计简单，适用于观察地下油库、不透明容器的液位高度。

2结论

在流体力学的实验教学中，学生通过实验前预习、实验课堂实际操作、课后数据处理等过程完成基础性实验，对基本原理进行验证，加深对流体力学基本概念的理解。

通过以问题为导向的实验设计，可极大的激发学生的好奇心和创新欲望。同学们通过查找资料寻去答案，并通过文字、图表进行总结，并以此为契机，进行举一反三。事实证明，以问题为导向的流体力学实验设计能够提高学生学用结合能力和创新思维能力。

项目资助：1.山东科技大学校级课程建設项目，《工程流体力学》在线课程建设；2.山东科技大学2020年教育教学研究“群星计划”项目（项目编号：QX2020M03）；3.山东科技大学优秀教学团队建设计划“基础力学教学团队”（JXTD20190501）

参考文献

[1]管新蕾，高云鹏，王维等.创新流体实验仪器，探索创新型人才培养.力学与实践，2021，43（1）：135-138.

[2]杜娇娇，杨国鑫等.基础性实验的拓展与探索[J].实验室科学， 2020，23（5）：37-39.

[3]戎瑞，吴正人，孙冬雷.“工程流体力学”虚拟实验平台的建设与实践[J].实验室科学，2020，23（4）：135-138.

[4]曹勇，孟静，陈旭.地球流体旋转平台在流体力学实验中的应用[J].实验室科学，2019，22（3）：181-185.

[5]黄彪，陈倩，吴钦，等.基于循环水洞测试技术的流体力学研究教学应用[J].实验室科学，2020，23（4）：5-8.

[6]邓辉，张志宏，王冲.流体力学研讨课模式实验教学的研究[J].实验室科学，2018，21（1）：118-120.

[7]张慧晨.阶梯型工程流体力学实验教学模式构建[J].实验室科学， 2017，20（6）：129-132.

[8]姜楠，孙伟.液压技术中的流体力学[J].力学与实践，2005，27（5）：83-85.

[9]滕桂荣，吴立荣等.流体力学实验教程[M].北京：煤炭工业出版社，2019.05.

[10]张明辉，滕桂荣等.工程流体力学[M].北京：机械工业出版社，2018.07.

[11]https：//old.pep.com.cn/czwl/xszx/tbxx/tb9/tb914/yd/201008/ t20100825_730879.htm.