工程教育专业认证背景下流体力学实验教学改革

［摘 要］ 工程教育专业认证对实验教学提出了明确的要求，应注重对学生自主、动手、实施、设计创新等能力的培养。针对当前流体力学实验教学内容过于简单、方法过于传统、难以调动学生学习积极性等问题，通过优化实验内容结构、创新实验教学方法，构建“演示综合运用自主创新”循序渐进的教学新模式，形成启发式教学、CFD虚拟仿真教学、开放式管理相结合的实验教学新方法，帮助学生夯实基础、增强综合应用能力、激发创新潜能。注重学生自主思考和探究，以满足工程教育专业认证对实验教学的要求。

［关键词］ 流体力学；实验教学；教学新模式；教学新方法；工程教育专业认证

［基金项目］ 2020年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“基于OBE理念的国家级一流本科专业扁平化建设体系研究”（HNJG-2020-0484）

［作者简介］ 宋志文（1988—），女，湖南双峰人，硕士，湖南科技大学机电工程学院助理实验师，主要从事流体力学实验研究；牛秋林（1983—），男，河南林州人，博士，湖南科技大学机电工程学院副院长，教授（通信作者），主要从事机械设计与制造研究；杨国庆（1976—），男，湖南湘乡人，博士，湖南科技大学机电工程学院实验中心主任，讲师，主要从事机械设计及理论、装配工艺规范、有限元分析研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）09-0067-04 ［收稿日期］ 2023-03-23

“流体力学”是高等院校水利、机械、环境、土木等理工科专业的必修课程。“流体力学”理论教学过程中的许多问题，虽然能用理论分析和数值计算求解，但最终还须通过实验进一步检验修正。因此，在相关理工科专业教学体系中，流体力学实验的教学一直是重要的实践环节［1］。通过流体力学实验教学，学生能进一步夯实流体力学基本理论，运用流体力学原理分析和解决流体实际问题。

近年来，各高校积极推进工程教育专业认证工作，以提高人才培养质量。工程教育专业认证对实验教学提出了明确的要求，注重培养学生的自主、动手、实施、设计创新等能力。然而，传统的流体力学实验教学以验证性实验和“被动式”教学为主，实验难度较低，实验过程较为机械化，整个实验过程主要是教师讲、学生做［2-5］。这种缺乏创新意识培养的教学方式不需要学生主动思考、探索、研究，难以达到工程教育专业认证对实验教学效果的评价标准。

本文通过优化实验内容结构和创新实验教学方法等教学改革，增加实验教学的启发性、综合性、设计性和创新性，激发学生学习兴趣，致力于培养学生自主分析、研究、设计创新能力。

一、流体力学实验教学存在的问题

目前大多数高校流体力学实验教学内容上以流体静力学、伯努利方程、文丘里实验等验证性实验为主，普遍难度较低，无层次递进，实验教学方式为教师讲解实验原理、演示实验步骤，学生只需按照演示机械地操作实验设备，无须主动思考［6-9］。然而，工程教育专业认证要求实验教学应包括认知性实验、验证性实验、综合性实验和设计创新性实验，须符合“从易到难、由浅入深”循序渐进的教学规律，教学过程应坚持“学生为主、教师为辅”，重视学生在实验教学中的主体定位［10-11］。因此，流体力学实验的教学改革势在必行。

二、流体力学实验教学改革

（一）优化实验内容结构

本文打破以验证性实验为主的教学模式，优化实验内容结构，压缩验证性实验课时，增加创新性实验课时，形成“演示性实验综合运用性实验自主设计创新性实验”新结构，遵循循序渐进的教学规律，达到演示实验夯实基础知识、综合性实验训练综合能力、自主设计创新性实验激发创新潜能的教学效果。

1.开设演示性实验。演示性实验最大的特点是实验现象直观可视、形象生动，能快速切入实验主题，根据学生好奇心强这一特点，演示性实验能极大地激发学生的求知欲望，对提高实验教学质量起着至关重要的作用。

演示性实验可设置静压传递自动扬水演示实验、自循环虹吸原理演示实验［12］10-41。通过实验掌握静压传递特性、分析“静压奇观”、虹吸现象的工作原理，帮助学生夯实流体力学基础知识，掌握“静压奇观”、虹吸管工作原理实际上是能量转换原理，并在此基础上举例介绍静压传递特性、虹吸管工作原理等流体力学基础知识在工程中的应用，如自动提水装置、虹吸阀等。开设演示性实验，可以帮助学生夯实流体力学能量转换原理，了解相关知识在工程中的应用，提高学习兴趣，为创新能力的培养奠定理论基础。

2.开设综合性实验。演示实验帮助学生夯实了流体静力学、动力学能量转换特性等基础性知识。在此基础上设置综合性实验，使学生掌握流体力学基础知识的综合性运用。通过在静力学、伯努利方程等传统验证性实验中引入定性分析、定量测量、自主设计环节，形成“实验现象观察定性分析定量测量自主设计”的综合性实验。以恒定总流伯努利方程综合性实验为例，具体实施过程如下：（1）简单介绍实验目的、实验装置、实验原理、实验过程的注意事项，开机，引导学生观察实验现象。（2）通过对实验现象的观察，引导学生定性分析毕托管速度仪的工作原理，总水头线的变化规律、压测管水头线的变化规律，并总结能量转换特性，实验管道沿程压力的分布情况，急变流断面不被选作伯努利方程计算断面的原因，以及喉管真空度的影响因素等问题。通过定性分析环节，提高学生运用流体力学知识分析实验现象的能力，帮助学生进一步掌握流体知识的运用。（3）定性分析结束后开始定量测量。在此环节，教师与学生一起探讨如何验证伯努利方程，须要测量哪些数据，如何处理实验数据，共同拟定实验方法和步骤，再由学生独立完成实验数据的测量和处理。通过定量分析环节，确定实验方法和实验步骤、完成伯努利方程的验证，掌握实验数据测量技能及分析处理方法。（4）通过定性分析与定量测量环节，学生已经进一步掌握了流体知识的运用和实践操作技能。在此基础上，增加自主设计环节，自主设计实验方案，研究水箱液位高度对喉管真空度的影响。首先，引导学生进行理论分析，选取基准面和计算断面，根据能量方程和连续性方程，得出喉管测压管水头随水箱液位变化的关系式，确定需要通过实验测量的参数；然后，学生利用实验装置，测得大流量下所需的实验参数，计算得出理论结论；最后，学生进行变水头实验研究，对理论结论进行验证。通过自主设计环节，可以训练学生理论分析与实验研究相结合的科研能力，还能有效帮助学生掌握工程中检验喉管真空度是否在允许范围内的方法，锻炼学生解决复杂工程问题的能力。

3.开设自主设计创新性实验。在演示性实验、综合性实验的基础上，增加自主设计创新性实验，更加注重实验的“自主研究”与“创新”，以此培养学生提出、分析、解决问题的能力，激发学生的创新潜能［12］130-137。自主设计创新性实验内容的选取可以贴近工程应用。例如，依托实验室的资源，开设油库液位高度检测自主设计创新型实验项目，测定油库液位的高度值，完成该实验。具体实施过程如下所示：（1）学生自主研究性学习。学生自由分组并选定一位负责人，每组不超过3人，分组检索相关资料，自主学习油库液位高度检测计原理。（2）自主设计实验方案。通过研究性学习，确定实验目的、实验原理、实验方法及步骤，设计实验装置简图。（3）制作油库液位高度检测实验装置。学生可以选择自主制作油库液位高度检测装置，也可以充分利用实验室已有的静水力学实验装置模拟油库。（4）自主进行实验测量，记录实验数据，对实验数据进行分析处理，得到油库液位高度值。（5）总结实验成果，形成完整的实验总结报告，报告包括实验目的及要求、实验装置图、实验原理及方法、实验数据记录及计算表格，供教师评阅。（6）成绩考核，教师综合学生实验过程的表现和实验总结报告的质量，且更加注重学生实验过程表现，按照2∶1的比例形成最终成绩。

自主设计创新性实验内容的选取应随工程应用的变化动态调整，尽可能选用当前流体力学具有代表性的工程实用案例，及时总结实施过程中存在的问题，持续收集学生对实验的建议，不断改进实验，使实验教学更契合工程教育专业认证持续改进的理念。通过实验内容的优化调整，凸显了流体力学实验教学“基础夯实、综合训练、创新激发”循序渐进的教学规律，提高了学生学习的积极性，锻炼了学生利用流体力学知识解决复杂工程问题的能力，有效提高人才培养质量。

（二）创新实验教学方法

传统“被动式”的实验教学常为通教师讲、学生做，学生参与度不高，不符合工程教育专业认证“以学生为中心”的理念。本文改变传统的实验教学方法，探索启发式教学、CFD虚拟仿真教学、开放式管理相结合的实验教学新手段，更加注重学生主动“思考、探索、研究”，提升实验教学效果。

1.采用问题导向的启发式教学。问题导向的启发式教学，即整个实验过程应以学生主动思考、设计、探索为主，教师只做启发性引导，紧扣“以学生为中心”的理念。以伯努利方程实验为例，实验目的、实验装置、实验原理、实验步骤只作简单介绍，重点放在定性分析、定量分析与自主设计环节，在定性分析与定量分析环节，针对实验现象提出一系列实验问题，引导学生主动思考、分析、实践，在自主设计环节，启发学生先进行理论分析、得出理论结论，再进行实验研究，验证理论结论。更加注重学生自主研究过程，教师只在学生遇到困难时做启发性引导。

2.采用CFD虚拟仿真实验教学。CFD数值仿真技术广泛应用于流体力学工程问题分析，但目前本科教学中涉及该项技术较少［13-16］，因此，通过实验将CFD仿真技术引入本科教学，不仅能增加实验教学的吸引力，还可以锻炼学生使用CFD仿真技术分析研究工程问题，培养学生使用现代技术对复杂工程问题进行模拟和分析的能力。

由于线下实验课时的限制，虚拟仿真实验采取学生课前自主完成的形式。教师提前准备好CFD数值仿真实验学习的资料包及实验任务，课前两周发送给学生，并建立CFD数值仿真实验学习QQ群。通过学习资料，学生熟悉CFD软件的使用，完成实验任务，并形成实验报告，教师通过QQ群对学生遇到的问题线上答疑，线下实验时引导学生将线下实验结果与虚拟仿真结果进行比较，验证仿真模型的可靠性。这种将线下实验与虚拟仿真实验高效结合的教学模式，增加了实验教学的创新性和吸引力。

3.实验室实施开放式管理。搭建科技创新资源共享平台。依托学校资源共享平台对流体力学实验室的开放式管理，及时更新实验室仪器设备目录及技术参数，师生只需提前网络预约，就可以共享实验室资源，为科技创新活动提供场地和资源支持，促进学生科技创新能力的提升。同时，设置实验室开放周［17］。学生基础存在差异，对于难度较大的实验，部分学生无法在规定的课时完成相应的实验任务。设置实验室开放周，学生在开放周可以自由选择任一时间完成实验，没有了实验课时的限制，学生可充分进行自主研究与设计。通过搭建资源共享平台、设置实验室开放周的形式，使流体力学实验室达到向学生开放的专业认证要求，提高学生科学研究、设计创新能力。

结语

在工程教育专业认证背景下，本文打破以验证性实验为主的“被动式”教学模式，通过优化实验内容，凸显实验教学“基础夯实、综合训练、创新激发”循序渐进的教学规律，培养学生运用基础原理分析复杂工程问题的能力。通过创新实验教学方法，强化学生在教学过程中的主体地位，更加注重培养学生主动思考和探究的精神，促进学生工程实践能力的培养。

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Reform of Fluid Mechanics Experiment Teaching Based on Engineering Education Accreditation

SONG Zhi-wen， NIU Qiu-lin， YANG Guo-qing

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan， Hunan 411201， China）

Abstract： Engineering Education Accreditation puts forward clear requirements for experimental teaching that it should pay attention to the cultivation of students’ ability of autonomy， operation， implementation and design innovation. Aiming at the problems that the teaching content of the current fluid mechanics experiment is too simple and the method is too traditional to arouse students’ learning enthusiasm， this paper constructs a progressive teaching model （demonstrationn→ comprehensive application→ independent innovation） by optimizing the content structure of the experiment and innovating the experimental teaching method， and a new experimental teaching method combining the heuristic teaching， CFD virtual simulation teaching and open management is formed to help students consolidate their foundation， enhance their comprehensive application ability and stimulate their innovation potential. This paper pays more attention to students’ independent thinking and exploration to meet the requirements of engineering education accreditation for experimental courses.

Key words： engineering education accreditation; fluid mechanics; experimental teaching; new experimental teaching model; new experimental teaching method