基于“互联网 +”的流体力学实验课程改革与探索论文

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 摘 要：随着互联网技术的广泛应用以及“互联网 +”概念的提出，结合量大面广的流体力学实验教学存在的问题以及改革的需求，提出基于“互联网 +”的流体力学实验课程教学模式。以“动量方程实验”为例，对高校流体力学综合性实验进行创新性教学设计，主要包括利用网络视频及 web 版流体力学虚拟仿真实验平台进行无接触式线上实验，并通过线上实验数据测量和“智慧树云平台”上“在线讨论”，分析实验存在的问题，提出针对性的教学方案；此外，还建立了实验成绩评定标准和实践课堂教学评价评定指标。通过“互联网 +”模式下的流体力学实验平台，为无接触式实践教学模式提供了借鉴与启示，通过视频学习与在线教学相结合的模式，提高学生实验预习的主观能动性，增强其自主创新意识。

关键词：互联网 +；流体力学实验；教学改革

本文引用格式： 钱晨，郭艳磊，王晓晖 . 基于“互联网 +”的流体力学实验课程改革与探索 [J]. 教育现代化 ,2021,8(39):38-41.

reform and Exploration of Fluid Mechanics Experiment Course based on “Internet+”

QIAN Chen，GUO Yanlei，WANG Xiaohui
（College of Energy Technology, Lanzhou University of Technology，Lanzhou Gansu）

Abstract: With the widespread application of Internet technology and the concept of “Internet+”, combined with the problems of the large-scale and wide-ranging fluid mechanics experiment teaching and the needs of reform, a teaching model of fluid mechanics experiment courses based on “Internet+” is proposed. Take the “momentum equation experiment” as an example, carry out innovative teaching design for the comprehensive experiment of fluid mechanics in colleges and universities, mainly including the use of network video and web version of the fluid mechanics virtual simulation experiment platform to conduct non-contact online experiments, and through online experimental data Measurement and “online discussion” on the “Wisdom Tree Cloud Platform” analyze the problems in the experiment and propose targeted teaching plans; in addition, the evaluation criteria for experimental performance and practical classroom teaching evaluation indicators have also been established. Through the fluid mechanics experimental platform under the “Internet +” mode, it provides reference and enlightenment for the non- contact practical teaching mode. Through the combination of video learning and online teaching, the subjective initiative of students’ experimental preparatory training is improved, and their independent innovation consciousness is enhanced .

Keywords: Internet+; fluid mechanics experiment; teaching reform

一 引言

随着科学技术的发展，利用信息和互联网平台创造新的教育模式，已成为高校教育模式改革的基础。目前，国内外一些高校，已开展了诸如“混合式教学”“慕课平台”等一系列网络教学模式，其中聚集了哈佛大学、牛津大学和耶鲁大学等世界级名校高校教师在网上开展的“全球名校视频公开课项目”受到了大学生的广泛欢迎与认可 [1-3]；此外， 2020 年的新冠疫情又将网络教学提升到了新的高度， 从小学到大学，各个教育教学及辅导机构皆通过互联网在线授课模式，使学生足不出户、互不接触便能有效学习，达到了“停课不停学”的教学目的。而实验教学是高校在培养综合素质和创新能力人才方面的必不可少的重要环节，随着网络教育的普及化，实验教学也面临着“网络化”改革，基于互联网的实验教学创新模式成为迫切要求 [4]。

此外，随着全球科技竞争的日趋激烈，创新性人才逐渐成为推动国家技术发展的肱骨力量，所谓创新性人才不仅应具有牢实的专业基础理知识，扎实的实践创新能力及动手能力应，更应具备自主学习、自我提升的能力。流体力学课程作为高校众多专业的学科基础课 [5-7]，其量大面广的授课现状使流体力学实验的在线教育模式改革迫在眉睫，但是该实践课程所具备的实践创新能力却相对较弱，很难满足学科课程大纲规定的课内实验的基本要求。造成这种状况的主要原因之一，是流体力学实验教学缺乏使学生实践创新能力提高的必要因素及相关手段，此外，在实验教学过程中 , 学生们普遍对实验课的认识不足且重视度不够 [8-9]。学生把每一个实验环节当作是对课堂上所讲授理论的简单验证，学生在实验过程中，仅仅是利用实验设备和仪器测定几个数据，然后通过流体力学课本及指导书中求解相关公式并得出结论，最终导致实验报告千篇一律，更有甚者，部分同学为了使实验结果看起来更加合理， 竟然拼凑和编造实验数据。要想提升流体力学实验课程的创新和实践能力，必须通过现代技术，改进实验设备，引入多媒体技术的 CAI 教学，通过启发式教学模式，培养学生创新意识和独立解决问题的能力，基于以上原因，本文提出一种基于“互联网 +” 的流体力学课程的新模式，该模式除了在紧急情况下进行非接触式教学以外，也可应用于学生的实验课前的预习。以兰州理工大学为例，每学年流体力学实验会面向全校包含能源与动力工程、水利水电工程、测控仪器与技术、机械电子、新能源科学与工程、机械设计制造及其自动化、给排水、土木工程、建筑环境与能源应用工程的 9 个专业开设课内实验，年实验人数达到 1698 人，实验人时数 7466； 由于学时安排紧凑，实验原理复杂，实验设备精密容易损坏，倘若在实验课程实施前没有对教学内容进行合理设计，学生对实验课没有预习，则实验过程中不仅会手忙脚乱耽误学时，还可能损坏实验仪器，引起实验安全事故，严重的甚至会导致人身安全及财产损失。

因此，通过将“互联网 +”手段引入流体力学实验预习及操作过程，切实使学生通过实验课程学有所得，提高自身的实验操作技能，重点培养学生的自主学习能力、认知能力、创新能力和工程实践能力，有效避免传统实验课的“教师讲、学生做” 的机械化复制弊端 [10]。“互联网 +”的流体力学实验课程的主要因素是建立 web 版的流体力学虚拟仿真实验平台和实验过程的教学视频，不仅使学生们熟知实验过程提高预习效果，更为脱离实体教学平台通过网络测量实验数据成为可能。

本文以流体力学综合性实验中的“动量方程实验”为例，虽然实验过程较为简单，但是如果学生们课前预习不到位，导致课程开展不顺利、实验结果不理想、实验目标未完成，就真正失去了实践课的意义。因此，充分利用“互联网 +”的优势以及大学生对互联网的青睐，同时依托“智慧树平台”加强教师与学生之间的课前讨论和实验设计，最终达到利用“互联网 +”的优势提升流体力学实验课程的教学效果。


二 教学模式设计

流体力学实验课程的设置主要以实验项目数量多、单个项目学时少为特点，以保证实验内容涵盖较多的流体力学基本知识点，流体力学实验课程中的“动量方程实验”作为流体力学课程的一项基础性课内实验，安排实验学时为 1 个学时，要求加深了解动量力与速度、流量、射流角度、动量矩等物理量间的相互关系，并在定量测量的基础上，通过掌握流体动力学的动量守恒定理，验证不可压缩流体恒定总流的动量方程，同时，测定管嘴射流的动量修正系数，实验目的为了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，启发创新思维。基于以上实验目的， 结合“互联网 +”教学模式设计本次实验。

（一） 实验及教学过程的视频录制

“动量方程实验”讲解视频在录制时，主要以实验设备原理讲解为基础，实验过程讲解为手段，也可参考网上已有的授课视频。由于实验项目设置或者实验设备差异等原因，导致很多网络实验视频资源与课程实验的内容相差较大，此时就需要实验教师自行录制视频。自行录制视频的实践教学视频不仅可以将实验设备原理与操作过程介绍完整，还可根据实际情况对教学内容进行区分性、针对性讲解， 根据实验类型（例如演示型、验证型、综合型及验证型实验）分区教授，便于学生理解，突出教学效果。

自行录制视频是对教师教学技术和准备时间的挑战。“动量方程实验”首先要掌握流体动量力与流速变化之间的转换关系，充分了解流体的边界条件和流体力学动量方程建立的原理，这部分内容除了录制视频讲解外，还可结合板书或者通过制作动画更加直观展示流体力与进出口流速之间的对应关系， 此外，为了使学生充分理解“动量方程”的概念和原理，对“动量定律”这部分内容的理论和应用不熟悉的同学，还可以补充录制“总流运动的动量方程” 的教学和例题视频，使学生将理论与实验有机结合， 培养学生自主学习和应用知识的能力。

录制好的视频均已上传到智慧树平台，可以在兰州理工大学《流体力学》资源共享课中“第 4 章流体动力学”中找到“动量定律”及“动量方程实验” 课程教学视频。

（二） web 版流体力学虚拟仿真实验平台

针对本次实验以及录制的视频，通过浙江大学与杭州源流科技有限公司提供的流体力学虚拟仿真实验 CAI 云平台，学生可在任何时间、任何地点通过手机或电脑在线进行线上实验了解实验过程获取实验数据，教师可设定在线实验的截止时间，督促学生按时完成线上实验，实验项目可以无限次无限期反复练习。若实验项目设定为无接触式线上实验， 在线实验数据可作为实验报告撰写依据，且 CAI 云平台可保证不同学生获得不同的实验数据，杜绝实验报告抄袭现象；若将线上实验作为实验课前预习内容，则线上实验数据记录在《实验预习报告》中， 同时，将学习视频和在线实验的截止日期设置到开课的前一天，教师可通过评阅《实验预习报告》及“智慧树云平台”的视频观看结果考察学生们的预习和实验情况，对于没有按时预习实验的同学，可延迟或取消其线下实验。

三 实验教学过程实施

“互联网 +”的流体力学实验教学过程主要依据在线学习的效果开展。根据学生们的《实验预习报告》和《实验报告》，评估学生们对本次实验的掌握情况。若为无接触式线上实验，授课教师可根据线上实验数据评价本次实验的开展情况，学生应具备利用流体力学理论知识独立完成实验数据处理的能力； 并通过回答相关问题，考察学生实验视频学习情况。若是以线下教学为主，授课教师可根据《实验预习报告》中的线上实验数据测量结果和“智慧树云平台” 上“在线讨论”，通过分析本次实验过程中存在的问题，找到针对性的教学方案，并将实践环节中的问题一一解决。另外，“互联网 +”模式下的流体力学实验课程，重点在于解决如何操作问题，提出切实可行的理论与实验结合的教学方法，解答学生们在实验预习过程中的问题。

为了避免部分同学实验操作不积极，参与性差的情况，实验要求“一人一组数据”，提高学生们的主观能动性，同时实验老师和授课老师均须跟随检查。此外，通过在实验过程中设定问题，例如“还有其他方法测定流体的动量力吗？”“你认为这次实验测量产生误差的原因是什么？如何提高实验设备的精度呢？”，让每个小组学生进行实验设计，提高同学们的创新意识。

四   实验成绩评定

“互联网 +”模式下的实验成绩评定由两种模式组成，如图 1 所示，从图 1 可以看出，实验成绩评定分为纯线上教学模式和线上线下结合模式；纯线上教学模式主要针对受疫情影响，无法正常进行实验教学工作而制定的实验成绩评定标准；而线上线下结合模式则突出学生的课前预习，强调自主学习能力，提高学生的创新意识。

线上教学模式将实验成绩分为实验预习报告成绩（20%）和实验报告成绩（80%）两类，通过视频学习和基本理论问题解答（各占 10%）确定预习成绩，而实验报告成绩则根据在线测定的实验数据获得相应的实验结果（占40%），最后由计算结果分析理论与实验的异同型（占 40%）。线上线下结合教学模式将实验预习成绩比重提高到 40%，其与纯线上教学模式的主要区别为强调学生在线自主预习实验的能力，将预习报告成绩提高至 40%，主要体现为学生视频学习情况（10%）、预习实验时思考问题解决问题的能力（10%+10%）以及在线测量实验数据的情况（10%），同时，增加了创新性实验设计项目（10%），该项目主要考察学生自主思考问题和通过查阅相关资料解决问题的能力，以达到提升学生自主创新的意识；此外，学生们还应具备分析和理解不同条件下， 数据产生差异的原因（主要为线上测量数据与线下测量数据的差异 10%），同时应用流体力学理论解释产生差异的原因以及培养学生通过实验修正理论公式的能力。


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