新能源工程专业《流体力学》课内实验教学改革论文

　　摘要：流体力学是机械类、能源动力类、海洋类等各种工科专业必修的一门基础课。本文以新能源工程专业为背景，针对流体力学课内实验的教学特点提出改革。改革措施包括教学内容、教学方式、考核方案和实验室管理等四个方面，其中教学方式的改革包括使用“互联网+”教学模式和加入课堂思政元素。通过改革，使学生的学习兴趣得到调动、使学生的创新意识得到启迪，同时还使学生的实践能力复到提高，从而改善整体教学效果。

 

　　关键词：新能源工程;流体力学;实验教学;教学改革

 

　　流体力学的理论体系包含理论教学和实验教学，其中实验教学可以使学生更深刻地理解和掌握教材中对应的理论知识、更熟悉流体设备中的流体平衡、流动规律，特别是流体流过各种通道时各物理量的分布以及和包围流体的固壁之间的相互作用，例如，速度、压强、能量；还可以使学生更好地掌握力学类实验的基本实验技能，培养学生发现、分析和解决问题的能力，为后续新能源专业课，例如，风机发电、太阳能热利用等课程的学习打下扎实的基础。

 

　　对于新能源工程专业，流体力学实验教学在一定程度上对提高学生的综合能力能发挥积极地作用，能使学生对本专业的工程项目提出初步的解决方案，并使学生能进一步具备在具体领域，例如，太能光热、光伏、海洋风力发电等新能源子领域，具有解决复杂工程问题的能力；使学生在毕业后能很好地从事光热、光伏、风能发电等与新能源专业有关的设备维护、生产研发、工艺卡制作等具体工作。为进一步提高实验教学的教学效果，我们尝试从教学内容、教学方法、教学方案和实验室管理等四个方面进行改革。

 

 

　　教学内容改革前，流体力学课程共有四个实验项目，每个实验项目占用两个学时。这四个实验包括演示型实验和测量型实验。演示型实验有伯努利方程仪实验和雷诺实验；测量型实验有阻力系数测定实验和流量系数测定实验。演示型实验和测量型实验对学生的创新能力要求较低。对于演示型实验和测量型实验，学生的学习过程表明，这两种类型的实验能确实能使学生的实践能力得到很大提高。但是，同时，多年的教学经验也表明，这两种类型的实验也都不利于提高学生的创新意识。因此，我们针对新能源工程专业的知识背景和就业特点，增加了设计型实验，即水力管网设计实验和微型风洞实验。

 

　　水力管网实验首先由学生分组，给定管网进出口压力和各个结点的流量，然后由学生设计水利管网，并进行校核计算，再根据自己的理解阐述管网各部分的工作原理。同时，教师根据管网的具体复杂程度，设计相应的思考题，进一步拓宽学生思维的广度，挖掘学生思维的深度。通过教学实践，我们发现该设计型实验能真正提高学生的创新意识，提高学生将理论知识和实际问题相结合的能力。为使设计型实验的教学工作能很好开展，实验室引进了水利管网一体化实验平台。水利管网一体化实验平台是根据《流体力学》课程教学大纲的最新要求设计的，并能很好地满足新能源科学与工程专业的教学特点。

 

　　微型风洞实验可使学生更好地理解风力机发电的流体力学原理。微型风洞实验是将微型风力机放置于风洞之中，用纹影仪和全息照相机，观察气体流动。该实验基于光学方法，当气流密度变化时，光穿过气体的过程中，其折射率也会改变，从而可以观察到不同的传播路径。实验过程中，由于光穿过气流时，不会影响到气体流动，所以学生可以很好地观察到各种流动现象。学生在实验中，根据光传播路径的不同，可以估算不同区域气体的密度，从而可以很好地理解可压缩流动和不可压缩流动的区别。

 

 

　　为进一步加深学生对实验的认识，使教学质量得到改进，还需要对教学中使用的方法进行改革。目前的实验教学，主要是由教师在课堂上讲解实验目的、原理、测量内容、操作步骤和注意事项等。这种教学模式虽然也要求学生课前对实验进行预习，但缺乏对学生课前预习的检查。很多学生学习缺乏自觉性，上课前不预习，基本不会事先思考实验中可能会出现的问题，教学效果不理想。因此，我们提出增加实验预习检查环节。教师在实验课开始时，检查学生的实验方案，并让学生回答问题。在教学层面，学生课前的预习质量是高效实验课的基础和关键。在学生学习层面，预习能培养学生的自觉性，能提高学生的自主能力，让学生形成良好的学习习惯，进而促使学习效率的整体提升。

 

　　另一方面，我们还开展“互联网+”教学，开设流体力学实验教学平台和实验教学系统，上传实验教学资源，提供实验教学软件及网络教学视频。“互联网+”教学能引进先进的教学思想，使课堂中的教学方法有更多的选择，使传统的教学组织形式发生根本性的变化[6]。开展“互联网+”教学后，实验教学中的师生互动不再局限于固定的时间和地点，无论是课前还是课后，学生可以随时、随地、随心地与老师交流和讨论实验问题。“互联网+”教学使教师在实验教学中的主导作用达到了顶峰。通过网络，教师能随时给予学生指导，提高学生的学习兴趣，让学生的思维提高到一个新的高度。

 

　　课程思政可以提高学生的思想品质[7]。我们在实验教学中还融入课堂思政元素，用“中国话语”解释自己的思想，使学生了解我国相关科技领域的进步和发展，激励学生勤奋学习、求取知识、勇于探索和进取。讲解实验时，向学生介绍我国流体力学的奠基人，和新能源领域目前取得的领先世界的成就，让学生树立民族自豪感，并认识到我国科技的进步和广大科技工作者付出的艰辛努力，使学生的情感得到激发，使学生更爱国。

 

 

　　采用多维考核方案代替以往的一维考核方案。目前，对于流体力学等工科专业基础课程，大多数高校的考核方案，一般是采用一维考核方案，普遍缺乏多维考核方案的构建与应用。采用一维考核方案，并不能全面地、相对客观地反映教学是否达到预期效果，例如，在实验预习环节中，一维考核方案一般只是模糊地评价学生的自学能力，很少评价学生的实验意愿；在原理学习环节中，一维考核方案只是模糊地评价学生的学习能力，很少评价学生的学习兴趣；在实验操作环节中，一维考核方案只是模糊地综合评价学生的动手能力、团队协作能力与实验习惯，但是实验操作的评价分数占总分数的比例较大，动手能力、团队协作能力与实验习惯应该分开评分才能更准确、更全面地反映教学效果；在实验报告环节中，一维考核方案往往只是给出一个综合分数，学习态度和知识拓展能力均没有体现。与一维考核方案相比，多维考核方案比一维考核方案更复杂，实施更难，但能更全面、更客观、更准确地反映教学中存在的问题，在数学[1,2]、物理[3,4]、化学[5]等学科已得到广泛应用。本文考虑到新能源工程专业毕业生的培养要求，在实验教学中采用了多维考核方案。四个一级考核指标可设为实验预习（占10%）、原理学习（占10%）、实验操作（占40%）和实验报告（占40%）。其中，在实验预习考核指标中考核学生的实验意愿和自学能力（各占50%）；在原理学习考核指标中评价学生的实验兴趣和理解能力（各占50%）；在实验操作考核指标中评价学生的动手能力（占40%）、团队协作能力（占40%）和知识迁移能力（占20%）；在实验报告考核指标中评价学生的计算能力（占40%）、学习态度（占40%）和分析解决问题的能力（占40%）。评价指标采用等级制（优、良、中、及格、不及格）。等级制即有利于降低学生心理压力，也有利于教师实现模糊打分，使整体评价结果更客观。

 

 

　　流体力学属于应用性专业基础课。教学大纲安排的八个学时实验课不足以让学生非常深入地理解相关专业知识。因此，尝试建立开放的实验室，学生可以课后组成团队，根据自己的兴趣爱好，参考实验教学大纲，自由设计实验，查阅文献，与教师交流并讨论实验方案，再由教师指导小组给出建议，评估实验项目的可行性和可能存在的问题，然后再由学生自己动手完成实验。

 

　　在教师教学层面，开放式实验室可更好地发挥实验室教学资源的潜力，最大程度地提高实验室仪器和设备的利用率；在学生学习层面，开放式实验室可更好地检验学生的基础知识、挖掘学生的学习潜能、提高学生的科学素养，进一步为毕业设计和学科竞赛奠定基础。

 

　　该项新学科内容教学需要同时兼顾理论和实践两方面因素，过往的实验教学模式很难做到这一点。从目前的教学情况来看存在着较大问题。一方面，没有真正做到以学生为中心进行针对性教学。另一方面，过于僵硬的试验教学模式无法激发学自身的创造性思维。实验仪器的缺失也没有办法开展多样花的实验项目，导致实验教学没有办法发挥自身的实际作用。在这种情况之下，为了进一步提高教学效率，提升学科知识授课效果，开始积极采采取主动措施，通过采取增加综合性实验比例和合理运用多媒体辅助教学手段等方式积极开展教学变革。除此之外，还通过积极引进先进的实验设备，更新实验教材等方式进一步提高实验教学质量。通过教学模式的有效改变进一步激发了学生的学习兴趣，使其运用知识解决问题的能离得到了有效提高，可以在生活中合理运营所学知识解决遇到的实际问题，教学效果得到了有效改变。

 

　　随着信息技术的持续发展，CFD技术在工程流体力学中的应用变得越来越广泛。该种技术手段可以做到流动现象进行动态展示，能够做到将理论转化为形象的试验过程，过往的实现途径主要依靠相关实验器材。这种全新的技术方式一方面可以摆脱对于实验器械的依赖，另一方面也可以做到对于课程内容的深度理解。值得注意的是，过往实验结果只能依靠实验手段的现象将被进一步打破，这就为实验教学提供了更多的教学案例，可以进一步激发学生的学习兴趣。例如，在进行雷诺实验是便可以运用该种技术手段对流体的流动状态进行生化模拟演示，进一步简化了教学步骤和教学难度，不仅仅可以让学生对流动形态进行清晰辨别，也可以进一步激发学生的创造性思维。

 

　　总的来说，随着科学技术的不断进步，流体力学实验教学的教学模式将会变得越来越多样化，这就需要广大教师根据学生的个性特点，进行针对性教学设计，进一步激发学生的学习兴趣，从而进一步提高实际教学效果。

 

 

　　流体力学是新能源工程专业的专业基础课程。流体力学实验教学在该课程中发挥着至关重要的作用。本文基于江苏海洋大学新能源科学与工程系多年的教学经验，结合学校的专业建设方向，从四个方面提出改革，使实验教学取得了明显的改进。特别是结合”互联网+”和融入课堂思政元素，符合当前国内教学改革的总体趋势。通过改革，在教学在能提高学生对实验的重视程度和对本课程的兴趣，能得高学生对流体力学知识的掌握；特别是本文提出的流体力学设计型实验以及微型风洞实验能很好地突出学生的主体性，提高学生的学习主动性和创造性；在学生能力培养方面，能更好地培养学生协调合作的能力，为毕业后的工作打下基础。

 

 

　　[1]刘程熙.高等数学分层教学方法的实践研究[D].重庆:西南大学,2009.

 

　　[2]H.Ozyurt.Implementation and Evaluation of a Web Based Mathematics Teaching System Enriched with Interactive Animations for the probability Unit[J].Energy Education Science and Technology Part B-Social and Educational Studies,2019(4):1167-1180.

 

　　[3]刑红军,靳萱.中学物理实验操作评价研究[J].物理教师,2018(39):50-55.

 

　　[4]江成瑞,龚杰,张轶炳.初探中学物理分组实验教学的多维评价[J].物理教学,2019(41):37-39.

 

　　[5]李华生,王文渊,韩叔去,周振化.基于能力培养的化学实验教学评价体系的构建[J].辽宁高职学报,2016(18):69-71.

 

　　[6]王雪丽.“互联网+”时代高职《单片机技术应用》教学改革研究[J].教育教学论坛,2017(39):114-115

 

　　[7]周率.“课程思政”的内涵、价值与实施策略[J].活力,2019(2):70-72.