1、引言
流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，是許多工科專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，既有常見的力學(xué)特點(diǎn)——理論性強(qiáng)，也有工科課程的特色——實(shí)踐性強(qiáng)。在教授課程理論知識(shí)的同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析和解決問題的能力以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)是該課程的課程目標(biāo)。
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式堅(jiān)持演示實(shí)驗(yàn)與量測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。演示實(shí)驗(yàn)主要采取老師講、學(xué)生聽的教學(xué)形式，只能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)課堂理論的延伸；在量測(cè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書“按部就班"地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往“知其然而不知其所以然"，實(shí)驗(yàn)過程流于形式。如何在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想和模式，適應(yīng)教育部關(guān)于新工科人才培養(yǎng)的要求，是當(dāng)前開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究的關(guān)注重點(diǎn)。
2、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的多元化改革
2.1實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課外延伸
實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生在掌握理論知識(shí)的前提下，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)，并能進(jìn)一步探索生活和工程中的應(yīng)用問題。這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)并不囿于在實(shí)驗(yàn)室中得以實(shí)現(xiàn)，如流體力學(xué)課程中伯努利方程這個(gè)知識(shí)點(diǎn)可應(yīng)用于畢托管實(shí)驗(yàn)、文丘里實(shí)驗(yàn)、能量方程實(shí)驗(yàn)等多個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，這些實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康木▽?duì)動(dòng)能與勢(shì)能之間能量轉(zhuǎn)換特性的觀察學(xué)習(xí)以及對(duì)測(cè)壓排的排氣調(diào)平、運(yùn)用體積法量測(cè)流量等技能的掌握。多次重復(fù)技巧性不強(qiáng)的動(dòng)手練習(xí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少的流體力學(xué)課程而言是種浪費(fèi)，解決方法是：學(xué)生在量測(cè)型實(shí)驗(yàn)中最多選擇一個(gè)此類相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，同時(shí)結(jié)合課堂理論知識(shí)，在課后要求學(xué)生自行組成小組，根據(jù)教師提供的方程應(yīng)用案例（見表1），利用生活中的日常用品動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證伯努利方程，并通過拍攝視頻清晰展示實(shí)驗(yàn)過程，將原理闡述清楚。

表1 驗(yàn)證伯努利方程的課外實(shí)驗(yàn)
課外實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于，學(xué)生可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，裝置簡(jiǎn)單易做，不需要集中時(shí)間進(jìn)行，若實(shí)驗(yàn)失敗或效果不佳，學(xué)生可咨詢教師進(jìn)行重復(fù)操作，這樣明顯比在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)更能提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，反復(fù)實(shí)驗(yàn)也強(qiáng)化了學(xué)生的知識(shí)體系，促使學(xué)生將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐。
2.2貫徹啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法
演示型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是，每種實(shí)驗(yàn)儀器個(gè)數(shù)少，不具備每位學(xué)生對(duì)所有實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行量測(cè)和動(dòng)手操作的條件，且其屬于綜合型設(shè)備，一個(gè)實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含多種重要原理，單純依靠教師講解容易流于表面。建議采用啟發(fā)式教學(xué)模式，改變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣，要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯繉?shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)原理及裝置特點(diǎn)^[4]。在開放型實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可向教師預(yù)約，在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作及探討交流，隨后在正式的實(shí)驗(yàn)課上總結(jié)自己的實(shí)驗(yàn)收獲。流體力學(xué)演示型實(shí)驗(yàn)中比較典型的用于啟發(fā)式教學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置包括虹吸管實(shí)驗(yàn)（重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)虹吸管內(nèi)負(fù)壓的形成、如何進(jìn)行不同型式的測(cè)壓排的負(fù)壓值測(cè)量）、水擊實(shí)驗(yàn)（重點(diǎn)是如何形成間接水擊、如何實(shí)現(xiàn)水擊壓強(qiáng)的揚(yáng)水）、流動(dòng)現(xiàn)象演示儀的操作實(shí)驗(yàn)（可至少分為三個(gè)實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行，如流量計(jì)及閥門種類對(duì)比組、局部損失大小對(duì)比組、繞流運(yùn)動(dòng)形狀阻力大小對(duì)比組等）。
在量測(cè)型實(shí)驗(yàn)中，同樣可有效進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。如流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)負(fù)壓時(shí)，有一組實(shí)驗(yàn)明確要求實(shí)現(xiàn)容器中某點(diǎn)為負(fù)壓。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的理論應(yīng)用，但或許是儀器的復(fù)雜型式擾亂了學(xué)生的“正常思維"，不少學(xué)生選擇從容器底部持續(xù)放水，意圖使容器內(nèi)液面降至該點(diǎn)以下，使該處形成負(fù)壓，可是在放水的過程中，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)這種做法不合理，從而求助于老師。這時(shí)可建議學(xué)生自繪加裝簡(jiǎn)單測(cè)壓管的密閉盛水容器，反問學(xué)生測(cè)壓管中液位在何處時(shí)該點(diǎn)為負(fù)壓。不用更多地解釋，甚至還在繪制過程中，學(xué)生已恍然大悟。
課堂所學(xué)理論知識(shí)掌握得好，不一定實(shí)踐應(yīng)用得好。對(duì)有的學(xué)生來說，二者之間似乎隔著“一座山"，但其實(shí)只隔著“一層膜"。啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是挑破這層膜，引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)為獨(dú)立思考和分析知識(shí)，同時(shí)這也是自我鞏固和更新知識(shí)的過程。
3、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的有效利用與合理配置
流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備輕便、細(xì)小，塑料軟管易老化、玻璃制品易破碎、水泵易燒壞，導(dǎo)致其總體使用年限較短。一旦需要更換或報(bào)廢，實(shí)驗(yàn)室會(huì)考慮留下部分未損壞材料或簡(jiǎn)易設(shè)備以備用，如測(cè)壓管、可拆卸密閉容器、管道及閥門等，可用于再組裝或改裝利用，為創(chuàng)新和開放實(shí)驗(yàn)提供素材。
實(shí)驗(yàn)室根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作和處理數(shù)據(jù)的需要，配備了幕布、投影儀、電腦及數(shù)據(jù)處理軟件。當(dāng)因?qū)嶒?yàn)儀器意外故障等原因?qū)е聦W(xué)生實(shí)驗(yàn)計(jì)劃被打亂時(shí)，允許學(xué)生另找實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目代替。此時(shí)學(xué)生若不熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、無法及時(shí)抓住實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的延緩。利用投影儀不間斷播放實(shí)驗(yàn)課件或顯示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作流程，可使學(xué)生快速領(lǐng)會(huì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，抓住重點(diǎn)，盡快投入到實(shí)驗(yàn)中。以往學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課后處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不合理或結(jié)論錯(cuò)誤時(shí)已為時(shí)已晚，甚至可能為確保實(shí)驗(yàn)報(bào)告的正確率，抄襲或偽造數(shù)據(jù)。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教師要求每組學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室將記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入電腦，利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件完成計(jì)算，獲得最終的計(jì)算結(jié)果或規(guī)律圖，待教師檢查結(jié)論正確后方算結(jié)束實(shí)驗(yàn)，如出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差太大或?qū)嶒?yàn)規(guī)律錯(cuò)誤的問題則要求重做。利用軟件處理數(shù)據(jù)旨在節(jié)省學(xué)生的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間（大多是簡(jiǎn)單重復(fù)的加減乘除），教師經(jīng)過檢查可告知學(xué)生問題所在，正確引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。
多媒體課件和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段靈活多樣，對(duì)開放實(shí)驗(yàn)也起到一定的啟發(fā)作用。合理配置并開放共享流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，能夠有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，幫助學(xué)生迅速掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)規(guī)律，同時(shí)推動(dòng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理。
4、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化改革
得益于實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的多元化以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的有效利用，可對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合、優(yōu)化，增加綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系主要由以下四大實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成：
（1）基本量測(cè)型實(shí)驗(yàn)。精簡(jiǎn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，減少簡(jiǎn)單重復(fù)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是通過基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)操作使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)方法和操作方法。對(duì)象為所有學(xué)生。
（2）創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。如針對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的課外延伸實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可根據(jù)教師提供的思路或建議自行設(shè)計(jì)，或自行選擇實(shí)驗(yàn)器材組裝或改裝實(shí)驗(yàn)裝置，不要求*創(chuàng)新，目的是鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、獨(dú)立思考及創(chuàng)新，訓(xùn)練學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力及動(dòng)手能力。分小組進(jìn)行，每組至少設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)象為所有學(xué)生。
（3）綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。主要針對(duì)演示型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅要在實(shí)驗(yàn)課上操作演示型實(shí)驗(yàn)裝置、介紹實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)論，還要結(jié)合該原理自制簡(jiǎn)易模型、模擬相關(guān)工程現(xiàn)象，展現(xiàn)該原理的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄由鞂W(xué)生的專業(yè)知識(shí)，讓理論更貼近實(shí)踐。對(duì)象為不同專業(yè)的學(xué)生，如土木專業(yè)的學(xué)生利用有色煙氣觀察繞流運(yùn)動(dòng)。
（4）預(yù)約開放型實(shí)驗(yàn)。以學(xué)生為主體，不限定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可與上述三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，甚至與課外競(jìng)賽活動(dòng)、科研項(xiàng)目相結(jié)合，確保實(shí)驗(yàn)的*開放。
實(shí)驗(yàn)成果的提交有多種選擇，但注意內(nèi)容不要重復(fù)。預(yù)約開放型實(shí)驗(yàn)不作特定要求，建議實(shí)行加分制。對(duì)象為有興趣的學(xué)生。
5、結(jié)語
隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的變革，采用創(chuàng)新、開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的潮流之一。中南大學(xué)土木工程學(xué)院流體力學(xué)團(tuán)隊(duì)依據(jù)課程實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容方面積極探索和改革，建立并逐步完善新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使傳統(tǒng)式實(shí)驗(yàn)和開放式實(shí)驗(yàn)并重，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力方面取得了一定的成效，也進(jìn)一步提高了新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。