基于虚拟实验平台的流体力学课程教学设计

　　中图分类号：G424 文献标识码：A

　　Fluid Mechanics Course Teaching Design

　　Based on Virtual Experiment Platform

　　GAO Junxia

　　（Department of Mechanical and Electrical Engineering， Tangshan College， Tangshan， Hebei 063000）

　　Abstract Fluid mechanics courses for abstract concepts， theories and strong， fluid movement and the lack of student perceptions of the characteristics of the fluid dynamics of virtual experiment platform designed to integrate into the classroom session， with pictures， animations and other media means and application of knowledge engineering background to explain the point， explain the physical meaning of the concepts and formulas， and combine classroom teaching with virtual experiment teaching， not only preview to help students hydrodynamic theory and the basic operation of the experiment， but also makes the students' theoretical and experimental phenomena inherent in a more thorough understanding， further enhance the overall quality of students and so the effect is obvious.

　　Key words fluid mechanics； virtual experiment platform； teaching design； classroom teaching； experimental teaching

　　1 流体力学课程改革现状

　　由于流体力学概念抽象、理论性强，学生对流体运动又缺乏感性认识，流体力学课程历来被认为是学生难学、教师难教的课程之一。为了讲清概念、交代众多公式的来龙去脉、介绍丰富的工程背景和应用知识，流体力学授课需要大量课时，这与目前国内提倡的教学改革缩减理论授课课时相矛盾。不加强基础理论和工程应用知识难以提高教学质量，局促的课时除了教会学生做题、应付考试外没有多少时间讲解其他内容。如何更好地处理少课时与大教学量之间的矛盾，国内不少高校进行了此方面的改革，比如研制流体力学多媒体电子教案，加大网络教学资源等等弥补课时的不足。这些措施对于课堂教学帮助很大，但均无法替代实验教学，无法帮助学生更加深刻地理解理论、应用理论。而在实验教学中，实验教师的教学重点却是教学生如何操作仪器，如何记录处理数据，而不会关注于让学生知道为什么要“那么做”。因此课堂教学内容与实验教学内容之间缺乏有效的衔接与沟通，导致很多学生只知如何做实验，而不知为何做实验。

　　目前，关于虚拟实验室设计开发的案例也很多，但多数集中于研究如何使其更好地辅助实验教学，而对于将虚拟实验系统与课堂教学相结合进行教学设计的研究相对较少，唐山学院机械设计制造及其自动化专业流体传动课程组教师针对此种情况，开发了基于Flash的流体力学虚拟实验平台，并将之与课堂教学相结合，进行了基于虚拟实验平台的理论教学与虚拟实验教学相结合的教学设计与探索。

　　2 基于Flash的流体力学虚拟实验平台简介

　　用Flash做动画比较灵活，如表现运动机理、物理过程、动作分解等，也可编程。流体力学虚拟实验平台基于Flash语言而编制，主要是为建立一种创造和引导模拟实验的交互环节，通过与实验教学教师接洽，利用Flash将实验设备虚拟化，并用动画的手段将实验现象演示出来，学生根据需要选择实验项目。以“动量守恒实验”为例，在虚拟实验平台上运行该实验，界面如图1所示，既可以通过“原理”标签学习实验原理，同时还可以观测到动量守恒实验现象的动态演示。虚拟实验可以让学生熟悉实验流程、处理一些常见的难点问题。学生如果需要，也可以不厌其烦地反复练习，直至熟悉掌握实验操作技能。

　　3 教学设计与实践

　　教学的目的在于使学生真正掌握应知应会的内容，并且获得能力上的锻炼和提高。下面以唐山学院机械设计制造及其自动化专业流体力学课程教学为例，简介基于虚拟实验平台的流体力学课程教学设计。

　　3.1 基于虚拟实验的研讨式教学

　　首先教师带学生一起温习中学时的动量定理内容，而后提出疑问：当介质不再时固体，而是液体时，动量定理还适用吗？如何用？以启发式教学思想为基础，在教师的引导下启发学生积极主动地思考问题，并在同学之间、师生之间进行相互交流和互动式思考和学习，进而公式推导获得动量方程，而后利用流体力学虚拟实验平台演示动量守恒实验过程，请学生根据实验观察，讨论分析该实验的验证原理。这种将课堂教学与虚拟实验教学相结合的方式，不仅帮助学生进行了流体力学实验的预习，而且使得学生对实验现象和实验数据处理的理论理解得更加透彻深入，提高了学生的思维能力和对一些重要概念的理解力。 　　3.2 操作训练与思维训练相结合

　　沿程阻力损失的计算是流体力学课程的教学重点之一，而其中的沿程阻力系数的正确选择尤其关键，同时这里也涉及到一个很著名的实验：尼古拉兹实验。唐山学院机械设计制造及其自动化专业流体力学课程的理论授课教师和实验教师并不是同一人，该课程有6学时实验，其中一个实验为“沿程阻力系数测定实验”。在最终的实验操作考核中，理论授课教师通过观察学生 “沿程阻力系数测定实验” 实验操作过程，发现学生操作很熟练，记录数据整齐认真，并且很快地利用实验指导书中给出的层流状态下的计算公式算出了沿程阻力系数的数值，但其中存在一个问题被学生忽略了，即根据计算的结果核实是否真正是层流流动状态。如果阀门开度合理，大部分同学的结果应该是可信的，但是任何实验过程中，均无法排除一些其他人为因素。操作技能训练的同时，学生并未注意到分析并解决问题的严密性，思维训练未达到与操作训练同步。

　　将虚拟实验平台引入课堂教学后，授课教师在学生们完成此实验项目后，再次在课堂上演示实验过程，并将两组往届学生的实验考核记录数据（一组数据正常，一组异常）以及得出的沿程阻力系数结果记录在黑板上，教师提出质疑，即该实验能否反映Re与尼古拉兹实验曲线的内在联系？因是小班授课（共28名学生），将全班学生分成7个小组，在讨论中，学生反复研究教材内容，推敲实验数据，最后几乎每个小组都得出了较全面的结论。此种方式的开展，比填鸭式的反复做题强化训练得到的学习效果好很多。

　　如果授课教师在教学设计中能够充分利用虚拟实验平台，则教学效果可大大提高，学生收效显著。

　　通过上述的教学设计与实践，流体力学课程学生的出勤率较以往明显提高，且教师的学生评教成绩在全系教师中名列前茅。当然，流体力学虚拟实验平台还有很大的完善空间，课堂教学也是任重道远，授课教师也应与时俱进，探寻更加科学的教学方法和手段，为培养具有创新能力的人才而努力。

　　基金资助项目：流体传动课程群远程虚拟实验平台建设的研究与实践（项目编号120192）

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