階梯型工程流體力學實驗教學模式構建

１　實驗教學與人才培養
２０１６ 年２ 月６ 日，教育部發布《著力提高教育質量》工作要點（以下簡稱《要點》），明確提出“優化高校人才培養機制”，繼續實施“一基礎五卓越”人才培養模式，引導高校進一步完善實踐教學體系，推動人才培養建設。而實驗教學是目前高校培養學生實踐能力的關鍵途徑，如何與時俱進地發揮實驗教學在人才培養中的作用，成為目前以及未來實驗教學的改革方向。針對《要點》中的“優化高校人才培養機制”，本文結合我校能源動力工程國家級實驗教學示范中心工程流體力學實驗教學現狀，按照“五位一體”總體布局，構建一種結構合理、層次分明、重點清晰的階梯型工程流體力學實驗教學新模式。
２ 　傳統工程流體力學實驗教學模式存在的問題
工程流體力學是國內高校熱能與動力工程專業的基礎專業課程之一，是進入專業、掌握專業知識以及在專業領域進一步深造的必要條件，該課程的教學效果直接關系到本科畢業生的質量。而與之配套的工程流體力學實驗是熱能與動力工程專業、建筑環境類等專業的一門基礎性實驗課程，該實驗課程對于學生理解與掌握工程流體力學基礎知識、培養學生動手能力、實踐與分析能力、工程應用能力以及創新能力等具有重要作用。
我校現有的工程流體力學實驗教學一直是理論教學的輔助與補充，從屬于理論教學，這種傳統工程流體力學實驗教學模式已經非常不適應社會發展對工程技術人才與時俱進的培養要求，主要體現在以下幾個方面：
（１）實驗教學過程中過分強化了教師的指導作用，忽略了學生的能動性。目前我校在開展工程流體力學實驗教學過程中，過分地強調實驗教師的主導作用。學生進入實驗課堂以后，先由實驗教師講解實驗目的、設備、原理、操作以及數據記錄與處理。
然后，學生按部就班地開展實驗，記錄、處理與分析實驗數據。最后，學生提交實驗報告。整個實驗過程中學生只是對教師演示實驗過程的簡單模仿，發揮不了實驗教學的實踐作用。
（２）實驗教學以演示型和驗證型實驗為主，缺乏綜合型實驗。圖１ 所示為傳統的工程流體力學實驗教學內容。由圖１ 可以看出，傳統的實驗內容由４ 項演示型實驗以及８ 項驗證型實驗組成，實驗過程只是簡單地完成對理論教學中原理的演示與驗證，缺乏綜合型的實驗內容，不利于學生構建完整的知識體系，不利于對學生進行分層次、分能力的針對性和個性化的實驗教學。
（３）實驗教學缺乏與行業、企業工程實際的聯系。實驗教學過程作為培養學生實踐能力的重要環節，如果實驗內容只是單純的對理論知識的驗證，缺乏與行業、企業工程實際的聯系，勢必不利于提高本科生培養質量。例如傳統工程流體力學實驗中所涉及的兩個比較基礎的實驗項目“沿程阻力損失實驗”及“局部阻力損失實驗”，這兩個實驗中所涉及的動力輸配管路中阻力損失的實驗測量僅僅是對教材中所講內容的實驗驗證。而對于工程實際中涉及的氣體、液體、氣液混合物的輸送，特別是管道長達幾百甚至幾千公里，在輸送過程中必然會有較大的能量損失，如何調節流體的參數，怎樣選擇合適的管道運輸使能量損失降到最低，學生缺乏相關了解，不利于理論與工程實際應用之間的聯系。

圖１　傳統工程流體力學實驗教學內容
３　階梯型工程流體力學實驗教學模式構建
基于工程流體力學實驗的傳統實驗教學模式存在的一些弊端，我校提出建設階梯型工程流體力學實驗教學模式。階梯型實驗教學模式的構建需要從“四教”即實驗教學理念、實驗教學內容、實驗教學方法及實驗教學進度安排上進行設計。階梯型實驗教學模式不是簡單的對傳統實驗教學模式的全盤否定，而是在傳統實驗教學模式的基礎上，根據學生以及時代發展需求，從上述四點出發，遵循循序漸進的原則，實現學生對完整知識體系的構建。
３．１ 　實驗教學理念構建
實驗教學理念決定了實驗教學的培養目標、培養模式、教學方法甚至整個教學體系。先進的教學理念對新型教學模式的產生以及發展具有重要影響關系。我校自從成立能源動力工程國家級實驗中心以來，一直嘗試新型實驗教學理念。以“大學生創新創業訓練計劃”為切入點，提出“項目”促進實驗教學的新理念。
結合國內高校的實驗教學實踐，不難發現先進的實驗教學理念主要體現在以下兩點：
（１）學生的主體地位；
（２）以能力培養和創新能力培養為核心。
怎樣將學生的主體地位凸顯出來是我們目前實驗教學發展的主要制約點。什么是創新？ 怎樣把培養創新能力得以實施，是我們實驗教學過程中的主要矛盾體現，這個矛盾主要體現在：
（１）學生作為自主性較強的個體，每個學生的知識儲備、個人能力等方面存在不同程度的差異，一旦將課堂轉換成以學生為主體，教師勢必面臨對整體課堂效果把握更大的挑戰，這對實驗教師隊伍提出更高的要求；
（２）創新不是簡單地將科研內容和科研成果疊加進實驗教學中，而是要求實驗教師自身在參與創新成果產生的過程中，對創新成果進行剖析，并將適用于實驗教學部分引導學生進行思考。創新不是憑空出現的，也不僅僅是對已有科研成果的驗證，而是在結合所學知識基礎上，完成對科研成果的二次創新甚至新成果的創造。
３．２　實驗教學內容的改革
教育部在《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量》中首次提出了“開出一批新的綜合性、設計性”實驗的要求。隨后又在《教育部關于開展高等學校實驗教學示范中心建設和評審工作的通知》中提出“加強綜合性、設計性、研究創新性實驗”的意見（以下簡稱“三性實驗”）。因此，在實施實驗教學內容改革的過程中，要牢牢把握國家“三性實驗”對培養學生綜合能力以及創新能力的要求。在我校教學實踐過程中以“卓越工程師培養計劃”為目標指引，結合實驗教學實際，提出有利于培養學生實踐能力和創新能力的新型實驗教學內容改革，提升實驗教學內容的多樣性。

階梯型工程流體力學實驗教學內容構建如圖２
所示。階梯型工程流體力學實驗將實驗內容分為基礎實驗模塊、綜合型實驗模塊、工程型實驗模塊以及創新型實驗模塊。基礎型實驗模塊由上述１２ 項演示型以及驗證型實驗項目組成；綜合型實驗模塊包括綜合測量型實驗模塊以及設計型實驗模塊；工程型實驗模塊主要以工程實例為指導，并結合三維繪圖軟件以及仿真軟件等完成工程型實驗的設計與檢驗；創新型實驗采用多模塊化的組合方式，將科研實例與天馬行空的創新思維加以糅合，利用基礎實驗模塊所學的基本知識，綜合實驗模塊以及工程實驗模塊中能力的鍛煉與提升，完成創新型實驗模塊的構建。
３．３　實驗教學方法
教學方法是教師實施課堂教學一項最重要的軟性工具，決定著學生的參與程度和互動效果。傳統實驗教學方法的好處在于學生可按照教師制定好的實驗步驟，在較短時間內完成實驗，教師可以在有限時間內完成教學任務。但是這種教學方法不能有效激發學生學習的積極性、主動性和創造性，不利于創新型人才的培養。
為此，在階梯型工程流體力學實驗教學改革過程中，提出了以實際生活案例為啟發，以解決實際問題為導向，以“大學生創新項目”為目標的多層次教學方法。例如在進行“流體靜力學實驗”教學過程中，在實驗項目開始之前，通過“點滴吊瓶為什么可以勻速下流？”、“家用飲水機放水時‘咕咚咕咚’的聲音是怎么回事？”及“你見過現在小朋友喝奶的奶瓶嗎？ 奶瓶是怎么做到防脹氣的？”等生活案例引導學生進入到課堂學習中。又如現在市面上出現一種可以自動調節淋浴出水量的淋浴裝置，當閥門開度較大時，該裝置利用自身結構將空氣通過小孔引射進入水流通道中，從而起到調節出水流量，避免水資源浪費的目的。究其原理正是利用“雙穩放大射流閥”流動演示實驗中所涉及的“附壁效應”。但當在實驗教學過程中僅就“附壁效應”進行講解時，學生僅僅展現出對實驗現象“比較好玩”的狀態，而起不到深層次實驗教學的目的。將工程實例運用于實驗教學方法中，不僅可以提升學生學習積極性，還能引導學生進行創新型項目的研發，達到階梯型實驗教學模式預期效果。
３．４ 　實驗教學進度安排
目前我校工程流體力學實驗課程的開展采用１２ 人小組的教學模式，與傳統大班授課有很大的不同。每年我校有１４ 個專業的５５０ 多名學生會進入工程流體實驗室進行實驗，實驗分組多達４８ 組，每個實驗項目又必須保證２ 學時教學時長，因此實驗教師的工作強度大大增加。而實驗教學進度安排又勢必受限于理論教學，前期基礎型實驗的開展難度不大，但后期在綜合型實驗、工程型實驗以及創新型實驗的開展勢必受限于學生所學知識、教學時長以及教學進度，所以如果學生想在一個學期內完成系統學習，勢必會對實驗教師的教學水平與教學能力提出更高的要求。因此，階梯型工程流體力學實驗在構建的過程中，在實驗教學進度上，可以在學生完成基礎實驗項目學習的基礎上，通過暑假短學期集中開設綜合型、工程型以及創新型實驗，為學生學習提供一個緩沖期。創新型實驗項目甚至可以結合我?；蛘呱虾Ｊ写髮W生創新創業項目的申報工作延伸到學生的１～２ 個整學年的學習過程中。
４　結語
本文通過對傳統工程流體力學實驗教學模式的總結，圍繞實驗教學理念、實驗教學內容、實驗教學方法和實驗教學進度等對新型實驗教學模式進行構建。新型實驗教學模式通過多層次的實驗教學內容構建，實現階梯化的實驗教學過程，學生可以自主選擇實驗項目，而不再局限于教師安排的實驗項目，進而提升學生的學習興趣與創造力。