新工科背景下流体动量方程实验教学探索与建设

1、新工科背景下流体动量方程实验教学探索与建设摘要:在高等教育新工科背景下，流体力学作为工科专业基础课程，其实验教学 方法和内容面临更新和改革。以流体力学经典实验一一动量方程实验为例，探索 信息技术、互联网技术等与传统物理实验相融合的方法。通过更新实验教学文件、 建设数字教学资源、优化师资队伍、重构考评体系等措施，构建面向学生工程创新 能力培养目标的教学模式;该教学模式的引入,为教师创新性、启发性教学的开展 提供了平台和制度支撑。关键词:流体力学；动量方程；新工科；数字教学资源Exploration and Construction of Fluid Momentum EquiationExper

2、iment Teaching under the Background ofEmerging Engineering EducationAbstract: Under the background of emerging engineering education in higher education, fluid mechanics is a fundamental course of engineering domains, its experimental teaching methods and contents face on the renewal and reform. The

3、 classical experiment of fluid mechanics-momentum equation experiment is taken as an example to explore the method, which is as the integration of information technology and the Internet technology with traditional physics experiments. By updating the experimental teaching documents, constructing di

4、gital teaching resources, optimizing the teaching staffs, and reconstructing the evaluation system, the new teaching mode for the students( engineering innovation ability training goal is constructed. The new teaching method supplies a platform and regulation, and supports teachers in innovative and

5、 inspiring teaching.Key words： fluid mechanics； momentum equation； emerging engineering； digital teaching resources0引言新一轮科技革命和产业变革的加速进行，正催生 并推动着新经济模式的蓬勃发展成 工程教育作为科技发展和应用的加速器与产业发展紧密联系、相互 支撑。新工科教育正是在此背景下应运而生的。新工 科教育建设要坚持新工科专业孕育和现有工科专业改 革创新并进的思路0引言新一轮科技革命和产业变革的加速进行，正催生 并推动着新经济模式的蓬勃发展成 工程教育作为基础科学和基础技术作为

6、推动人类社会进步和发 展的基本源泉，是人类智慧的结晶，是人类对生产生活 过程中基本原理、方法的总结、精炼，是科学进步和技 术发展的基石。流体力学作为研究流体（包含气体、 液体及等离子体）现象以及相关力学行为的基础科学，其在推动科学发展和技术进步方面发挥了广泛且 巨大的作用。其应用范围及交叉学科涵盖物理学、化 学、航空工程、机械工程、动力工程、矿业工程、医学等 诸多学科和领域。流体力学教学内容涵盖基本概 念、理论分析和科学实验;教学体系包含理论教学和实 验教学两部分回。实验教学作为巩固理论知识认知、 关联工程实践的中间环节，是基本理论检验和发展的 手段,是培养学生知识与能力转化、理论与实践结合、

7、 创新能力和综合素质养成的重要环节，是养成严谨求 实科学态度的重要手段国迫。新产业、新科技需求带 给流体力学实验教学带来新的机遇和新的挑战。将信 息技术、互联网+技术与传统的流体力学实验相融合, 建设具备交融性、创新性的人才培养实践教学体系，不 仅仅是适应高等教育的发展趋势，更是新工科背景下 提高人才培养质量的重要途径回。动量定律是流体力学的三大基本定律之一。动量 定律的本身虽不复杂，但是作为基础理论对流体力学 理论知识延伸和以其为基础的工程实践应用拓展有广 泛且深入的影响。水射流切削加工、涡轮机叶片高温 射流冲击腐蚀、燃油喷射等高新技术均与流体动量理 论相关联回书。选择动量方程实验作为研究对

8、象，对 探索新工科背景下流体力学实验教学体系的改革方向 和内容建设有一定的参考和实际意义。1动量方程实验1.1动量方程简介动量方程作为牛顿第二定律（动量定律）在流体 力学中的一种表现形式，主要阐述流体动量变化与作 用力之间的关系,表示作用于控制体内流体的外力等 于控制体在单位时间内沿外力方向净流出的动量（流 出与流入的动量之差），其欧拉表示法为：# / 9判尸DI危（他）式中：#/表示控制体内质点系上所有外力的矢量 和,3 pvdV表示控制体内流体动量对时间的变化 率，4 P7（7d）表示单位时间内通过所有控制表面的 动量代数和。式（1）是动量定律的一般表现形式，针对教学、工 程中的定常、不可

9、压缩、一元流动，其方程简化为：F 9 pM（.27= - .17$）（2）式中:/表示作用外力;p表示流体的密度;M表示流体 的流量;.1表示入流的动量修正系数;71表示入流的流 速;.2表示出流的动量修正系数;7=表示出流的流速。 1.2动量方程实验简介传统的流体动量方程验证实验以动量定律实验装 置为工具，通过测量射流冲击模型所受的冲击反力、计 算动量系数.，进而验证不可压缩流体恒定总流的动 量定律面。学院实验教学所使用的动量定律实验装 置见图1。图1动量方程实验装置1.3传统实验存在的问题实验过程中考虑到实验安全等因素，工作介质多 选择水;通过改变入流流量的方式测量不同流量条件 下的射流冲

10、击力，验证不同流量条件下的动量方程。 对比式（2）可以发现，传统的实验方法在实验过程中 只针对单一变量（流量Q）进行调整，通过实验，学生 只能分析获得流量一个物理量对冲击力的影响，无法 真实感知其他物理变量（如流速8、工作介质密度p） 对射流冲击力的影响，导致学生对动量方程理解的局 限。工程实践中，很多设备是基于动量方程中流速变 化原理实现工作的，这种理解的局限部分限制了学生 工程视野的开拓和创新能力的培养。依据笔者的实验教学经验,现有动量方程实验存 在4点不足:方程中各物理量对冲击力影响验证不 足;实验设备及操作讲解占用学时较长;基于动 量定律的工程应用等扩展类、创新类内容较少;实 验考核方

11、式单一。2教学建设目标与方法针对实验存在的不足，探索将信息技术和互联网 技术引入动量方程实验中，在传统实验教学环境基础 上搭建数字环境，建设数字资源听弱。通过设计、制 作动量方程数字化实验课程，结合新的教学方法，突破 实验条件、实验设备等约束，拓展实验教学的时间及空 间维度，提高实验教学效率，改善实验教学效果，构建 适合新工科需求的流体力学实验教学方法明。新的实验教学采用数字实验教学与真实物理实验 教学相结合的方式展开。通过虚实结合的方法，充分 发挥两种教学方法的优势,相互取长补短，保障并提高 教学质量,具体方法如图2所示。课程计划内实验开放实验卜创新实验1其他实验H提交实验申请f虚拟实验预斗

12、rf虚拟实验羸补虚拟实验拓展|课程计划内实验开放实验卜创新实验1其他实验H提交实验申请f虚拟实验预斗rf虚拟实验羸补虚拟实验拓展|虚拟实验考核数字虚拟实验物理实验 预习汇报物理实 验操作物理实验 报告提交物理实验 工程拓展实验考评3教学资源建设3.1教学文件建设教学文件是教学实施的指南与依据。其主要包含 实验教学大纲、实验教案、实验指导与报告几部分。（$）实验教学大纲。实验教学大纲确定了实验内 容、教学目标和学时分配，是实验教学运行的“宪 法”实验教案。实验教案是包含具体教学设计及 安排的教学文书。动量方程实验教案依据实验教学大 纲编写，其中增加数字化实验教学内容。教案丰富了 教学授课内容，在

13、保证基本授课内容的基础上,教师可 以根据自己的教学经验进行扩展讲解，这样做既有效 的避免了教师随意授课导致的必要知识点漏讲又保障 了授课内容的丰富性。 实验指导与报告。实验指导与报告是学生了 解实验，记录、汇报实验,教师了解学生实验效果的文 字材料。动量方程实验指导与报告依据实验大纲和实 验教学经验进行修订；其中指导部分增设了安全操作%。动量方程实验为主要面向全校工学部3个学 院4门课程（工程流体力学A、工程流体力学B、流体 力学、水力学与桥涵水文）设置$2个课内教学学时 的专业基础实验，采用24人/组使用实验教案。实验教案是包含具体教学设计及 安排的教学文书。动量方程实验教案依据实验教学大

14、纲编写，其中增加数字化实验教学内容。教案丰富了 教学授课内容，在保证基本授课内容的基础上,教师可 以根据自己的教学经验进行扩展讲解，这样做既有效 的避免了教师随意授课导致的必要知识点漏讲又保障 了授课内容的丰富性。实验指导与报告。实验指导与报告是学生了 解实验，记录、汇报实验,教师了解学生实验效果的文 字材料。动量方程实验指导与报告依据实验大纲和实 验教学经验进行修订；其中指导部分增设了安全操作表1动量方程实验教学内容$23456$23456动量方程虚拟实验% 2 （课外）实验预习汇报0.4 （课内）实验操作回顾0. 2 （课内）实验运行0. 8 （课内）实验问题汇报0.2 （课内）工程拓展启

15、发与讨论0.4 （课内）3.2数字资源建设数字教学资源是虚拟实验顺利开展的基础。数字 化实验主要包含如下几个方面的内容：（a）实验原理界面图（b）实验仪器介绍图（$）运用多媒体技术对实验的基本信息（目的、 原理、仪器设备等）、实验理论的工程拓展应用，仪器 设备的原理、操作流程、安全注意事项等进行讲解。 为了简单、充分、完整的表达相关信息，根据需要采用 文字、图片、视频、动画等方法，如图2（a）实验原理界面图（b）实验仪器介绍图图2实验基本信息（a）实验操作界面图（b）安全注意事项介绍图图3实验操作信息（2）运用人机交互功能实现实验设备的真实物理 实验虚拟操作、工程拓展虚拟操作和虚拟实验的考评

16、工作。虚拟实验全面数字化真实物理实验的相关操 作，学生通过虚拟操作，可以全面掌握实验的操作流程 及注意事项；以大量真实实验数据为依据构建了误差 函数，误差函数的引入，让虚拟实验与物理实验的贴合 度更强，如图4所示。工程拓展虚拟实验的引入目的 在于让学生了解动量方程的工程应用，拓展学生的工 程视野，此类工程应用因安全等因素不宜在实验教学 中引入;动量方程的工程拓展虚拟实验以动力设备中 常见的燃油喷射装置为范例，设置了不同工作介质 （汽油和柴油）和不同尺寸的喷嘴直径选项，学生可选 择不同工作介质、不同尺寸的喷嘴组成差异化的实验 组，通过实验结果对比，感知不同实验参数对冲击力的 影响，强化学生对基本

17、理论在工程专业实践中的应用,如图5所示图4真实物理实验虚拟操作图5工程拓展实验虚拟操作虚拟实验考评和数字教学运行依托校虚拟仿真实 验教学中心的网络平台，实现选-学v做V平的一站式 教学。3.3师资队伍建设师资队伍是实验教学实施的人员保障。为保证实 验教学工作的顺利开展，建立了实验教学团队,采用课 程负责人中心责任制。实验教学团队由不同层次的理 论课教师、实验课教师、信息化经验丰富的教师及助教 共同组成，以高级职称的教师组成指导委员会,对实验 指导、人员安排、效果评估进行实时跟踪和指导。实验 教学团队定期进行教学总结、培训和考核，确保实验教 学水平稳步提高。3.4考核评价方法建设动量方程的实验考

18、核评价方法由传统的过分重视 实验操作和实验报告的考评方法转化为注重实验教学 全过程及工程能力拓展的综合考评方法。综合考评法 的实验成绩由虚拟实验考核成绩、实验操作、实验报告 提交成绩、实验态度及工程拓展成绩5部分组成。其 中数字虚拟实验考核成绩占25%，实验操作占35% , 实验报告占15%，实验态度占5%，工程拓展成绩占 20%，所有成绩经加权最终汇入流体力学课程的总 成绩。行。与传统的物理实验相协作，共同助力流体力学实 验教学。考虑到现行本科培养方案和实验教学大纲的 执行周期，新的实验教学方法选择部分课程、部分学生 进行试验性运行,教学反馈效果良好。（1）新教学模式的应用，丰富了实验教学内容，充 实了实验教学环节，教学方法的多样