高軍霞

摘 要 針對(duì)流體力學(xué)課程概念抽象、理論性強(qiáng)，學(xué)生對(duì)流體運(yùn)動(dòng)又缺乏感性認(rèn)識(shí)的特點(diǎn)，將流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融入課堂教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，用圖片、動(dòng)畫等媒體手段講解知識(shí)點(diǎn)的工程背景和應(yīng)用、解釋概念和公式的物理意義等，并將課堂教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，不僅幫助學(xué)生進(jìn)行了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)理論與基本操作的預(yù)習(xí)，而且使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其蘊(yùn)含的理論理解得更加透徹深入，提升學(xué)生綜合素質(zhì)等方面效果明顯。

關(guān)鍵詞 流體力學(xué) 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 教學(xué)設(shè)計(jì) 課堂教學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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 流體力學(xué)課程改革現(xiàn)狀

由于流體力學(xué)概念抽象、理論性強(qiáng)，學(xué)生對(duì)流體運(yùn)動(dòng)又缺乏感性認(rèn)識(shí)，流體力學(xué)課程歷來被認(rèn)為是學(xué)生難學(xué)、教師難教的課程之一。為了講清概念、交代眾多公式的來龍去脈、介紹豐富的工程背景和應(yīng)用知識(shí)，流體力學(xué)授課需要大量課時(shí)，這與目前國內(nèi)提倡的教學(xué)改革縮減理論授課課時(shí)相矛盾。不加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用知識(shí)難以提高教學(xué)質(zhì)量，局促的課時(shí)除了教會(huì)學(xué)生做題、應(yīng)付考試外沒有多少時(shí)間講解其他內(nèi)容。如何更好地處理少課時(shí)與大教學(xué)量之間的矛盾，國內(nèi)不少高校進(jìn)行了此方面的改革，比如研制流體力學(xué)多媒體電子教案，加大網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源等等彌補(bǔ)課時(shí)的不足。這些措施對(duì)于課堂教學(xué)幫助很大，但均無法替代實(shí)驗(yàn)教學(xué)，無法幫助學(xué)生更加深刻地理解理論、應(yīng)用理論。而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)重點(diǎn)卻是教學(xué)生如何操作儀器，如何記錄處理數(shù)據(jù)，而不會(huì)關(guān)注于讓學(xué)生知道為什么要“那么做”。因此課堂教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之間缺乏有效的銜接與溝通，導(dǎo)致很多學(xué)生只知如何做實(shí)驗(yàn)，而不知為何做實(shí)驗(yàn)。

目前，關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開發(fā)的案例也很多，但多數(shù)集中于研究如何使其更好地輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而對(duì)于將虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與課堂教學(xué)相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少，唐山學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)流體傳動(dòng)課程組教師針對(duì)此種情況，開發(fā)了基于Flash的流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將之與課堂教學(xué)相結(jié)合，進(jìn)行了基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理論教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)與探索。

2 基于Flash的流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡介

用Flash做動(dòng)畫比較靈活，如表現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)理、物理過程、動(dòng)作分解等，也可編程。流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于Flash語言而編制，主要是為建立一種創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)的交互環(huán)節(jié)，通過與實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師接洽，利用Flash將實(shí)驗(yàn)設(shè)備虛擬化，并用動(dòng)畫的手段將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象演示出來，學(xué)生根據(jù)需要選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以“動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)”為例，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行該實(shí)驗(yàn)，界面如圖1所示，既可以通過“原理”標(biāo)簽學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，同時(shí)還可以觀測(cè)到動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)演示。虛擬實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)流程、處理一些常見的難點(diǎn)問題。學(xué)生如果需要，也可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至熟悉掌握實(shí)驗(yàn)操作技能。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

教學(xué)的目的在于使學(xué)生真正掌握應(yīng)知應(yīng)會(huì)的內(nèi)容，并且獲得能力上的鍛煉和提高。下面以唐山學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)為例，簡介基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的流體力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.1 基于虛擬實(shí)驗(yàn)的研討式教學(xué)

首先教師帶學(xué)生一起溫習(xí)中學(xué)時(shí)的動(dòng)量定理內(nèi)容，而后提出疑問：當(dāng)介質(zhì)不再時(shí)固體，而是液體時(shí)，動(dòng)量定理還適用嗎？如何用？以啟發(fā)式教學(xué)思想為基礎(chǔ)，在教師的引導(dǎo)下啟發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)地思考問題，并在同學(xué)之間、師生之間進(jìn)行相互交流和互動(dòng)式思考和學(xué)習(xí)，進(jìn)而公式推導(dǎo)獲得動(dòng)量方程，而后利用流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)過程，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，討論分析該實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證原理。這種將課堂教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，不僅幫助學(xué)生進(jìn)行了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，而且使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的理論理解得更加透徹深入，提高了學(xué)生的思維能力和對(duì)一些重要概念的理解力。

3.2 操作訓(xùn)練與思維訓(xùn)練相結(jié)合

沿程阻力損失的計(jì)算是流體力學(xué)課程的教學(xué)重點(diǎn)之一，而其中的沿程阻力系數(shù)的正確選擇尤其關(guān)鍵，同時(shí)這里也涉及到一個(gè)很著名的實(shí)驗(yàn)：尼古拉茲實(shí)驗(yàn)。唐山學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)流體力學(xué)課程的理論授課教師和實(shí)驗(yàn)教師并不是同一人，該課程有6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)為“沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)”。在最終的實(shí)驗(yàn)操作考核中，理論授課教師通過觀察學(xué)生 “沿程阻力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)” 實(shí)驗(yàn)操作過程，發(fā)現(xiàn)學(xué)生操作很熟練，記錄數(shù)據(jù)整齊認(rèn)真，并且很快地利用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中給出的層流狀態(tài)下的計(jì)算公式算出了沿程阻力系數(shù)的數(shù)值，但其中存在一個(gè)問題被學(xué)生忽略了，即根據(jù)計(jì)算的結(jié)果核實(shí)是否真正是層流流動(dòng)狀態(tài)。如果閥門開度合理，大部分同學(xué)的結(jié)果應(yīng)該是可信的，但是任何實(shí)驗(yàn)過程中，均無法排除一些其他人為因素。操作技能訓(xùn)練的同時(shí)，學(xué)生并未注意到分析并解決問題的嚴(yán)密性，思維訓(xùn)練未達(dá)到與操作訓(xùn)練同步。

將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入課堂教學(xué)后，授課教師在學(xué)生們完成此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，再次在課堂上演示實(shí)驗(yàn)過程，并將兩組往屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考核記錄數(shù)據(jù)（一組數(shù)據(jù)正常，一組異常）以及得出的沿程阻力系數(shù)結(jié)果記錄在黑板上，教師提出質(zhì)疑，即該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊穹从砇e與尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的內(nèi)在聯(lián)系？因是小班授課（共28名學(xué)生），將全班學(xué)生分成7個(gè)小組，在討論中，學(xué)生反復(fù)研究教材內(nèi)容，推敲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后幾乎每個(gè)小組都得出了較全面的結(jié)論。此種方式的開展，比填鴨式的反復(fù)做題強(qiáng)化訓(xùn)練得到的學(xué)習(xí)效果好很多。

如果授課教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中能夠充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，則教學(xué)效果可大大提高，學(xué)生收效顯著。

通過上述的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，流體力學(xué)課程學(xué)生的出勤率較以往明顯提高，且教師的學(xué)生評(píng)教成績?cè)谌到處熤忻星懊．?dāng)然，流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還有很大的完善空間，課堂教學(xué)也是任重道遠(yuǎn)，授課教師也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，探尋更加科學(xué)的教學(xué)方法和手段，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才而努力。

基金資助項(xiàng)目：流體傳動(dòng)課程群遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的研究與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)120192）

參考文獻(xiàn)

[1] 朱玲，齊煒.計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)課件的設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以無機(jī)化學(xué)“分子結(jié)構(gòu)”一章為例[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012（7）.

[2] 陳振華.解決教學(xué)適應(yīng)性問題的現(xiàn)代路徑[J].高等教育研究，2013（6）.