阶梯型工程流体力学实验教学模式构建

１　实验教学与人才培养
２０１６ 年２ 月６ 日，教育部发布《着力提高教育质量》工作要点（以下简称《要点》），明确提出“优化高校人才培养机制”，继续实施“一基础五卓越”人才培养模式，引导高校进一步完善实践教学体系，推动人才培养建设。而实验教学是目前高校培养学生实践能力的关键途径，如何与时俱进地发挥实验教学在人才培养中的作用，成为目前以及未来实验教学的改革方向。针对《要点》中的“优化高校人才培养机制”，本文结合我校能源动力工程国家级实验教学示范中心工程流体力学实验教学现状，按照“五位一体”总体布局，构建一种结构合理、层次分明、重点清晰的阶梯型工程流体力学实验教学新模式。
２ 　传统工程流体力学实验教学模式存在的问题
工程流体力学是国内高校热能与动力工程专业的基础专业课程之一，是进入专业、掌握专业知识以及在专业领域进一步深造的必要条件，该课程的教学效果直接关系到本科毕业生的质量。而与之配套的工程流体力学实验是热能与动力工程专业、建筑环境类等专业的一门基础性实验课程，该实验课程对于学生理解与掌握工程流体力学基础知识、培养学生动手能力、实践与分析能力、工程应用能力以及创新能力等具有重要作用。
我校现有的工程流体力学实验教学一直是理论教学的辅助与补充，从属于理论教学，这种传统工程流体力学实验教学模式已经非常不适应社会发展对工程技术人才与时俱进的培养要求，主要体现在以下几个方面：
（１）实验教学过程中过分强化了教师的指导作用，忽略了学生的能动性。目前我校在开展工程流体力学实验教学过程中，过分地强调实验教师的主导作用。学生进入实验课堂以后，先由实验教师讲解实验目的、设备、原理、操作以及数据记录与处理。
然后，学生按部就班地开展实验，记录、处理与分析实验数据。最后，学生提交实验报告。整个实验过程中学生只是对教师演示实验过程的简单模仿，发挥不了实验教学的实践作用。
（２）实验教学以演示型和验证型实验为主，缺乏综合型实验。图１ 所示为传统的工程流体力学实验教学内容。由图１ 可以看出，传统的实验内容由４ 项演示型实验以及８ 项验证型实验组成，实验过程只是简单地完成对理论教学中原理的演示与验证，缺乏综合型的实验内容，不利于学生构建完整的知识体系，不利于对学生进行分层次、分能力的针对性和个性化的实验教学。
（３）实验教学缺乏与行业、企业工程实际的联系。实验教学过程作为培养学生实践能力的重要环节，如果实验内容只是单纯的对理论知识的验证，缺乏与行业、企业工程实际的联系，势必不利于提高本科生培养质量。例如传统工程流体力学实验中所涉及的两个比较基础的实验项目“沿程阻力损失实验”及“局部阻力损失实验”，这两个实验中所涉及的动力输配管路中阻力损失的实验测量仅仅是对教材中所讲内容的实验验证。而对于工程实际中涉及的气体、液体、气液混合物的输送，特别是管道长达几百甚至几千公里，在输送过程中必然会有较大的能量损失，如何调节流体的参数，怎样选择合适的管道运输使能量损失降到最低，学生缺乏相关了解，不利于理论与工程实际应用之间的联系。

图１　传统工程流体力学实验教学内容
３　阶梯型工程流体力学实验教学模式构建
基于工程流体力学实验的传统实验教学模式存在的一些弊端，我校提出建设阶梯型工程流体力学实验教学模式。阶梯型实验教学模式的构建需要从“四教”即实验教学理念、实验教学内容、实验教学方法及实验教学进度安排上进行设计。阶梯型实验教学模式不是简单的对传统实验教学模式的全盘否定，而是在传统实验教学模式的基础上，根据学生以及时代发展需求，从上述四点出发，遵循循序渐进的原则，实现学生对完整知识体系的构建。
３．１ 　实验教学理念构建
实验教学理念决定了实验教学的培养目标、培养模式、教学方法甚至整个教学体系。先进的教学理念对新型教学模式的产生以及发展具有重要影响关系。我校自从成立能源动力工程国家级实验中心以来，一直尝试新型实验教学理念。以“大学生创新创业训练计划”为切入点，提出“项目”促进实验教学的新理念。
结合国内高校的实验教学实践，不难发现先进的实验教学理念主要体现在以下两点：
（１）学生的主体地位；
（２）以能力培养和创新能力培养为核心。
怎样将学生的主体地位凸显出来是我们目前实验教学发展的主要制约点。什么是创新？ 怎样把培养创新能力得以实施，是我们实验教学过程中的主要矛盾体现，这个矛盾主要体现在：
（１）学生作为自主性较强的个体，每个学生的知识储备、个人能力等方面存在不同程度的差异，一旦将课堂转换成以学生为主体，教师势必面临对整体课堂效果把握更大的挑战，这对实验教师队伍提出更高的要求；
（２）创新不是简单地将科研内容和科研成果叠加进实验教学中，而是要求实验教师自身在参与创新成果产生的过程中，对创新成果进行剖析，并将适用于实验教学部分引导学生进行思考。创新不是凭空出现的，也不仅仅是对已有科研成果的验证，而是在结合所学知识基础上，完成对科研成果的二次创新甚至新成果的创造。
３．２　实验教学内容的改革
教育部在《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量》中首次提出了“开出一批新的综合性、设计性”实验的要求。随后又在《教育部关于开展高等学校实验教学示范中心建设和评审工作的通知》中提出“加强综合性、设计性、研究创新性实验”的意见（以下简称“三性实验”）。因此，在实施实验教学内容改革的过程中，要牢牢把握国家“三性实验”对培养学生综合能力以及创新能力的要求。在我校教学实践过程中以“卓越工程师培养计划”为目标指引，结合实验教学实际，提出有利于培养学生实践能力和创新能力的新型实验教学内容改革，提升实验教学内容的多样性。

阶梯型工程流体力学实验教学内容构建如图２
所示。阶梯型工程流体力学实验将实验内容分为基础实验模块、综合型实验模块、工程型实验模块以及创新型实验模块。基础型实验模块由上述１２ 项演示型以及验证型实验项目组成；综合型实验模块包括综合测量型实验模块以及设计型实验模块；工程型实验模块主要以工程实例为指导，并结合三维绘图软件以及仿真软件等完成工程型实验的设计与检验；创新型实验采用多模块化的组合方式，将科研实例与天马行空的创新思维加以糅合，利用基础实验模块所学的基本知识，综合实验模块以及工程实验模块中能力的锻炼与提升，完成创新型实验模块的构建。
３．３　实验教学方法
教学方法是教师实施课堂教学一项最重要的软性工具，决定着学生的参与程度和互动效果。传统实验教学方法的好处在于学生可按照教师制定好的实验步骤，在较短时间内完成实验，教师可以在有限时间内完成教学任务。但是这种教学方法不能有效激发学生学习的积极性、主动性和创造性，不利于创新型人才的培养。
为此，在阶梯型工程流体力学实验教学改革过程中，提出了以实际生活案例为启发，以解决实际问题为导向，以“大学生创新项目”为目标的多层次教学方法。例如在进行“流体静力学实验”教学过程中，在实验项目开始之前，通过“点滴吊瓶为什么可以匀速下流？”、“家用饮水机放水时‘咕咚咕咚’的声音是怎么回事？”及“你见过现在小朋友喝奶的奶瓶吗？ 奶瓶是怎么做到防胀气的？”等生活案例引导学生进入到课堂学习中。又如现在市面上出现一种可以自动调节淋浴出水量的淋浴装置，当阀门开度较大时，该装置利用自身结构将空气通过小孔引射进入水流通道中，从而起到调节出水流量，避免水资源浪费的目的。究其原理正是利用“双稳放大射流阀”流动演示实验中所涉及的“附壁效应”。但当在实验教学过程中仅就“附壁效应”进行讲解时，学生仅仅展现出对实验现象“比较好玩”的状态，而起不到深层次实验教学的目的。将工程实例运用于实验教学方法中，不仅可以提升学生学习积极性，还能引导学生进行创新型项目的研发，达到阶梯型实验教学模式预期效果。
３．４ 　实验教学进度安排
目前我校工程流体力学实验课程的开展采用１２ 人小组的教学模式，与传统大班授课有很大的不同。每年我校有１４ 个专业的５５０ 多名学生会进入工程流体实验室进行实验，实验分组多达４８ 组，每个实验项目又必须保证２ 学时教学时长，因此实验教师的工作强度大大增加。而实验教学进度安排又势必受限于理论教学，前期基础型实验的开展难度不大，但后期在综合型实验、工程型实验以及创新型实验的开展势必受限于学生所学知识、教学时长以及教学进度，所以如果学生想在一个学期内完成系统学习，势必会对实验教师的教学水平与教学能力提出更高的要求。因此，阶梯型工程流体力学实验在构建的过程中，在实验教学进度上，可以在学生完成基础实验项目学习的基础上，通过暑假短学期集中开设综合型、工程型以及创新型实验，为学生学习提供一个缓冲期。创新型实验项目甚至可以结合我校或者上海市大学生创新创业项目的申报工作延伸到学生的１～２ 个整学年的学习过程中。
４　结语
本文通过对传统工程流体力学实验教学模式的总结，围绕实验教学理念、实验教学内容、实验教学方法和实验教学进度等对新型实验教学模式进行构建。新型实验教学模式通过多层次的实验教学内容构建，实现阶梯化的实验教学过程，学生可以自主选择实验项目，而不再局限于教师安排的实验项目，进而提升学生的学习兴趣与创造力。