伯努利方程實(shí)驗建設與教學(xué)平臺

由于流體運動(dòng)的復雜性，使得流體力學(xué)研究離不開(kāi)科學(xué)實(shí)驗，而理論分析、實(shí)驗研究和數值計算是其發(fā)展的三大支柱。同濟大學(xué)自２００７年確立了精品實(shí)驗建設的理念，伯努利方程實(shí)驗被列為同濟大學(xué)精品實(shí)驗項目，借助于力學(xué)實(shí)驗教學(xué)示范中心和力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心，開(kāi)展了伯努利方程精品實(shí)驗，實(shí)現了學(xué)生自主學(xué)習、師生交流互動(dòng)，調動(dòng)了學(xué)

生參與實(shí)驗的積極性，提高了實(shí)驗的效率，培養了具有創(chuàng )新精神和創(chuàng )新能力的高素質(zhì)人才。

１、伯努利方程精品實(shí)驗簡(jiǎn)介

伯努利方程實(shí)驗是流體力學(xué)zui重要的實(shí)驗之一，例如在港口、能源動(dòng)力工程、環(huán)境工程、道路與橋梁工程、土木工程等專(zhuān)業(yè)的流體力學(xué)課程中占有重要的位置。傳統的伯努利方程實(shí)驗，是在教師講解后學(xué)生直接做實(shí)驗，缺乏對實(shí)驗操作、實(shí)驗過(guò)程的示范教學(xué)及描述，實(shí)驗過(guò)程中的問(wèn)題得不到充分的探索和討論，學(xué)生的思考、興趣及創(chuàng )造性思維沒(méi)有被充分激發(fā)出來(lái)。而精品實(shí)驗的實(shí)驗教學(xué)是以學(xué)生為主體、教師為主導，充分啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng )造性思維，學(xué)生以多種方式、多種途徑進(jìn)行實(shí)驗。

１．１實(shí)驗原理

在實(shí)驗管路中沿管內水流方向?。?個(gè)過(guò)流斷面?？梢粤谐鲞M(jìn)口斷面（１）至另一斷面（ｉ）的能量方程式（ｉ＝２，３，…，ｎ）

取α１＝α２＝α３＝ … ＝αｎ ＝１，選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出Ｚ ＝ｐ／γ 的值，測出通過(guò)管路的流量，即可計算出斷面平均流速ν及速度水頭ａｖ²／２ｇ ，從而得到各斷面測壓管水頭值和總水頭值。

１．２過(guò)流斷面性質(zhì)

均勻流或漸變流斷面流體動(dòng)壓強符合靜壓強的分布規律，即在同一斷面上，測壓管水頭值為常數。

但在不同過(guò)流斷面上的測壓管水頭不同，即

而斷面上

２、伯努利方程精品實(shí)驗的特色和創(chuàng )新

２．１對經(jīng)典實(shí)驗過(guò)程進(jìn)行綜合設計和創(chuàng )新

精品實(shí)驗zui重要的是要具有特色和創(chuàng )新，尤其是對于綜合性實(shí)驗，應當注重實(shí)驗內容的新穎性和創(chuàng )新性，實(shí)驗手段的多樣性，讓學(xué)生有更多的創(chuàng )新空間和施展才華的機會(huì )。

本精品實(shí)驗是在經(jīng)典的伯努利方程實(shí)驗中加入新的實(shí)驗元素和活力，即在實(shí)驗過(guò)程中添加伯努利方程虛擬實(shí)驗環(huán)節。虛擬實(shí)驗在實(shí)驗教學(xué)中的應用很多，工程中關(guān)于水力學(xué)問(wèn)題的仿真研究已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，仿真技術(shù)也逐漸在教學(xué)中應用。

伯努利方程實(shí)驗在仿真方面也有一些研究。虛擬實(shí)驗由于具有操作界面直觀(guān)、方便快捷、重復性強、不受地域或時(shí)間的限制，學(xué)生可以隨時(shí)參與虛擬實(shí)驗操作。學(xué)生可以使用自己的計算機或實(shí)驗室虛擬實(shí)驗平臺的計算機，根據自己的時(shí)間去做虛擬實(shí)驗，更重要的是學(xué)生可以隨時(shí)驗證和探索學(xué)習過(guò)程中遇到的疑難問(wèn)題，對實(shí)際實(shí)驗操作進(jìn)行預習。

２．２以培養學(xué)生創(chuàng )新能力為目標的教學(xué)模式

學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng )新能力和綜合素質(zhì)三大目標的實(shí)現是建立在一個(gè)個(gè)具體的實(shí)驗項目完成的基礎上。伯努利方程實(shí)驗屬于綜合性、設計性實(shí)驗，培養學(xué)生綜合利用所學(xué)理論知識來(lái)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；引導學(xué)生結合該實(shí)驗的工程背景和應用，分組設計相應的實(shí)驗項目，鼓勵學(xué)生敢想、敢做、敢于質(zhì)疑；利用實(shí)驗室的實(shí)驗平臺對小組設計的實(shí)驗項

目進(jìn)行實(shí)驗，從而解決實(shí)際工程中的問(wèn)題或現象；鼓勵學(xué)生參與虛擬實(shí)驗的操作和完善，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)上練習虛擬實(shí)驗，找出其中還不是很完善的地方，提出優(yōu)化方案，教師再逐步修改和完善，充分發(fā)揮學(xué)生參與實(shí)驗的主觀(guān)能動(dòng)性，有效拓展學(xué)生的想象空間。

通過(guò)對學(xué)生多方位的引導，培養學(xué)生對理論知識的應用能力、對實(shí)驗操作的動(dòng)手能力、對實(shí)驗項目的創(chuàng )新能力和團隊寫(xiě)作能力，從而實(shí)現對學(xué)生的綜合能力的培養。

２．３多元化的實(shí)驗教學(xué)過(guò)程和教學(xué)手段

伯努利方程精品實(shí)驗采用多元化的教學(xué)過(guò)程和教學(xué)手段，主要特點(diǎn)如下：

（１）學(xué)生通過(guò)理論知識的學(xué)習，熟知伯努利方程的原理及其在實(shí)際工程上的應用。例如測量流速與流量的儀表（畢托管、文丘里流量計和電磁流量計等）、虹吸現象（用于汲水灌溉、高位水箱引水和抽水馬桶等）、孔口和管嘴的出流問(wèn)題等。這樣學(xué)生就學(xué)會(huì )在實(shí)驗前提出問(wèn)題，帶著(zhù)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗，大大提高了實(shí)驗的效率。

（２）鼓勵學(xué)生結合工程實(shí)踐，采用已有的流體力學(xué)實(shí)驗教具，自主設計實(shí)驗項目，比如學(xué)生可以利用流量計測試一下實(shí)驗室水管的流量、流速等，引導學(xué)生利用實(shí)驗解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養學(xué)生的"工程師"意識。

（３）采用虛擬實(shí)驗和實(shí)際操作實(shí)驗相結合的方法，充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

本實(shí)驗為綜合性實(shí)驗項目，為提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，充分利用力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的虛擬實(shí)驗平臺，實(shí)際實(shí)驗和虛擬實(shí)驗有機結合，從不同角度，以多種方式參加實(shí)驗訓練。

２．４實(shí)驗流程

實(shí)驗的流程如圖１所示。

圖１實(shí)驗流程圖

（１）虛擬實(shí)驗。學(xué)生做實(shí)驗之前，先在力學(xué)實(shí)驗教學(xué)示范中心上進(jìn)行伯努利方程虛擬實(shí)驗操作，預覽實(shí)驗過(guò)程，熟悉實(shí)驗原理，鞏固理論知識的掌握，并且可以直觀(guān)地體會(huì )做實(shí)驗的操作過(guò)程和觀(guān)察動(dòng)態(tài)的實(shí)驗現象等。整個(gè)虛擬實(shí)驗過(guò)程與真實(shí)的實(shí)驗相差無(wú)幾，可以適時(shí)地觀(guān)察到實(shí)驗現象和測壓管液面高度的變化規律。方便地模擬出做實(shí)驗的過(guò)程。伯努利方程虛擬實(shí)驗為學(xué)生創(chuàng )造良好的仿真實(shí)驗條件，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和主動(dòng)性，并且可以隨時(shí)驗證和探索遇到的疑難問(wèn)題，為真實(shí)實(shí)驗操作打下堅實(shí)的基礎。

（２）真實(shí)實(shí)驗。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗的動(dòng)手操作，教師指導學(xué)生熟悉操作實(shí)驗裝置，引導學(xué)生將所學(xué)知識在實(shí)驗中進(jìn)行驗證及進(jìn)行設計和創(chuàng )造性的實(shí)驗，并撰寫(xiě)綜合實(shí)驗報告。學(xué)生經(jīng)過(guò)虛擬實(shí)驗和實(shí)際操作實(shí)驗２個(gè)環(huán)節的培養，可以更加深刻地理解和掌握課本上的理論知識。

２．５　實(shí)驗成績(jì)考核模式

"伯努利方程精品實(shí)驗"課成績(jì)的考核要反映學(xué)生的綜合能力，包括實(shí)驗項目設計、實(shí)驗技能、團隊協(xié)作和動(dòng)手能力，還要真實(shí)地反映學(xué)生的自主創(chuàng )新能力。

伯努利方程實(shí)驗的成績(jì)由實(shí)驗項目設計、虛擬實(shí)驗操作、真實(shí)實(shí)驗操作和實(shí)驗報告４部分組成。實(shí)驗操作部分由指導教師現場(chǎng)打分，實(shí)驗報告重在實(shí)驗方法的確定、實(shí)驗儀器的選擇、實(shí)驗步驟的制定、實(shí)驗數據的處理、實(shí)驗結果的對比分析和研究性總結等。這種成績(jì)的考核模式，可以有效地反映出學(xué)生的綜合創(chuàng )新能力。

２．６精品實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )教學(xué)平臺建設

中心建立了流體力學(xué)虛擬實(shí)驗平臺，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗虛擬軟件，學(xué)生在計算機上應用圖、文、音并茂的計算機動(dòng)態(tài)技術(shù)來(lái)模擬實(shí)驗教學(xué)的整個(gè)操作過(guò)程，在操作中配有相應的理論指導，解決了相關(guān)的教學(xué)盲點(diǎn)。

學(xué)生可不受時(shí)間約束、不受地點(diǎn)限制，反復進(jìn)行虛擬實(shí)驗，完成實(shí)驗學(xué)習過(guò)程，還可以按個(gè)人的要求設計新的虛擬實(shí)驗項目。流體力學(xué)虛擬實(shí)驗是面向全校師生及校外任何想學(xué)習和練習虛擬實(shí)驗的學(xué)習者，已經(jīng)在實(shí)驗教學(xué)中實(shí)施２年多，取得了良好的效果。

３、伯努利方程精品實(shí)驗建設成果

３．１激發(fā)了學(xué)生參與實(shí)驗的興趣

虛擬實(shí)驗使人置身于多媒體世界中，學(xué)生對實(shí)驗對象、實(shí)驗過(guò)程、實(shí)驗結果都能看到、聽(tīng)到、感覺(jué)到，大大增加了仿真的形象性與直觀(guān)性。而且由于虛擬實(shí)驗具有不受時(shí)間、地域場(chǎng)地限制等優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生可根據自己的需要安排學(xué)習時(shí)間，大大方便了學(xué)生，激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗的興趣和主觀(guān)能動(dòng)性，從而提高學(xué)習效率。

真實(shí)實(shí)驗放手讓學(xué)生積極參與實(shí)驗方案的設計，以學(xué)生為實(shí)驗的主體，充分發(fā)揮學(xué)生的潛能，通過(guò)學(xué)生動(dòng)手操作等訓練培養學(xué)生的創(chuàng )新能力。虛擬與真實(shí)實(shí)驗兩者相結合，優(yōu)勢互補，切實(shí)保證了實(shí)驗教學(xué)的質(zhì)量。

伯努利方程實(shí)驗是一個(gè)綜合性實(shí)驗，本實(shí)驗對全校土木工程專(zhuān)、力學(xué)專(zhuān)業(yè)、能源動(dòng)力、港口航道與海岸工程等專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)放，學(xué)生參與的積極性和熱情都非常高，參與率達到１００％，普遍反映效果很好。
３．２調動(dòng)了教師的積極性

該綜合性實(shí)驗是學(xué)校"精品實(shí)驗"項目，得到學(xué)校的大力支持，并給予項目立項資助，調動(dòng)了教師參與實(shí)驗項目建設的積極性和主動(dòng)性，使得實(shí)驗課程與實(shí)際工程應用結合得更緊密，得到師生的*。

"伯努利方程精品實(shí)驗"項目作為系統的教學(xué)單元進(jìn)行建設，其系統的經(jīng)驗成果可以為其他流體力學(xué)實(shí)驗項目提供借鑒，實(shí)驗項目建設方向、探索人才培養模式。積累的一些典型教學(xué)案例，豐富了實(shí)驗教學(xué)的積淀。成功的案例可以啟發(fā)下屆學(xué)生在此基礎上發(fā)展創(chuàng )新，避免低水平的重復實(shí)驗；失敗的案例可以供學(xué)生借鑒，盡可能避免失敗，少走彎路。

３．３豐富了實(shí)驗教學(xué)內容

"伯努利方程精品實(shí)驗"教學(xué)的嘗試，豐富了流體力學(xué)實(shí)驗教學(xué)內容，綜合利用了多種教學(xué)手段。合理運用現代信息化技術(shù)（虛擬網(wǎng)絡(luò )平臺、網(wǎng)絡(luò )、投影儀）等手段，在傳統的教學(xué)觀(guān)念、教學(xué)方法和教學(xué)手段的基礎上繼承、發(fā)展并改革和創(chuàng )新。實(shí)驗教學(xué)符合學(xué)生的認知規律，創(chuàng )建以學(xué)生為中心、教師為主導的教學(xué)模式。

注重實(shí)驗過(guò)程設計，實(shí)驗方法科學(xué)、合理、新穎；實(shí)驗手段適當、先進(jìn)。能充分調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性與積極性，培養學(xué)生對實(shí)驗的興趣。綜合性實(shí)驗更要注重實(shí)驗過(guò)程，提高"設計性"含量，使學(xué)生親歷一般科學(xué)實(shí)驗的全過(guò)程，使實(shí)驗的教學(xué)內容更加豐富。

３．４促進(jìn)了虛擬實(shí)驗平臺的建設

"伯努利方程精品實(shí)驗"的建設，加快了虛擬實(shí)驗平臺建設。以創(chuàng )建精品實(shí)驗為契機，力學(xué)實(shí)驗中心加快了本科流體力學(xué)實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )化教學(xué)的步伐，建立了流體力學(xué)虛擬實(shí)驗平臺和教學(xué)資料庫。目前有伯努利方程實(shí)驗、動(dòng)量方程實(shí)驗、圓柱繞流實(shí)驗和水面曲線(xiàn)實(shí)驗的虛擬實(shí)驗，每一個(gè)虛擬實(shí)驗都是按照真實(shí)實(shí)驗的原理、實(shí)驗裝置、實(shí)驗步驟、實(shí)驗結果分析等設計的，這４個(gè)實(shí)驗現在已經(jīng)作為流體力學(xué)虛擬實(shí)驗的內容。４個(gè)實(shí)驗項目已經(jīng)在教學(xué)過(guò)程中實(shí)施近２年，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗的積極性得到了提升，反映良好，達到了預期的效果。

此外，還開(kāi)發(fā)了實(shí)驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò )互動(dòng)平臺及網(wǎng)上選課系統、互動(dòng)平臺和虛擬實(shí)驗系統，促進(jìn)了力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的建設。