1、引言
流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，是許多工科專(zhuān)業(yè)非常重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎課程，既有常見(jiàn)的力學(xué)特點(diǎn)——理論性強，也有工科課程的特色——實(shí)踐性強。在教授課程理論知識的同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析和解決問(wèn)題的能力以及培養學(xué)生的創(chuàng )新意識是該課程的課程目標。
傳統實(shí)驗教學(xué)模式堅持演示實(shí)驗與量測實(shí)驗相結合。演示實(shí)驗主要采取老師講、學(xué)生聽(tīng)的教學(xué)形式，只能簡(jiǎn)單實(shí)現課堂理論的延伸；在量測實(shí)驗中，學(xué)生根據實(shí)驗指導書(shū)“按部就班"地完成實(shí)驗任務(wù)，學(xué)生對實(shí)驗現象往往“知其然而不知其所以然"，實(shí)驗過(guò)程流于形式。如何在現有的實(shí)驗條件下改變實(shí)驗教學(xué)思想和模式，適應教育部關(guān)于新工科人才培養的要求，是當前開(kāi)放實(shí)驗教學(xué)改革研究的關(guān)注重點(diǎn)。
2、實(shí)驗教學(xué)模式的多元化改革
2.1實(shí)現實(shí)驗教學(xué)的課外延伸
實(shí)驗教學(xué)要求學(xué)生在掌握理論知識的前提下，通過(guò)實(shí)驗來(lái)驗證所學(xué)理論知識，并能進(jìn)一步探索生活和工程中的應用問(wèn)題。這樣的實(shí)驗目標并不囿于在實(shí)驗室中得以實(shí)現，如流體力學(xué)課程中伯努利方程這個(gè)知識點(diǎn)可應用于畢托管實(shí)驗、文丘里實(shí)驗、能量方程實(shí)驗等多個(gè)教學(xué)實(shí)驗中，這些實(shí)驗的實(shí)驗目的均包括對動(dòng)能與勢能之間能量轉換特性的觀(guān)察學(xué)習以及對測壓排的排氣調平、運用體積法量測流量等技能的掌握。多次重復技巧性不強的動(dòng)手練習，對于實(shí)驗學(xué)時(shí)少的流體力學(xué)課程而言是種浪費，解決方法是：學(xué)生在量測型實(shí)驗中最多選擇一個(gè)此類(lèi)相關(guān)實(shí)驗進(jìn)行操作，同時(shí)結合課堂理論知識，在課后要求學(xué)生自行組成小組，根據教師提供的方程應用案例（見(jiàn)表1），利用生活中的日常用品動(dòng)手做實(shí)驗以驗證伯努利方程，并通過(guò)拍攝視頻清晰展示實(shí)驗過(guò)程，將原理闡述清楚。

表1 驗證伯努利方程的課外實(shí)驗
課外實(shí)驗的優(yōu)勢在于，學(xué)生可以自己動(dòng)手設計實(shí)驗，裝置簡(jiǎn)單易做，不需要集中時(shí)間進(jìn)行，若實(shí)驗失敗或效果不佳，學(xué)生可咨詢(xún)教師進(jìn)行重復操作，這樣明顯比在實(shí)驗室中進(jìn)行實(shí)驗更能提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，反復實(shí)驗也強化了學(xué)生的知識體系，促使學(xué)生將理論知識運用于實(shí)踐。
2.2貫徹啟發(fā)式實(shí)驗教學(xué)法
演示型實(shí)驗的特點(diǎn)是，每種實(shí)驗儀器個(gè)數少，不具備每位學(xué)生對所有實(shí)驗都進(jìn)行量測和動(dòng)手操作的條件，且其屬于綜合型設備，一個(gè)實(shí)驗蘊含多種重要原理，單純依靠教師講解容易流于表面。建議采用啟發(fā)式教學(xué)模式，改變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習的習慣，要求每個(gè)實(shí)驗小組依據實(shí)驗目的研究實(shí)驗裝置的實(shí)驗原理及裝置特點(diǎn)^[4]。在開(kāi)放型實(shí)驗室中，學(xué)生可向教師預約，在實(shí)驗室反復進(jìn)行實(shí)驗操作及探討交流，隨后在正式的實(shí)驗課上總結自己的實(shí)驗收獲。流體力學(xué)演示型實(shí)驗中比較典型的用于啟發(fā)式教學(xué)的實(shí)驗裝置包括虹吸管實(shí)驗（重點(diǎn)是如何實(shí)現虹吸管內負壓的形成、如何進(jìn)行不同型式的測壓排的負壓值測量）、水擊實(shí)驗（重點(diǎn)是如何形成間接水擊、如何實(shí)現水擊壓強的揚水）、流動(dòng)現象演示儀的操作實(shí)驗（可至少分為三個(gè)實(shí)驗小組進(jìn)行，如流量計及閥門(mén)種類(lèi)對比組、局部損失大小對比組、繞流運動(dòng)形狀阻力大小對比組等）。
在量測型實(shí)驗中，同樣可有效進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。如流體靜力學(xué)實(shí)驗測負壓時(shí)，有一組實(shí)驗明確要求實(shí)現容器中某點(diǎn)為負壓。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的理論應用，但或許是儀器的復雜型式擾亂了學(xué)生的“正常思維"，不少學(xué)生選擇從容器底部持續放水，意圖使容器內液面降至該點(diǎn)以下，使該處形成負壓，可是在放水的過(guò)程中，學(xué)生很快發(fā)現這種做法不合理，從而求助于老師。這時(shí)可建議學(xué)生自繪加裝簡(jiǎn)單測壓管的密閉盛水容器，反問(wèn)學(xué)生測壓管中液位在何處時(shí)該點(diǎn)為負壓。不用更多地解釋?zhuān)踔吝€在繪制過(guò)程中，學(xué)生已恍然大悟。
課堂所學(xué)理論知識掌握得好，不一定實(shí)踐應用得好。對有的學(xué)生來(lái)說(shuō)，二者之間似乎隔著(zhù)“一座山"，但其實(shí)只隔著(zhù)“一層膜"。啟發(fā)式實(shí)驗教學(xué)就是挑破這層膜，引導學(xué)生從被動(dòng)接受轉為獨立思考和分析知識，同時(shí)這也是自我鞏固和更新知識的過(guò)程。
3、實(shí)驗教學(xué)資源的有效利用與合理配置
流體力學(xué)實(shí)驗設備輕便、細小，塑料軟管易老化、玻璃制品易破碎、水泵易燒壞，導致其總體使用年限較短。一旦需要更換或報廢，實(shí)驗室會(huì )考慮留下部分未損壞材料或簡(jiǎn)易設備以備用，如測壓管、可拆卸密閉容器、管道及閥門(mén)等，可用于再組裝或改裝利用，為創(chuàng )新和開(kāi)放實(shí)驗提供素材。
實(shí)驗室根據實(shí)驗操作和處理數據的需要，配備了幕布、投影儀、電腦及數據處理軟件。當因實(shí)驗儀器意外故障等原因導致學(xué)生實(shí)驗計劃被打亂時(shí)，允許學(xué)生另找實(shí)驗項目代替。此時(shí)學(xué)生若不熟悉實(shí)驗設備、無(wú)法及時(shí)抓住實(shí)驗重點(diǎn)，會(huì )造成實(shí)驗進(jìn)程的延緩。利用投影儀不間斷播放實(shí)驗課件或顯示虛擬仿真實(shí)驗平臺的操作流程，可使學(xué)生快速領(lǐng)會(huì )各實(shí)驗項目的實(shí)驗目的，抓住重點(diǎn)，盡快投入到實(shí)驗中。以往學(xué)生在實(shí)驗課后處理實(shí)驗數據、完成實(shí)驗報告，發(fā)現數據不合理或結論錯誤時(shí)已為時(shí)已晚，甚至可能為確保實(shí)驗報告的正確率，抄襲或偽造數據?，F在實(shí)驗教師要求每組學(xué)生在實(shí)驗室將記錄的實(shí)驗數據輸入電腦，利用相應的數據處理軟件完成計算，獲得最終的計算結果或規律圖，待教師檢查結論正確后方算結束實(shí)驗，如出現實(shí)驗誤差太大或實(shí)驗規律錯誤的問(wèn)題則要求重做。利用軟件處理數據旨在節省學(xué)生的數據計算時(shí)間（大多是簡(jiǎn)單重復的加減乘除），教師經(jīng)過(guò)檢查可告知學(xué)生問(wèn)題所在，正確引導學(xué)生完成實(shí)驗。
多媒體課件和虛擬仿真實(shí)驗平臺的應用促使實(shí)驗教學(xué)手段靈活多樣，對開(kāi)放實(shí)驗也起到一定的啟發(fā)作用。合理配置并開(kāi)放共享流體力學(xué)實(shí)驗教學(xué)資源，能夠有效提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量，幫助學(xué)生迅速掌握實(shí)驗目的和實(shí)驗規律，同時(shí)推動(dòng)流體力學(xué)實(shí)驗室的建設與管理。
4、實(shí)驗教學(xué)內容的優(yōu)化改革
得益于實(shí)驗教學(xué)模式的多元化以及實(shí)驗教學(xué)資源的有效利用，可對流體力學(xué)實(shí)驗教學(xué)內容進(jìn)行整合、優(yōu)化，增加綜合性、創(chuàng )新性實(shí)驗內容，建立新的實(shí)驗教學(xué)體系。新型實(shí)驗教學(xué)體系主要由以下四大實(shí)驗項目組成：
（1）基本量測型實(shí)驗。精簡(jiǎn)傳統實(shí)驗項目，減少簡(jiǎn)單重復的驗證性實(shí)驗，目的是通過(guò)基礎的實(shí)驗操作使學(xué)生掌握實(shí)驗方法和操作方法。對象為所有學(xué)生。
（2）創(chuàng )新設計型實(shí)驗。如針對某個(gè)知識點(diǎn)的課外延伸實(shí)驗，學(xué)生可根據教師提供的思路或建議自行設計，或自行選擇實(shí)驗器材組裝或改裝實(shí)驗裝置，不要求*創(chuàng )新，目的是鼓勵學(xué)生自主設計、獨立思考及創(chuàng )新，訓練學(xué)生靈活運用知識的能力及動(dòng)手能力。分小組進(jìn)行，每組至少設計一個(gè)實(shí)驗。對象為所有學(xué)生。
（3）綜合應用型實(shí)驗。主要針對演示型實(shí)驗，學(xué)生不僅要在實(shí)驗課上操作演示型實(shí)驗裝置、介紹實(shí)驗原理和結論，還要結合該原理自制簡(jiǎn)易模型、模擬相關(guān)工程現象，展現該原理的實(shí)際應用。實(shí)驗目的是延伸學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識，讓理論更貼近實(shí)踐。對象為不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，如土木專(zhuān)業(yè)的學(xué)生利用有色煙氣觀(guān)察繞流運動(dòng)。
（4）預約開(kāi)放型實(shí)驗。以學(xué)生為主體，不限定實(shí)驗內容，可與上述三項實(shí)驗相結合，甚至與課外競賽活動(dòng)、科研項目相結合，確保實(shí)驗的*開(kāi)放。
實(shí)驗成果的提交有多種選擇，但注意內容不要重復。預約開(kāi)放型實(shí)驗不作特定要求，建議實(shí)行加分制。對象為有興趣的學(xué)生。
5、結語(yǔ)
隨著(zhù)實(shí)驗教學(xué)理念的變革，采用創(chuàng )新、開(kāi)放的實(shí)驗教學(xué)模式已成為當前實(shí)驗教學(xué)改革的潮流之一。中南大學(xué)土木工程學(xué)院流體力學(xué)團隊依據課程實(shí)驗目標，在實(shí)驗教學(xué)手段和教學(xué)內容方面積極探索和改革，建立并逐步完善新的實(shí)驗教學(xué)體系，使傳統式實(shí)驗和開(kāi)放式實(shí)驗并重，在培養學(xué)生創(chuàng )新能力、團隊合作能力方面取得了一定的成效，也進(jìn)一步提高了新工科人才培養質(zhì)量。