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淺談流體力學(xué)實驗教學(xué)探討
論文關(guān)鍵詞 流體力學(xué) 實驗教學(xué) 創(chuàng)新意識
論文摘 要 實驗是研究科學(xué)技術(shù)的重要手段，是流體力學(xué)教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)。在理論聯(lián)系實際、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、鍛煉觀察與分析能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識等方面探討實驗教學(xué)所起的重要作用。
流體力學(xué)是力學(xué)的一個獨立分支，它是研究流體的平衡和流體的運動規(guī)律及其在工程實際中應(yīng)用的一門學(xué)科。在人們的生產(chǎn)和生活中隨時隨地都可遇到流體，所以流體力學(xué)與人類的日常生活和生產(chǎn)活動密切相關(guān)，是航空航天、工程、采礦冶金、給水排水、空調(diào)通風(fēng)、土木以及保護等學(xué)科重要的理論基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍十分廣泛。
實驗方法是研究科學(xué)技術(shù)的重要手段，由于流體運動的復(fù)雜性，使得流體力學(xué)離不開科學(xué)實驗�，F(xiàn)代流體力學(xué)就是在純理論的古典流體力學(xué)與偏重實驗的古典流體力學(xué)結(jié)合后才蓬勃發(fā)展起來的，理論分析、實驗研究和數(shù)值計算是其三大支柱。因此，實驗教學(xué)是流體力學(xué)課程必不可少的重要環(huán)節(jié)之一。通過實驗教學(xué)，可以達到如下目的。
1 增強感性認(rèn)識，鞏固理論知識
流體力學(xué)由于其理論的抽象、較多公式的繁雜，學(xué)起來普遍會感到比較吃力，時間一長就會逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣，只滿足于死記硬背課本上的理論，不善于思考推究，其主觀能動性得不到應(yīng)有的發(fā)揮。而實驗卻可以較好地解決這一問題，通過實驗，可以把抽象的理論知識轉(zhuǎn)化為具體的、可見的液流現(xiàn)象，從而增強感性認(rèn)識，在幫助理解流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論方面起到事半功倍的效果。
如雷諾實驗，該實驗的目的是觀察層流、紊流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換特征；測定臨界雷諾數(shù)，掌握流態(tài)判別準(zhǔn)則。實驗過程中，先通過調(diào)整閥門開度，改變有壓管中水流的流速，觀察液流的流態(tài)轉(zhuǎn)化，可以看到：管中水流流速較小時，顏色水是一條清晰的規(guī)則的直線，說明此時水流是分層流動，各流層間互不摻混，流態(tài)為層流；隨著閥門逐漸開大，流速逐漸增加，管中顏色水開始出現(xiàn)擺動，由原來的直線變?yōu)榍�；繼續(xù)增大流速，顏色水彎曲越來越厲害，終于不再保持一個線條，而是向四周擴散，與周圍的清水混到一起，使整個管中的水流全部著色，表明此時液體質(zhì)點的運動軌跡是極不規(guī)則的，各部分流體互相劇烈摻混，該流態(tài)為紊流。學(xué)生通過觀察這一具體的、有趣的液流現(xiàn)象，極大地增強對粘性液體流動的感性認(rèn)識，深刻解層流和紊流的本質(zhì)特征；并且實驗過程中還要求測定臨界雷諾數(shù)，理解為什么把臨界雷諾數(shù)作為流態(tài)判別準(zhǔn)則。
2 觀察液流現(xiàn)象，培養(yǎng)分析能力
流體力學(xué)實驗的一個非常重要的目的是，在觀察液流現(xiàn)象，獲得感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，還要思考實驗中出現(xiàn)的各種問題，分析并流體的運動規(guī)律，由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，不僅可極大地提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，而且可以培養(yǎng)其獨立的工作能力和實事求是的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。
如流動現(xiàn)象演示實驗可以觀察管流、射流、明渠流的多種流動現(xiàn)象，演示邊界條件對水頭損失的影響。在逐漸擴大段可看到邊界層分離而形成的漩渦，而在逐漸收縮段，主流和邊壁沒有分離，沒有形成漩渦——說明逐漸擴大段的局部水頭損失大于逐漸收縮段。在突擴段出現(xiàn)較大的漩渦，突縮段在收縮斷面后出現(xiàn)較小的漩渦區(qū)，可見突擴比突縮有較大的局部損失，而且突擴、突縮比漸擴和漸縮漩渦區(qū)長，水頭損失大。這也就是為什么工程中多采用圓弧形管嘴或喇叭形取水口而較少采用直角銳緣形管嘴的原因。
3 理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)探索能力
傳統(tǒng)的理論教學(xué)，教師往往向?qū)W生灌輸大量的理論知識，學(xué)生處于被動接受的地位，理論與實際脫節(jié)的結(jié)果是抑制學(xué)生主動性和創(chuàng)造性的發(fā)揮，而要在這一方面有所改進，實驗教學(xué)是一個非常好的手段。
如單圓柱繞流實驗可以看到邊界層分離狀況、分離點位置以及卡門渦街的產(chǎn)生與發(fā)展過程�？ㄩT渦街在工程實際中有很重要的意義。實驗中要求學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象，理論聯(lián)系實際，分析為什么風(fēng)吹電線，電線會發(fā)出共鳴？解決繞流體的振動問題有哪些途徑？
而多圓柱繞流實驗可看到流體混合、擴散、組合旋渦等流譜。多圓柱繞流廣泛應(yīng)用于傳熱系統(tǒng)的熱交換器中：流體流經(jīng)圓柱時，邊界層內(nèi)的流體與柱體發(fā)生熱交換，柱體后的旋渦起摻混作用，然后流經(jīng)下一柱體，再交換，再摻混，換熱效果較好。
由此可見，將實驗現(xiàn)象與工程實踐和生活實際聯(lián)系起來，可有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生對實驗的主動思維和積極探索，在一定程度上培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和實踐能力。
4 設(shè)計實驗方案，培養(yǎng)創(chuàng)新能力
實驗是流體力學(xué)教學(xué)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，它不僅有助于強化理解書本上抽象、艱澀的理論知識，而且在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面起著舉足輕重的作用。
流體力學(xué)實驗內(nèi)容分為演示型和驗證型兩部分，其中以驗證型實驗為主。這些實驗方法單一，學(xué)生只要按照實驗書上的實驗步驟一步一步地做下去，測量幾個實驗數(shù)據(jù)，進行簡單的數(shù)據(jù)分析，就可形成一篇完整的實驗報告。這種實驗過程，學(xué)生只是在被動參與，其主觀性和積極性沒有得到發(fā)揮，更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，在實驗教學(xué)中有必要在演示型和驗證型實驗的基礎(chǔ)上，有意識地增加幾個綜合性和設(shè)計性實驗。
采用流體力學(xué)綜合試驗臺，各管段采用絲扣連接，便于對不同材質(zhì)管段進行替換，管線可以自由選擇連接，在研究新型管材及其連接件時，可直接組合安裝在管道上進行測量。如能量方程實驗管段，其上既有測速管，又有測壓管；既可測定斷面平均流速，又可利用二者組成畢托管，測量管道中某點流速，還可利用測壓管測定流動阻力。實驗時，學(xué)生根據(jù)教師給定的實驗?zāi)康暮鸵螅殚唽嶒炠Y料，設(shè)計實驗方案，選擇不同的管材和管段，有計劃、有步驟地進行組合安裝，記錄完整的實驗數(shù)據(jù)，進行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析，最后形成一份詳實的實驗報告。這種綜合性、設(shè)計性實驗，學(xué)生完成從設(shè)計、操作到分析的一個完整過程，可將所學(xué)的理論知識融會貫通，極大地鍛煉學(xué)生分析問題、思考問題和解決問題的能力，在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識、啟發(fā)創(chuàng)新思維、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面起到事半功倍的作用。
5 結(jié)語
流體力學(xué)是很多工科專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性和實踐性都很強，而實驗是將流體力學(xué)基本理論與工程實踐相結(jié)合的非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。一方面，在對理論知識的理解和驗證上，實驗課有著理論教學(xué)無法替代的關(guān)鍵作用；另一方面，在鍛煉學(xué)生操作能力、提高分析能力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新意識以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度上，實驗也是不可或缺的教學(xué)手段，有必要在實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實驗設(shè)備等方面進行進一步的探討研究。
參考文獻
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