以培養安全工程專業應用型人才為目標的工程流體力學實驗教學改革探析與實踐

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　　 摘  要：工程流體力學實驗教學效果直接影響安全工程專業人才培養目標的實現。為提高實驗教學效果，作者調研了部分煤炭院校工程流體力學實驗教學現狀，得出了工程流體力學傳統實驗教學中存在以驗證式或演示式為主、實驗考試制度不完善、實驗設備配備不合理、實驗教材過于簡單、實驗項目未真正實現與專業知識銜接的弊端，并提出了有針對性的改革措施，為培養安全工程專業應用型人才為目標的高校類似課程的教學改革提供參考。
　　關鍵詞：安全工程;工程流體力學;實驗教學;應用型人才;教學改革
　　中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）13-0123-03
　　 Abstract： The experimental teaching effect of Engineering Fluid Mechanics directly affects the realization of the training goal of safety engineering professionals. In order to improve the effect of experiment teaching， the author investigates the current situation of Engineering Fluid Mechanics Experiment Teaching in some coal colleges and universities， and draws a conclusion that the traditional experiment teaching of engineering fluid mechanics has some drawbacks， such as mainly verifying or demonstrating， imperfect experimental examination system， unreasonable experiment equipment， too simple experimental teaching materials and unrealistic connection of experiment items with professional knowledge. The reform measures are put forward to provide reference for the teaching reform of similar courses in colleges and universities aiming at training applied talents of safety engineering major.
　　Keywords： safety engineering; Engineering Fluid Dynamics; experimental teaching; practical personnel; reform in education
　　 貴州理工學院是2012年3月教育部批準籌建，2013年4月18日教育部正式批準設立的全日制公辦理工類省屬普通本科院校[1]。學校本著“高起點、開放式”的辦學理念和“立足貴州、輻射全國”的服務面向定位，自成立始即堅持以學生學習成效為導向的工程教育模式，注重學生創新創業素養和工程實踐能力的培養，為社會培養“強責任、精技術、善管理、重實踐、求創新”的高素質應用型人才。工程流體力學是安全工程專業一門十分重要的專業基礎必修課程，是研究流體的機械運動規律及其在工程中應用的一門學科，也與安全專業各專業課程有著密切的聯系，其教學質量直接影響安全工程專業人才培養目標的實現。同時，目前工程流體力學也是一門發展中的學科，實驗研究是目前工程流體力學三大研究方法之一[2-4]，實驗教學在運用工程流體力學理論知識解決工程問題中具有承前啟后的作用，二百多年來在流體力學發展史上所取得任何一項重大進展都離不開實驗。
　　隨著高校教育改革深入，實驗教學越來越受到重視，尤其以“強責任、精技術、善管理、重實踐、求創新”為人才培養目標的貴州理工學院更是將實驗教學為抓手。通過實驗教學，不僅能起到鞏固理論知識，加深學生記憶的作用，而且能提高學生動手能力;同時通過數據處理過程，使學生提前接觸科研氛圍，培養自身學習興趣。為提高我校安全工程專業工程流體力學實驗教學質量，適應新時代人才培養要求，我校安全教研室老師對部分煤炭院校安全工程專業流體力學實驗教學現狀進行了調研。根據調研反饋，目前西部部分高校工程流體力學實驗教學大多仍采用傳統的驗證式和演示式教學方法，學生在實驗教師安排下觀察實驗現象，采集數據，學生實驗成績評定由老師根據學生出勤，實驗報告撰寫等情況綜合給定，整個實驗過程全程是學生對老師演示實驗的簡單重復，體現不出實驗教學的作用，與實驗教學目的和社會對人才需求相比，還有一定的差距。
　　一、工程流體力學傳統實驗教學中存在的弊端
　　進入新世紀以來，隨著人們對流體運動的認識進一步深入，工程應用中測量手段不斷革新，特別是計算機技術飛速發展及其在工程流體力學中得到廣泛的應用，使得目前對流體研究手段多樣化，對流體運動的分析處理能力也是達到前所未有的高度。因此，對于提倡高素質應用型人才培養目標的高校，若仍沿襲傳統的驗證式和演示式教學模式，勢必存在如下弊端。
　?。ㄒ唬炞C與演示式實驗教學模式限制了學生創造力的發揮
　　傳統的驗證與演示式實驗教學模式主要是為了配合工程流體力學理論教學而開設的，是工程流體力學理論課程的輔助性教學，開設的實驗項目僅限于驗證和演示經典流體流動現象，如畢托管測流速實驗、文丘里管測流量實驗，沿程阻力測定實驗、局部阻力測定實驗、雷諾實驗等。這些傳統實驗散布于理論教學各個章節中，相互獨立。學生只是被動按照實驗教師和實驗指導書按部就班地完成實驗，并且在做實驗之前理論教學中已經學習和熟悉了實驗內容及實驗結果，這勢必在一定程度上抑制學生做實驗的興趣和求異思維能力的發揮，且相互獨立的實驗內容缺乏綜合能力的培養，更體現不出目前科學知識的發展變化。 　?。ǘ﹤鹘y的實驗考試制度難以全面評價學生真實表現
　　目前大部分高校的實驗課考試形式，主要由實驗老師根據學生提交的實驗報告并結合實驗過程上學生的表現給出一個綜合成績，但由于學生做實驗時通常是分組進行，且實驗時間集中，除個別較熟悉的學生以外，大部分學生表現主要還是參考實驗報告質量。因此，學生實驗成績歸根結底是根據其實驗報告的質量來評定。這樣導致的結果是學生只要能完成實驗報告，就能得到一個較好的分數。且實驗報告的成績與學生在校期間的獎學金、三好學生等的評定掛勾，導致學生更看重實驗成績，而忽視實驗本身，甚至有些學生人為更改實驗數據、抄襲實驗報告，難以保證實驗教學質量。
　?。ㄈ嶒炘O備配備不合理限制了學生的動手能力
　　長期以來，由于實驗教學從屬于理論教學的指導思想，嚴重制約了實驗室的建設投入，導致實驗設備陳舊、數量不足，技術含量低，效率低下，學生自己真正動手做實驗的機會不多。近年來，大部分高校更換了一批較為先進的流體力學實驗設備，由于其一體化和自動化程度較高，日漸呈現“傻瓜式”的數據記錄和處理過程，學生實驗過程中只需簡單操作幾步即可完成，實驗過程上忽視實驗原理和測量手段運用，造成學生動手能力差，達不到應有的實驗教學效果。同時，學生實驗過程中也不直接接觸到很多測量設備，比如說測速、流量等儀器等，以致于大部分學生做完實驗后，基本還是不會應用這些設備，更不清楚其測量原理。
　?。ㄋ模嶒灲滩倪^于簡單難以指導學生完成實驗過程
　　一些高校由于各種原因，未配備較詳細的流體力學實驗教材，甚至僅由理論課老師提供實驗指導書。有些高校流體力學實驗室由學校統一管理，各專業流體力學實驗都在一個實驗室做，實驗項目基本相同，實驗指導書大同小異。由于目前各出版社出版的流體力學實驗教材或由各高校提供的實驗指導書僅涉及介紹實驗設備及原理，總體過于簡單，難以有效地指導實驗數據過程和實驗結果分析。
　　（五）實驗項目開發未真正實現與安全工程專業知識的銜接
　　安全工程專業是理、工、文、法、管、醫等學科的新興、綜合、交叉學科。開辦安全工程專業的高等院校的類型很多，除安全工程領域外，還涉及礦業、土木、交通、能源、軍工、化工、石油、環境、經濟等多個領域，也是上述各個領域安全工程專業的基礎課。然而，在各個高校傳統流體力學教學過程中普遍僅注重流體流動規律的分析總結，而未在教學過程中真正實現與安全工程專業知識的銜接，相當于割斷了流體力學與安全工程專業的連接，難以在教學過程上體現各個領域安全工程專業流體力學的教學特色，導致在專業課教學過程中學生和任課老師需要花大精力重新進行流體力學與專業課關系修補。
　　二、工程流體力學實驗教學改革方式
　　通過以上分析，傳統流體力學實驗教學中存在著諸多不利于素質教育的弊端。因此，必須針對這些弊端，采取相應改革措施，才能保證工程流體力學實驗教學目標的實現。
　?。ㄒ唬┮耘囵B學生的動手和自主探索能力設計實驗項目
　　為改變傳統上以驗證與演示式為主的實驗形式，可根據高校各自學生知識結構特點和實驗室配備情況，將傳統的工程流體力學實驗作為必修實驗。在此基礎上增加設計型、研究型、觀察思考型和綜合型實驗項目作為個性化的選修實驗，選修實驗項目允許學生根據理論課學到的實驗原理自主設計實驗方案。比如對于安全工程專業，可將畢托管測流速、文丘里管測流量、雷諾實驗、管嘴出流等作為必修實驗，而將流體流動動量方程實驗、流體流動阻力測定實驗等作為選修實驗。在學生選做實驗時，允許學生按照自己的想法設計實驗內容、方案和測量手段。但為保證實驗可行性和安全性，學生所提出的選修實驗方案應經過實驗老師的批準方可實施，同時實驗指導老師要引導學生對實驗現象作深入的思考，把理論知識與實際結合起來進行更深層次的分析，培養學生發現、認識和解決問題的能力。
　?。ǘ┮远喾N實驗考試形式相結合評定學生實驗成績
　　打破傳統以實驗報告質量評分的方法，選擇不同的考試形式相結合的方法全面科學地評價一個學生的綜合素質，使考試形式更有效全面。學校教務處或實驗室管理單位應制定切實可行的考試辦法，將理論考試與實驗操作能力相結合、考核學生與考核實驗教師相結合，通過考核學生發現教學中的“盲區”，改進教學方法和手段。同時，理論課考試應以突出學生應掌握的原理知識和操作理論為中心，采取不同的題型全面考核學生的掌握程度。最后，學生的綜合成績中實驗操作能力測試成績應占比較大，大約70～80%，理論筆試成績占比20%～30%，得出實驗總成績。
　?。ㄈ┮蚤_放式實驗代替傳統的實驗教學方法
　　首先改變實驗室設備和器材配備不合理的現狀。對于實驗設備陳舊，應重點抓好設備的更新換代，保證實驗教學設備滿足正常教學需要。在新設備的采購方面，應避免采購一體化和自動化程度較高的實驗設備，以使學生增強動手能力和團隊精神。比如在雷諾實驗中流量的測定，實驗設備選擇上不應采取流量自動計量設備，應采用傳統的體積法測量。采用的儀器主要是量杯和秒表，在統一開始和結束時間分別由兩名學生統計量杯的體積和累計時間，兩人相互配合，共同完成實驗。
　　其次要加大實驗室的投入，建立開放實驗室[5]，并打破傳統上學生集中做實驗的教學方法，對學生實驗實行目標管理。結合理論課的學習進度，對學生做實驗的時間實行彈性限制和預約管理，學生可以在開放時間段內按照預約時間來做實驗。這樣對學生來說，可以創造一個自主的實驗條件，調動其積極性，且能適應不同能力的學生要求。同時學生為保證實驗成功率，也會分組積極討論方案、查找文獻、咨詢老師，培養學生科研能力和實事求是的科研態度，激發學生探索精神。
　　（四）以全面系統的實驗教材為突破口培養學生思維能力和創造能力
　　近年來，各個高校“工程流體力學”課程課時不斷壓縮，教學內容也不斷減少，個別高校甚至將流體力學中的物理背景、力學建模及其求解過程都刪除了，以致于學生在學習過程只掌握了現成公式，學生在學習過程中也是一頭霧水，也不會具體應用教材中的原理和公式。為彌補這方面的缺陷，各個高校編制的實驗教材應將實驗過程中相關的物理背景、力學建模及其求解過程都收錄進來，提高實驗教材的趣味性和科普性。另外，針對傳統實驗教材僅注重實驗設備及原理方面的不足，增加對實驗現象的分析和實驗結果的總結，同時布置一些思考題，引導學生自主設計實驗方案，有利于學生思維能力和創造能力的培養。
　?。ㄎ澹┮詫I知識型實驗啟發學生開展技術革新
　　在安全工程領域中，大部分危險設備中的介質都是流體，包括液體和氣體，比如說燃氣管道中的天然氣、石油輸送管道中的石油等，不同流體的流動規律不盡相同。工程流體力學實驗教學中不僅要求學習本專業領域相關流體的流動規律，更重要的是運用這些規律開展專業技術革新。比如說，對于煤礦安全，通風是一切安全的根本前提，在工程流體力學實驗項目開發上應突出通風阻力測定和風速、風壓測量等專業知識型教學實驗平臺，并及時將高校的科研成果引進實驗教學中，豐富實驗教學內容。同時將計算機數值模擬引入實驗教學中，激發學生的學習熱情和創新思維，開闊學生眼界。
　　三、結束語
　　1. 實驗研究在工程流體力學研究史上占有極其重要的地位，工程流體力學實驗教學具有鞏固理論知識，培養學生學習的作用。
　　2. 傳統工程流體力學的實驗教堂中，存在以驗證式或演示式為主、實驗考試制度不完善、實驗設備配備不合理、實驗教材過于簡單、實驗項目未真正實現與專業知識銜接的弊端。
　　3. 針對工程流體力學傳統實驗教學中存在的弊端，必須采取切實有效的措施，改革目前實驗教學方式，才能確保人才培養目標的實現。
　　參考文獻：
　　[1]馮軍發，李海軍，金志遠，等.突顯礦業工程特色的流體力學課程案例式教學改革與實踐[J].高教學刊，2018（13）：136-138.
　　[2]龍天渝，蔡增基.流體力學（第2版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.
　　[3]劉鶴年，劉京.流體力學（第3版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.
　　[4]孔瓏.工程流體力學（第4版）[M].北京：中國電力出版社，2014.
　　[5]祝會兵，戴文琰，李建.工程流體力學實驗教學的改革與創新[J].寧波大學學報（教育科學版），2008，30（2）：107-109.
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