以培养安全工程专业应用型人才为目标的工程流体力学实验教学改革探析与实践

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　　 摘  要：工程流体力学实验教学效果直接影响安全工程专业人才培养目标的实现。为提高实验教学效果，作者调研了部分煤炭院校工程流体力学实验教学现状，得出了工程流体力学传统实验教学中存在以验证式或演示式为主、实验考试制度不完善、实验设备配备不合理、实验教材过于简单、实验项目未真正实现与专业知识衔接的弊端，并提出了有针对性的改革措施，为培养安全工程专业应用型人才为目标的高校类似课程的教学改革提供参考。
　　关键词：安全工程;工程流体力学;实验教学;应用型人才;教学改革
　　中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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
　　 貴州理工学院是2012年3月教育部批准筹建，2013年4月18日教育部正式批准设立的全日制公办理工类省属普通本科院校[1]。学校本着“高起点、开放式”的办学理念和“立足贵州、辐射全国”的服务面向定位，自成立始即坚持以学生学习成效为导向的工程教育模式，注重学生创新创业素养和工程实践能力的培养，为社会培养“强责任、精技术、善管理、重实践、求创新”的高素质应用型人才。工程流体力学是安全工程专业一门十分重要的专业基础必修课程，是研究流体的机械运动规律及其在工程中应用的一门学科，也与安全专业各专业课程有着密切的联系，其教学质量直接影响安全工程专业人才培养目标的实现。同时，目前工程流体力学也是一门发展中的学科，实验研究是目前工程流体力学三大研究方法之一[2-4]，实验教学在运用工程流体力学理论知识解决工程问题中具有承前启后的作用，二百多年来在流体力学发展史上所取得任何一项重大进展都离不开实验。
　　随着高校教育改革深入，实验教学越来越受到重视，尤其以“强责任、精技术、善管理、重实践、求创新”为人才培养目标的贵州理工学院更是将实验教学为抓手。通过实验教学，不仅能起到巩固理论知识，加深学生记忆的作用，而且能提高学生动手能力;同时通过数据处理过程，使学生提前接触科研氛围，培养自身学习兴趣。为提高我校安全工程专业工程流体力学实验教学质量，适应新时代人才培养要求，我校安全教研室老师对部分煤炭院校安全工程专业流体力学实验教学现状进行了调研。根据调研反馈，目前西部部分高校工程流体力学实验教学大多仍采用传统的验证式和演示式教学方法，学生在实验教师安排下观察实验现象，采集数据，学生实验成绩评定由老师根据学生出勤，实验报告撰写等情况综合给定，整个实验过程全程是学生对老师演示实验的简单重复，体现不出实验教学的作用，与实验教学目的和社会对人才需求相比，还有一定的差距。
　　一、工程流体力学传统实验教学中存在的弊端
　　进入新世纪以来，随着人们对流体运动的认识进一步深入，工程应用中测量手段不断革新，特别是计算机技术飞速发展及其在工程流体力学中得到广泛的应用，使得目前对流体研究手段多样化，对流体运动的分析处理能力也是达到前所未有的高度。因此，对于提倡高素质应用型人才培养目标的高校，若仍沿袭传统的验证式和演示式教学模式，势必存在如下弊端。
　　（一）验证与演示式实验教学模式限制了学生创造力的发挥
　　传统的验证与演示式实验教学模式主要是为了配合工程流体力学理论教学而开设的，是工程流体力学理论课程的辅助性教学，开设的实验项目仅限于验证和演示经典流体流动现象，如毕托管测流速实验、文丘里管测流量实验，沿程阻力测定实验、局部阻力测定实验、雷诺实验等。这些传统实验散布于理论教学各个章节中，相互独立。学生只是被动按照实验教师和实验指导书按部就班地完成实验，并且在做实验之前理论教学中已经学习和熟悉了实验内容及实验结果，这势必在一定程度上抑制学生做实验的兴趣和求异思维能力的发挥，且相互独立的实验内容缺乏综合能力的培养，更体现不出目前科学知识的发展变化。 　　（二）传统的实验考试制度难以全面评价学生真实表现
　　目前大部分高校的实验课考试形式，主要由实验老师根据学生提交的实验报告并结合实验过程上学生的表现给出一个综合成绩，但由于学生做实验时通常是分组进行，且实验时间集中，除个别较熟悉的学生以外，大部分学生表现主要还是参考实验报告质量。因此，学生实验成绩归根结底是根据其实验报告的质量来评定。这样导致的结果是学生只要能完成实验报告，就能得到一个较好的分数。且实验报告的成绩与学生在校期间的奖学金、三好学生等的评定挂勾，导致学生更看重实验成绩，而忽视实验本身，甚至有些学生人为更改实验数据、抄袭实验报告，难以保证实验教学质量。
　　（三）实验设备配备不合理限制了学生的动手能力
　　长期以来，由于实验教学从属于理论教学的指导思想，严重制约了实验室的建设投入，导致实验设备陈旧、数量不足，技术含量低，效率低下，学生自己真正动手做实验的机会不多。近年来，大部分高校更换了一批较为先进的流体力学实验设备，由于其一体化和自动化程度较高，日渐呈现“傻瓜式”的数据记录和处理过程，学生实验过程中只需简单操作几步即可完成，实验过程上忽视实验原理和测量手段运用，造成学生动手能力差，达不到应有的实验教学效果。同时，学生实验过程中也不直接接触到很多测量设备，比如说测速、流量等仪器等，以致于大部分学生做完实验后，基本还是不会应用这些设备，更不清楚其测量原理。
　　（四）实验教材过于简单难以指导学生完成实验过程
　　一些高校由于各种原因，未配备较详细的流体力学实验教材，甚至仅由理论课老师提供实验指导书。有些高校流体力学实验室由学校统一管理，各专业流体力学实验都在一个实验室做，实验项目基本相同，实验指导书大同小异。由于目前各出版社出版的流体力学实验教材或由各高校提供的实验指导书仅涉及介绍实验设备及原理，总体过于简单，难以有效地指导实验数据过程和实验结果分析。
　　（五）实验项目开发未真正实现与安全工程专业知识的衔接
　　安全工程专业是理、工、文、法、管、医等学科的新兴、综合、交叉学科。开办安全工程专业的高等院校的类型很多，除安全工程领域外，还涉及矿业、土木、交通、能源、军工、化工、石油、環境、经济等多个领域，也是上述各个领域安全工程专业的基础课。然而，在各个高校传统流体力学教学过程中普遍仅注重流体流动规律的分析总结，而未在教学过程中真正实现与安全工程专业知识的衔接，相当于割断了流体力学与安全工程专业的连接，难以在教学过程上体现各个领域安全工程专业流体力学的教学特色，导致在专业课教学过程中学生和任课老师需要花大精力重新进行流体力学与专业课关系修补。
　　二、工程流体力学实验教学改革方式
　　通过以上分析，传统流体力学实验教学中存在着诸多不利于素质教育的弊端。因此，必须针对这些弊端，采取相应改革措施，才能保证工程流体力学实验教学目标的实现。
　　（一）以培养学生的动手和自主探索能力设计实验项目
　　为改变传统上以验证与演示式为主的实验形式，可根据高校各自学生知识结构特点和实验室配备情况，将传统的工程流体力学实验作为必修实验。在此基础上增加设计型、研究型、观察思考型和综合型实验项目作为个性化的选修实验，选修实验项目允许学生根据理论课学到的实验原理自主设计实验方案。比如对于安全工程专业，可将毕托管测流速、文丘里管测流量、雷诺实验、管嘴出流等作为必修实验，而将流体流动动量方程实验、流体流动阻力测定实验等作为选修实验。在学生选做实验时，允许学生按照自己的想法设计实验内容、方案和测量手段。但为保证实验可行性和安全性，学生所提出的选修实验方案应经过实验老师的批准方可实施，同时实验指导老师要引导学生对实验现象作深入的思考，把理论知识与实际结合起来进行更深层次的分析，培养学生发现、认识和解决问题的能力。
　　（二）以多种实验考试形式相结合评定学生实验成绩
　　打破传统以实验报告质量评分的方法，选择不同的考试形式相结合的方法全面科学地评价一个学生的综合素质，使考试形式更有效全面。学校教务处或实验室管理单位应制定切实可行的考试办法，将理论考试与实验操作能力相结合、考核学生与考核实验教师相结合，通过考核学生发现教学中的“盲区”，改进教学方法和手段。同时，理论课考试应以突出学生应掌握的原理知识和操作理论为中心，采取不同的题型全面考核学生的掌握程度。最后，学生的综合成绩中实验操作能力测试成绩应占比较大，大约70～80%，理论笔试成绩占比20%～30%，得出实验总成绩。
　　（三）以开放式实验代替传统的实验教学方法
　　首先改变实验室设备和器材配备不合理的现状。对于实验设备陈旧，应重点抓好设备的更新换代，保证实验教学设备满足正常教学需要。在新设备的采购方面，应避免采购一体化和自动化程度较高的实验设备，以使学生增强动手能力和团队精神。比如在雷诺实验中流量的测定，实验设备选择上不应采取流量自动计量设备，应采用传统的体积法测量。采用的仪器主要是量杯和秒表，在统一开始和结束时间分别由两名学生统计量杯的体积和累计时间，两人相互配合，共同完成实验。
　　其次要加大实验室的投入，建立开放实验室[5]，并打破传统上学生集中做实验的教学方法，对学生实验实行目标管理。结合理论课的学习进度，对学生做实验的时间实行弹性限制和预约管理，学生可以在开放时间段内按照预约时间来做实验。这样对学生来说，可以创造一个自主的实验条件，调动其积极性，且能适应不同能力的学生要求。同时学生为保证实验成功率，也会分组积极讨论方案、查找文献、咨询老师，培养学生科研能力和实事求是的科研态度，激发学生探索精神。
　　（四）以全面系统的实验教材为突破口培养学生思维能力和创造能力
　　近年来，各个高校“工程流体力学”课程课时不断压缩，教学内容也不断减少，个别高校甚至将流体力学中的物理背景、力学建模及其求解过程都删除了，以致于学生在学习过程只掌握了现成公式，学生在学习过程中也是一头雾水，也不会具体应用教材中的原理和公式。为弥补这方面的缺陷，各个高校编制的实验教材应将实验过程中相关的物理背景、力学建模及其求解过程都收录进来，提高实验教材的趣味性和科普性。另外，针对传统实验教材仅注重实验设备及原理方面的不足，增加对实验现象的分析和实验结果的总结，同时布置一些思考题，引导学生自主设计实验方案，有利于学生思维能力和创造能力的培养。
　　（五）以专业知识型实验启发学生开展技术革新
　　在安全工程领域中，大部分危险设备中的介质都是流体，包括液体和气体，比如说燃气管道中的天然气、石油输送管道中的石油等，不同流体的流动规律不尽相同。工程流体力学实验教学中不仅要求学习本专业领域相关流体的流动规律，更重要的是运用这些规律开展专业技术革新。比如说，对于煤矿安全，通风是一切安全的根本前提，在工程流体力学实验项目开发上应突出通风阻力测定和风速、风压测量等专业知识型教学实验平台，并及时将高校的科研成果引进实验教学中，丰富实验教学内容。同时将计算机数值模拟引入实验教学中，激发学生的学习热情和创新思维，开阔学生眼界。
　　三、结束语
　　1. 实验研究在工程流体力学研究史上占有极其重要的地位，工程流体力学实验教学具有巩固理论知识，培养学生学习的作用。
　　2. 传统工程流体力学的实验教堂中，存在以验证式或演示式为主、实验考试制度不完善、实验设备配备不合理、实验教材过于简单、实验项目未真正实现与专业知识衔接的弊端。
　　3. 针对工程流体力学传统实验教学中存在的弊端，必须采取切实有效的措施，改革目前实验教学方式，才能确保人才培养目标的实现。
　　参考文献：
　　[1]冯军发，李海军，金志远，等.突显矿业工程特色的流体力学课程案例式教学改革与实践[J].高教学刊，2018（13）：136-138.
　　[2]龙天渝，蔡增基.流体力学（第2版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
　　[3]刘鹤年，刘京.流体力学（第3版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.
　　[4]孔珑.工程流体力学（第4版）[M].北京：中国电力出版社，2014.
　　[5]祝会兵，戴文琰，李建.工程流体力学实验教学的改革与创新[J].宁波大学学报（教育科学版），2008，30（2）：107-109.
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