1. 前言
流体力学是研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间的相互作用规律的科学，该课程是机械，能源、环境、化工、水利水电等专业必修的一门重要专业基础课。流体力学实验不仅是促进流体力学学科发展的重要研究手段，其在流体力学课程教学体系中也占有重要位置。通过实验，可以使学生更好地理解流体力学现象，掌握液柱式测压计、文丘里流量计、皮托管等常用技术装置的原理和使用，加深对连续性方程、伯努利方程、动量方程等基本原理的认识及运用，从而对课堂的理论教学起到十分重要的补充作用。我校是一所以汽车相关专业见长的二本工科院校，机械类专业学生是《工程流体力学》课程的主要授课对象，而机械类专业的人才培养方案设置《工程流体力学》课时普遍较少，实验学时更少，如何在较短的学时内，使学生既掌握基本的理论知识，又能应用这些知识解决专业相关问题，对任课教师来说是一项重大的挑战。
国内从事流体力学教学工作的老师在流体力学课程改革和实验教学研究方面进行了大量有益的探索。内蒙古科技大学能源与环境学院陈俊俊[1]等分析了当前流体力学实验教学存在的问题，从优化实验教学内容、教学手段与方法等方面探讨提高实验教学效果的措施。太原科技大学樊艳红[2]等通过改革实验教学内容与方法，在流体力学课程中引入基于 FLUENT 的创新实验，从而提高学生的学习积极性和主动性。华侨大学辛晓东[3]等利用虚拟仿真实验技术取代传统的现实实验，为流体力学实验课程建设及发展提供一种新思路。上海理工大学张慧晨[4]提出构建一种以演示型、验证型实验为基础，以综合型实验为提升，以工程型实验为校验，以创新设计型实验为目标的阶梯型实验教学模式，而且通过实践证明该模式能有效提高学生的动手实践能力及创新能力。我校工程流体力学课程组在充分调研国内高校工程流体力学课程建设的情况下结合我校实际情况在《工程流体力学》课程实验教学组织和形式创新方面也进行了一些探索和尝试。
2. 当前工程流体力学实验教学现状
我校《工程流体力学》课程先后采用过浙江大学水利实验室开发的实验装置、英国Armfield C15-10 风洞以及北京某公司与国内高校合作开发的在线虚拟仿真实验系统（以下简称在线虚拟仿真实验系统），三个不同的实验装置（系统）各有各自的特点，下表1为机械类专业通常开设的流体力学实验项目以及上述的实验装置（系统）分别能够开设的实验项目。
表 1 实验装置（系统）分别能够开设的实验项目
在实际的实验教学过程中，这三套实验装置（系统）也分别有各自的特点。
英国的Armfield C15-10风洞实验装置（如下图1所示）除了上表中的实验以外，还能够开展①圆柱绕流实验；②钝体和流线体的流动阻力实验；③不同攻角对称翼型的流动和压力分布实验；④不同攻角对称翼型的升、阻力实验；⑤层流和湍流边界层发展实验，但这套装置更加偏重空气动力学方面的实验，针对性比较强，更适用于车辆工程车身或者赛车方向的实验教学，能够开展的机械类专业传统流体力学实验项目较少。
图 1英国Armfield C15-10风洞实验装置简图
①支架 ②蜂窝式整流器 ③收缩段 ④空速管 ⑤电子压力传感器 ⑥流态显示装置安装孔 ⑦圆形开口 ⑧尾流耙安装口 ⑨扩压段 ⑩风扇 ⑪Armfield® IFD7电气控制 ⑫倾斜式微压计 ⑬微压计水箱浮筒组 ⑭接口盒 ⑮透明工作舱段
在线虚拟仿真实验系统能够开展的实验项目比较全面，实验操作也比较简便，对实验操作过程有一定的弱化，比如测量装置复位调零、液柱高度测量等操作都被简化掉了，该系统更加重视实验数据的分析和处理过程，通过对实验数据的整理分析的过程加强学生对流体力学基本原理的理解和认识，最大的优点是只要能够接入网络学生可以随时随地进行实验，不受实验场地、实验设备、实验时间的限制，这个优点在2020年上半年新型冠状病毒肺炎疫情期间表现的尤为显著，学生由于疫情无法返校，理论教学全部改为线上授课，而在线虚拟仿真实验系统就是唯一可以采用的实验手段，通过开展线上实验，弥补了理论课程在线授课的不足，强化了学生对工程流体力学基本概念和基本原理的掌握，也从一定程度上提高了学生的自学能力及协调、管理能力。
浙江大学水利实验室开发的工程流体力学实验装置在国内众多高校中得到了比较广泛的采用，这套实验装置优缺点都很突出，该实验装置是完全面向工程流体力学课程开发，全面涵盖了工程流体力学理论课程涉及到的实验项目，针对性很强，能够对学生的实验装置操作、实验原理掌握、实验数据处理和分析的整个环节进行比较全面的训练。但是仍然存在设备成本高、占地面积大、设备台套数不足，实验设备在学生使用不当时易损坏，由于实验介质是水，在长期的使用过程中容易出现测点堵塞，有机玻璃的水箱和管路易老化，出现管接头或水箱漏水等问题，实验设备的维护比较困难。
3. 实验教学改革实践经验
(1) 理论教学与实验教学相结合
在高等学校中实验教师和理论课教师分属不同的职称系列，分别承担课程的理论教学和实验教学工作，但是这种分工看似合理，实则不利于实验教学工作的开展，不利于保证实验教学的质量。过去几年我们在《工程流体力学》课程中采取了理论教学和实验教学相结合的方式，由理论课的任课老师主要负责实验过程的指导、实验成绩的评定，而实验老师主要负责实验室的日常管理和实验设备的维护。这种方式有两个非常突出的优点：第一，理论课老师可以将学生在实验时的共性疑问在理论授课的过程中可以进行适当的铺垫，起到一定的实验预习的目的。例如在课堂上讲体积流量的概念及文丘里流量计时，可以提出在实验室和工程中如何测量体积流量的问题，让同学们讨论给出解决方案，这样学生在实验中就很少出现实验室虽然提供了量筒和表秒，但学生仍然不知道如何测量流量的问题。第二，理论课教师可以在实验过程中根据学生的问题结合理论提供更有针对性的指导意见，在实验数据分析和处理过程中，也能对学生的实验数据是否准确、数据处理方法是否合理给出正确的判断，在实验结束后能够设置简单的答辩过程，考察学生对实验中涉及的理论知识的掌握情况，例如在做总流伯努利方程实验时，学生经常会出现测点总水头大于水箱液面标高的情况，出现这种问题一般有两种原因，一个是水箱液面标高和管内测点的位置水头基准不一致，二个是测点的速度水头计算有问题，这时就可以从这两个方面指导学生，解决实验数据不合理的问题，从而加深学生对总流伯努利方程的理解。从最近几年来的实验报告和实验成绩来看，采用这种理论教学和实验教学相结合的方式，从一定程度上提高了工程流体力学实验教学的质量。
(2) 线上虚拟实验与线下实验相结合
最近十几年间计算机技术的快速发展为传统流体力学实验教学面临的一些困难提供了新的解决思路，借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，操作人员可以像在现实环境中一样完成相关的实验内容，且所取得的实验效果等同或优于在真实环境中所取得的效果[5]。在工程流体力学实验教学中引入虚拟实验的积极意义主要有以下两个方面：第一，可有效解决实验设备成本高，台套数不足，学生人均实验课程时间不足的问题，容易实现学生一人一台，随时随地开展实验，有效提高了人均实验学时，一定程度上提高了实验教学的效果；第二，可以更加灵活的拓展实验内容，提供更加丰富全面的实验项目供学生根据自己的兴趣进行选择，提高学生参与实验项目的热情和积极性。但是虚拟实验本身也存在一些诸如：教师无法对实验过程进行有效管理，学生的基本实验操作无法做到有效训练等问题，因此，在引入虚拟实验的同时采用英国Armfield C15-10风洞实验开展1～2学时的线下实验，让学生了解常用的测量装置如皮托管、微压计等的安装及使用方法，从而更全面地掌握实验过程，加深对工程流体力学实验原理和基本理论的理解。
4. 结语
本文从我校《工程流体力学》课程实验教学的教学仪器、实验组织形式、实验教学内容等方面的现状进行了分析和探讨，并针对当前实验教学中存在的问题，提出在工程流体力学实验中采取理论教学与实验教学相结合、线上虚拟实验与线下实验相结合等改革措施，实践证明这些举措对提高《工程流体力学》课程的实验教学质量起到了非常积极的作用。
参考文献
[1] 陈俊俊,庞赟佶,王晓彤,刘素霞.建筑环境与能源应用工程专业《流体力学》课程实验改革研究[J].教育教学论坛,2016(16):225-226.
[2] 樊艳红,李兴莉,杨雪霞.浅谈流体力学实验教学的改革[J].教育现代化,2018,5(27):77-78.
[3] 辛晓东,孙荣,洪俊明.虚拟仿真技术在流体力学实验课程教学中的应用优势——以《离心泵性能测定实验》为例[J].教育教学论坛,2020(04):144-146.
[4] 张慧晨.阶梯型工程流体力学实验教学模式构建[J].实验室科学,2017,20(06):129-132.
[5] 仇电全.利用虚拟实验提升实验效率[J].吉林教育,2014(14):91.
作者简介：
杨润泽（1985.8-），男。讲师，硕士研究生。主要研究方向为发动机设计与性能优化、发动机热管理及电控技术；
姚胜华(1975-)，男，副教授，主要从事汽车电子及控制方面的理论教学及实习实践；
韩同群(1967-)，男，教授，主要从事汽车及发动机方面的理论教学及实习实践。