论文部分内容阅读
实验教学作为课程教学中的重要环节，有着不可替代的作用。实验教学不但起着将理论知识实践化从而增强直观认识、加深对基本概念和原理理解的作用，而且通过一些综合性或研究型的实验，有利于进一步培养学生的实践能力和创新能力。实验教学涉及内容非常丰富，包括基本原理的掌握和运用、实验仪器的原理和使用、测点的选取及布置、实验过程中的问题与解决、实验数据的处理和问题分析等多个环节，是一个全面的训练过程。
省级精品课程流体力学及泵与风机作为热能动力工程专业的一门重要的专业基础课，涉及多个基本实验和综合性实验。本文以此为例，通过分析不同实验所涉及到的基本理论以及实验中发现的问题，进一步阐述和挖掘实验教学中的相关内容，力求达到全面提高教学效果的目的，强化实验教学在人才培养中的作用。
一 正确理解基本概念
正确理解基本概念是开展实验研究的前提。流体力学及泵与风机课涉及大量的基本概念，只有准确掌握这些概念的定义或表达式，才能对实验现象做出正确的判断。如伯努利方程实验中的静水头和总水头，以及静压管和皮托管的区别；雷诺实验中的上临界雷诺数和下临界雷诺数概念，以及为何采用下临界雷诺数作为判断流态的依据；风机进气实验中的风机静压、全压和动压等概念；离心泵性能实验中的表压和真空等概念。
举例来说，个别同学没有深刻理解真空概念，但通过离心泵入口安装的真空表读数，则很容易理解只有泵入口绝对压强低于大气压时，才能将水抽上来，由此便能直观地认识到真空为测点低于大气压的数值。因此，通过实验这一环节，既能有效加深对基本概念的理解，又能对其进行直观认识。
二 灵活运用基本定律
灵活运用基本定律是开展实验研究的关键。在掌握基本概念的基础上，只有灵活地运用基本定律，才能正确分析实验过程中参数的变化和实验现象。如伯努利方程实验中，当水箱水位保持不变，通过改变出口节流阀的开度使流量增大时，分析管路中某一测点处的静水头和总水头的变化。此时，如能灵活运用伯努利方程便可做出正确的判断。分析如下，水箱水位保持不变意味着初始的总机械能保持恒定，随流量增加，管内流速增大，因而管路中的损失必然增加，由伯努利方程可知管路中任一位置处的总水头相应降低，而此处流体的动能增加，因此其静水头必然有所减小。
以此类推，由此可分析离心泵性能实验中当泵出口阀门开度减小时，流量的变化、相应的进出、口的压力表和真空表读数的变化；以及运用并联管路的流量和阻力特性，分析并联管路中的流量分配关系和并联管路的阻力特性的绘制，这里不再一一赘述。
三 保持科学严谨的实验态度
保持科学严谨的实验态度、细心操作实验过程是获得准确实验结果的保障。实验指导书中制订的实验步骤是依据实验原理而定的，不能随意改变操作过程，否则所得实验结果将失去其原有的物理意义。例如雷诺数实验中，在测定下临界雷诺数时，首先将管内流动调节成紊流状态，观察到细管内流出的着色水流束开始破裂，呈现不规则的状态，并发生横向掺混；然后逐渐关小出口调节阀使流量减小，当流量调节到使有色水在整个管道中刚刚呈现出一稳定直线时，即流动处于下临界状态，此时对应的雷诺数即为下临界雷诺数。实验中，一则应注意流量应缓慢减小，以获得准确的下临界雷诺数，一旦流量调过头，不允许流量反向调节，而应重新将流动调节紊流状态，重复上述过程；二则在流量调小过程中，应尽量避免人为产生的振动，以减少对实验结果的影响，以求获得良好的实验结果。通过上述实验过程，既可直观认识层流和紊流现象，又可深刻理解下临界雷诺数的物理含义。
实验中一般要稳定一定的时间才能读取数据，即每个实验点的数据记录要有一定的时间间隔，以保障流动处于稳定状态，所测实验结果具有可靠性。实验数据的记录不能操之过急。另外，选取合理的实验点数目，也是保证获得正确实验规律的重要因素。实验点过少，往往在绘制曲线时将不能正确反映实验过程应用的规律，这一现象突出表现在沿程阻力系数实验和离心泵性能实验(避免流量超过设计值时，扬程陡降，如果数据点过少，由此不能得到真实的性能曲线)。
四 合理处理实验数据
合理处理实验数据是反映实验现象内在规律的重要环节。实验过程中，受人为因素、随机因素或实验仪器本身的影响，原始实验数据不可避免地会出现波动，甚至出现坏值。正确判断实验数据中的波动现象或出现的坏值，至关重要。如在离心泵和离心风机的性能实验中，由于电机转速并非始终在额定转速运行，因此需要将实际转速下的实验数据按照相似定律转换为额定转速后，再绘制其性能曲线，只有这样才能真实反映泵或风机的性能。又如，沿程阻力系数测定实验中，通过测定压差来计算阻力系数，实验发现经常出现坏值，这需要进行有效的剔除，否则，将不能获得真实的物理规律。
在此基础上，需绘制反映物理过程的特性曲线。曲线的绘制不是将所有的数据点相连(这一点经常被同学所忽视)，而是要求实验点尽可能均匀分布在光滑的曲线两侧，这也有助于剔除坏值。曲线绘制即可人工手绘，也可采用各种软件，如Excel、Origin和Matlab等，尤其是采用软件绘图，即可获得良好的结果，又可培养学生使用常用软件的能力，是一举两得的好办法。
五 力求培养创新能力
综合性实验涉及基础知识较多，物理规律相对复杂，实验分析相对较难，正因如此，才有利于培养学生的综合运用能力和创新能力。如并联管路流量分配实验中，分析并联管路中各分支管路中的流量关系和阻力关系。按照理论，根据并联管路特性，由于各支管所用材料和管径均相同，因此其各分支管路流量和阻力均应相等。但实验现象表明，支管流量和阻力并不相等。究其原因，这是因为受支管的汇合点和分开点的布置方式，以及不同支管入口存在重位差的影响，因此不同支管入口处的压强不同，各支管的实际流量和阻力损失也有所不同。理论上和实验上的差别需要进行深入的思考，而不能照搬理论去进行问题的分析，否则将得出错误的结论。
又如在离心泵并联综合实验中，比较采用共用阀和非共用阀调节方式在不同负荷下的经济性。可采取两种方法，一是通过绘制两种调节方式下的轴功率曲线，然后进行比较即可。但该方法无法了解不同调节方式下的单泵扬程曲线、并联泵联合性能曲线和管路特性曲线的变化，也无从知晓运行工况点的变化。为深入研究此问题，采取第二种方法，即通过绘制泵性能曲线和管路性能曲线的方法，确定实际运行工况点的手段来分析其经济性。但由于实验过程中离心泵转速有20r／min左右的波动，需将流量、扬程和功率按照相似定律折算到额定转速下，而用于确定共用管路阻力曲线的共用点压强也是在转速发生波动的过程中测得的，由于该压强并非水泵的性能参数，因此无法应用相似定律进行折算，而不折算又有些不妥。因此需要改变思路，借助于以共用阀门调节实验确定并联泵的联合性能曲线、以非共用阀门调节实验确定共用管路特性曲线的思路，来进行问题的分析和探讨。
这些问题的思考对于学生知识的综合运用，创新能力的培养都有着良好的积极作用。
六 丰高考试内容
将实验内容纳入考试范围、丰富考试内容是提高理论教学效果的重要手段。过去，常以实验报告的得分作为实验成绩计入总成绩，但实践中发现，存在部分同学实验报告不完整(缺数据处理过程或实验曲线)、实验数据处理不当或错误、甚至抄袭他人实验报告等现象。因此，仅凭实验报告既不能正确评价实验者的实验效果，也不能真实地反映学生掌握理论知识和理解实验现象的现状。
通过将典型的、有代表性的实验内容编制成试题，并纳入考试范畴，必定会促进学生认真操作实验、细心观察实验现象、积极处理实验数据、潜心思考实验结果所呈现的规律及反映的知识和原理。通过流体力学和泵与风机两门课程的尝试，其效果已初步显现。学生总体反映良好，而且实验效果和实验报告的质量也有明显改善。长此以往，坚持下来，必能发挥实践教学对理论教学的积极的促进作用。
总之，正确处理好上述关系，不仅对教师，而且对学生，都有着积极的促进作用。通过深挖实验教学中各环节所涉及的相关内容，使得实验教学和课堂教学相辅相成，力争全面提高教学效果，进一步培养学生的实践能力、发展能力和创新能力。
省级精品课程流体力学及泵与风机作为热能动力工程专业的一门重要的专业基础课，涉及多个基本实验和综合性实验。本文以此为例，通过分析不同实验所涉及到的基本理论以及实验中发现的问题，进一步阐述和挖掘实验教学中的相关内容，力求达到全面提高教学效果的目的，强化实验教学在人才培养中的作用。
一 正确理解基本概念
正确理解基本概念是开展实验研究的前提。流体力学及泵与风机课涉及大量的基本概念，只有准确掌握这些概念的定义或表达式，才能对实验现象做出正确的判断。如伯努利方程实验中的静水头和总水头，以及静压管和皮托管的区别；雷诺实验中的上临界雷诺数和下临界雷诺数概念，以及为何采用下临界雷诺数作为判断流态的依据；风机进气实验中的风机静压、全压和动压等概念；离心泵性能实验中的表压和真空等概念。
举例来说，个别同学没有深刻理解真空概念，但通过离心泵入口安装的真空表读数，则很容易理解只有泵入口绝对压强低于大气压时，才能将水抽上来，由此便能直观地认识到真空为测点低于大气压的数值。因此，通过实验这一环节，既能有效加深对基本概念的理解，又能对其进行直观认识。
二 灵活运用基本定律
灵活运用基本定律是开展实验研究的关键。在掌握基本概念的基础上，只有灵活地运用基本定律，才能正确分析实验过程中参数的变化和实验现象。如伯努利方程实验中，当水箱水位保持不变，通过改变出口节流阀的开度使流量增大时，分析管路中某一测点处的静水头和总水头的变化。此时，如能灵活运用伯努利方程便可做出正确的判断。分析如下，水箱水位保持不变意味着初始的总机械能保持恒定，随流量增加，管内流速增大，因而管路中的损失必然增加，由伯努利方程可知管路中任一位置处的总水头相应降低，而此处流体的动能增加，因此其静水头必然有所减小。
以此类推，由此可分析离心泵性能实验中当泵出口阀门开度减小时，流量的变化、相应的进出、口的压力表和真空表读数的变化；以及运用并联管路的流量和阻力特性，分析并联管路中的流量分配关系和并联管路的阻力特性的绘制，这里不再一一赘述。
三 保持科学严谨的实验态度
保持科学严谨的实验态度、细心操作实验过程是获得准确实验结果的保障。实验指导书中制订的实验步骤是依据实验原理而定的，不能随意改变操作过程，否则所得实验结果将失去其原有的物理意义。例如雷诺数实验中，在测定下临界雷诺数时，首先将管内流动调节成紊流状态，观察到细管内流出的着色水流束开始破裂，呈现不规则的状态，并发生横向掺混；然后逐渐关小出口调节阀使流量减小，当流量调节到使有色水在整个管道中刚刚呈现出一稳定直线时，即流动处于下临界状态，此时对应的雷诺数即为下临界雷诺数。实验中，一则应注意流量应缓慢减小，以获得准确的下临界雷诺数，一旦流量调过头，不允许流量反向调节，而应重新将流动调节紊流状态，重复上述过程；二则在流量调小过程中，应尽量避免人为产生的振动，以减少对实验结果的影响，以求获得良好的实验结果。通过上述实验过程，既可直观认识层流和紊流现象，又可深刻理解下临界雷诺数的物理含义。
实验中一般要稳定一定的时间才能读取数据，即每个实验点的数据记录要有一定的时间间隔，以保障流动处于稳定状态，所测实验结果具有可靠性。实验数据的记录不能操之过急。另外，选取合理的实验点数目，也是保证获得正确实验规律的重要因素。实验点过少，往往在绘制曲线时将不能正确反映实验过程应用的规律，这一现象突出表现在沿程阻力系数实验和离心泵性能实验(避免流量超过设计值时，扬程陡降，如果数据点过少，由此不能得到真实的性能曲线)。
四 合理处理实验数据
合理处理实验数据是反映实验现象内在规律的重要环节。实验过程中，受人为因素、随机因素或实验仪器本身的影响，原始实验数据不可避免地会出现波动，甚至出现坏值。正确判断实验数据中的波动现象或出现的坏值，至关重要。如在离心泵和离心风机的性能实验中，由于电机转速并非始终在额定转速运行，因此需要将实际转速下的实验数据按照相似定律转换为额定转速后，再绘制其性能曲线，只有这样才能真实反映泵或风机的性能。又如，沿程阻力系数测定实验中，通过测定压差来计算阻力系数，实验发现经常出现坏值，这需要进行有效的剔除，否则，将不能获得真实的物理规律。
在此基础上，需绘制反映物理过程的特性曲线。曲线的绘制不是将所有的数据点相连(这一点经常被同学所忽视)，而是要求实验点尽可能均匀分布在光滑的曲线两侧，这也有助于剔除坏值。曲线绘制即可人工手绘，也可采用各种软件，如Excel、Origin和Matlab等，尤其是采用软件绘图，即可获得良好的结果，又可培养学生使用常用软件的能力，是一举两得的好办法。
五 力求培养创新能力
综合性实验涉及基础知识较多，物理规律相对复杂，实验分析相对较难，正因如此，才有利于培养学生的综合运用能力和创新能力。如并联管路流量分配实验中，分析并联管路中各分支管路中的流量关系和阻力关系。按照理论，根据并联管路特性，由于各支管所用材料和管径均相同，因此其各分支管路流量和阻力均应相等。但实验现象表明，支管流量和阻力并不相等。究其原因，这是因为受支管的汇合点和分开点的布置方式，以及不同支管入口存在重位差的影响，因此不同支管入口处的压强不同，各支管的实际流量和阻力损失也有所不同。理论上和实验上的差别需要进行深入的思考，而不能照搬理论去进行问题的分析，否则将得出错误的结论。
又如在离心泵并联综合实验中，比较采用共用阀和非共用阀调节方式在不同负荷下的经济性。可采取两种方法，一是通过绘制两种调节方式下的轴功率曲线，然后进行比较即可。但该方法无法了解不同调节方式下的单泵扬程曲线、并联泵联合性能曲线和管路特性曲线的变化，也无从知晓运行工况点的变化。为深入研究此问题，采取第二种方法，即通过绘制泵性能曲线和管路性能曲线的方法，确定实际运行工况点的手段来分析其经济性。但由于实验过程中离心泵转速有20r／min左右的波动，需将流量、扬程和功率按照相似定律折算到额定转速下，而用于确定共用管路阻力曲线的共用点压强也是在转速发生波动的过程中测得的，由于该压强并非水泵的性能参数，因此无法应用相似定律进行折算，而不折算又有些不妥。因此需要改变思路，借助于以共用阀门调节实验确定并联泵的联合性能曲线、以非共用阀门调节实验确定共用管路特性曲线的思路，来进行问题的分析和探讨。
这些问题的思考对于学生知识的综合运用，创新能力的培养都有着良好的积极作用。
六 丰高考试内容
将实验内容纳入考试范围、丰富考试内容是提高理论教学效果的重要手段。过去，常以实验报告的得分作为实验成绩计入总成绩，但实践中发现，存在部分同学实验报告不完整(缺数据处理过程或实验曲线)、实验数据处理不当或错误、甚至抄袭他人实验报告等现象。因此，仅凭实验报告既不能正确评价实验者的实验效果，也不能真实地反映学生掌握理论知识和理解实验现象的现状。
通过将典型的、有代表性的实验内容编制成试题，并纳入考试范畴，必定会促进学生认真操作实验、细心观察实验现象、积极处理实验数据、潜心思考实验结果所呈现的规律及反映的知识和原理。通过流体力学和泵与风机两门课程的尝试，其效果已初步显现。学生总体反映良好，而且实验效果和实验报告的质量也有明显改善。长此以往，坚持下来，必能发挥实践教学对理论教学的积极的促进作用。
总之，正确处理好上述关系，不仅对教师，而且对学生，都有着积极的促进作用。通过深挖实验教学中各环节所涉及的相关内容，使得实验教学和课堂教学相辅相成，力争全面提高教学效果，进一步培养学生的实践能力、发展能力和创新能力。