伯努利方程實驗建設(shè)與教學(xué)平臺

由于流體運動的復(fù)雜性，使得流體力學(xué)研究離不開科學(xué)實驗，而理論分析、實驗研究和數(shù)值計算是其發(fā)展的三大支柱。同濟(jì)大學(xué)自２００７年確立了精品實驗建設(shè)的理念，伯努利方程實驗被列為同濟(jì)大學(xué)精品實驗項目，借助于力學(xué)實驗教學(xué)示范中心和力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，開展了伯努利方程精品實驗，實現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、師生交流互動，調(diào)動了學(xué)

生參與實驗的積極性，提高了實驗的效率，培養(yǎng)了具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。

１、伯努利方程精品實驗簡介

伯努利方程實驗是流體力學(xué)zui重要的實驗之一，例如在港口、能源動力工程、環(huán)境工程、道路與橋梁工程、土木工程等專業(yè)的流體力學(xué)課程中占有重要的位置。傳統(tǒng)的伯努利方程實驗，是在教師講解后學(xué)生直接做實驗，缺乏對實驗操作、實驗過程的示范教學(xué)及描述，實驗過程中的問題得不到充分的探索和討論，學(xué)生的思考、興趣及創(chuàng)造性思維沒有被充分激發(fā)出來。而精品實驗的實驗教學(xué)是以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，充分啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，學(xué)生以多種方式、多種途徑進(jìn)行實驗。

１．１實驗原理

在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取ｎ 個過流斷面。可以列出進(jìn)口斷面（１）至另一斷面（ｉ）的能量方程式（ｉ＝２，３，…，ｎ）

取α１＝α２＝α３＝ … ＝αｎ ＝１，選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出Ｚ ＝ｐ／γ 的值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速ν及速度水頭ａｖ²／２ｇ ，從而得到各斷面測壓管水頭值和總水頭值。

１．２過流斷面性質(zhì)

均勻流或漸變流斷面流體動壓強符合靜壓強的分布規(guī)律，即在同一斷面上，測壓管水頭值為常數(shù)。

但在不同過流斷面上的測壓管水頭不同，即

而斷面上

２、伯努利方程精品實驗的特色和創(chuàng)新

２．１對經(jīng)典實驗過程進(jìn)行綜合設(shè)計和創(chuàng)新

精品實驗zui重要的是要具有特色和創(chuàng)新，尤其是對于綜合性實驗，應(yīng)當(dāng)注重實驗內(nèi)容的新穎性和創(chuàng)新性，實驗手段的多樣性，讓學(xué)生有更多的創(chuàng)新空間和施展才華的機會。

本精品實驗是在經(jīng)典的伯努利方程實驗中加入新的實驗元素和活力，即在實驗過程中添加伯努利方程虛擬實驗環(huán)節(jié)。虛擬實驗在實驗教學(xué)中的應(yīng)用很多，工程中關(guān)于水力學(xué)問題的仿真研究已成為人們關(guān)注的熱點，仿真技術(shù)也逐漸在教學(xué)中應(yīng)用。

伯努利方程實驗在仿真方面也有一些研究。虛擬實驗由于具有操作界面直觀、方便快捷、重復(fù)性強、不受地域或時間的限制，學(xué)生可以隨時參與虛擬實驗操作。學(xué)生可以使用自己的計算機或?qū)嶒炇姨摂M實驗平臺的計算機，根據(jù)自己的時間去做虛擬實驗，更重要的是學(xué)生可以隨時驗證和探索學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題，對實際實驗操作進(jìn)行預(yù)習(xí)。

２．２以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)的教學(xué)模式

學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)三大目標(biāo)的實現(xiàn)是建立在一個個具體的實驗項目完成的基礎(chǔ)上。伯努利方程實驗屬于綜合性、設(shè)計性實驗，培養(yǎng)學(xué)生綜合利用所學(xué)理論知識來提出問題、分析問題、解決問題的能力；引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合該實驗的工程背景和應(yīng)用，分組設(shè)計相應(yīng)的實驗項目，鼓勵學(xué)生敢想、敢做、敢于質(zhì)疑；利用實驗室的實驗平臺對小組設(shè)計的實驗項

目進(jìn)行實驗，從而解決實際工程中的問題或現(xiàn)象；鼓勵學(xué)生參與虛擬實驗的操作和完善，學(xué)生通過網(wǎng)上練習(xí)虛擬實驗，找出其中還不是很完善的地方，提出優(yōu)化方案，教師再逐步修改和完善，充分發(fā)揮學(xué)生參與實驗的主觀能動性，有效拓展學(xué)生的想象空間。

通過對學(xué)生多方位的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生對理論知識的應(yīng)用能力、對實驗操作的動手能力、對實驗項目的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊寫作能力，從而實現(xiàn)對學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)。

２．３多元化的實驗教學(xué)過程和教學(xué)手段

伯努利方程精品實驗采用多元化的教學(xué)過程和教學(xué)手段，主要特點如下：

（１）學(xué)生通過理論知識的學(xué)習(xí)，熟知伯努利方程的原理及其在實際工程上的應(yīng)用。例如測量流速與流量的儀表（畢托管、文丘里流量計和電磁流量計等）、虹吸現(xiàn)象（用于汲水灌溉、高位水箱引水和抽水馬桶等）、孔口和管嘴的出流問題等。這樣學(xué)生就學(xué)會在實驗前提出問題，帶著問題進(jìn)行實驗，大大提高了實驗的效率。

（２）鼓勵學(xué)生結(jié)合工程實踐，采用已有的流體力學(xué)實驗教具，自主設(shè)計實驗項目，比如學(xué)生可以利用流量計測試一下實驗室水管的流量、流速等，引導(dǎo)學(xué)生利用實驗解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的"工程師"意識。

（３）采用虛擬實驗和實際操作實驗相結(jié)合的方法，充分鍛煉學(xué)生的動手操作能力。

本實驗為綜合性實驗項目，為提高學(xué)生的動手操作能力，充分利用力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的虛擬實驗平臺，實際實驗和虛擬實驗有機結(jié)合，從不同角度，以多種方式參加實驗訓(xùn)練。

２．４實驗流程

實驗的流程如圖１所示。

圖１實驗流程圖

（１）虛擬實驗。學(xué)生做實驗之前，先在力學(xué)實驗教學(xué)示范中心上進(jìn)行伯努利方程虛擬實驗操作，預(yù)覽實驗過程，熟悉實驗原理，鞏固理論知識的掌握，并且可以直觀地體會做實驗的操作過程和觀察動態(tài)的實驗現(xiàn)象等。整個虛擬實驗過程與真實的實驗相差無幾，可以適時地觀察到實驗現(xiàn)象和測壓管液面高度的變化規(guī)律。方便地模擬出做實驗的過程。伯努利方程虛擬實驗為學(xué)生創(chuàng)造良好的仿真實驗條件，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和主動性，并且可以隨時驗證和探索遇到的疑難問題，為真實實驗操作打下堅實的基礎(chǔ)。

（２）真實實驗。學(xué)生進(jìn)入實驗室進(jìn)行真實實驗的動手操作，教師指導(dǎo)學(xué)生熟悉操作實驗裝置，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識在實驗中進(jìn)行驗證及進(jìn)行設(shè)計和創(chuàng)造性的實驗，并撰寫綜合實驗報告。學(xué)生經(jīng)過虛擬實驗和實際操作實驗２個環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，可以更加深刻地理解和掌握課本上的理論知識。

２．５　實驗成績考核模式

"伯努利方程精品實驗"課成績的考核要反映學(xué)生的綜合能力，包括實驗項目設(shè)計、實驗技能、團(tuán)隊協(xié)作和動手能力，還要真實地反映學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

伯努利方程實驗的成績由實驗項目設(shè)計、虛擬實驗操作、真實實驗操作和實驗報告４部分組成。實驗操作部分由指導(dǎo)教師現(xiàn)場打分，實驗報告重在實驗方法的確定、實驗儀器的選擇、實驗步驟的制定、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗結(jié)果的對比分析和研究性總結(jié)等。這種成績的考核模式，可以有效地反映出學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

２．６精品實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)

中心建立了流體力學(xué)虛擬實驗平臺，通過網(wǎng)絡(luò)實驗虛擬軟件，學(xué)生在計算機上應(yīng)用圖、文、音并茂的計算機動態(tài)技術(shù)來模擬實驗教學(xué)的整個操作過程，在操作中配有相應(yīng)的理論指導(dǎo)，解決了相關(guān)的教學(xué)盲點。

學(xué)生可不受時間約束、不受地點限制，反復(fù)進(jìn)行虛擬實驗，完成實驗學(xué)習(xí)過程，還可以按個人的要求設(shè)計新的虛擬實驗項目。流體力學(xué)虛擬實驗是面向全校師生及校外任何想學(xué)習(xí)和練習(xí)虛擬實驗的學(xué)習(xí)者，已經(jīng)在實驗教學(xué)中實施２年多，取得了良好的效果。

３、伯努利方程精品實驗建設(shè)成果

３．１激發(fā)了學(xué)生參與實驗的興趣

虛擬實驗使人置身于多媒體世界中，學(xué)生對實驗對象、實驗過程、實驗結(jié)果都能看到、聽到、感覺到，大大增加了仿真的形象性與直觀性。而且由于虛擬實驗具有不受時間、地域場地限制等優(yōu)點，學(xué)生可根據(jù)自己的需要安排學(xué)習(xí)時間，大大方便了學(xué)生，激發(fā)了學(xué)生實驗的興趣和主觀能動性，從而提高學(xué)習(xí)效率。

真實實驗放手讓學(xué)生積極參與實驗方案的設(shè)計，以學(xué)生為實驗的主體，充分發(fā)揮學(xué)生的潛能，通過學(xué)生動手操作等訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。虛擬與真實實驗兩者相結(jié)合，優(yōu)勢互補，切實保證了實驗教學(xué)的質(zhì)量。

伯努利方程實驗是一個綜合性實驗，本實驗對全校土木工程專、力學(xué)專業(yè)、能源動力、港口航道與海岸工程等專業(yè)學(xué)生開放，學(xué)生參與的積極性和熱情都非常高，參與率達(dá)到１００％，普遍反映效果很好。
３．２調(diào)動了教師的積極性

該綜合性實驗是學(xué)校"精品實驗"項目，得到學(xué)校的大力支持，并給予項目立項資助，調(diào)動了教師參與實驗項目建設(shè)的積極性和主動性，使得實驗課程與實際工程應(yīng)用結(jié)合得更緊密，得到師生的*。

"伯努利方程精品實驗"項目作為系統(tǒng)的教學(xué)單元進(jìn)行建設(shè)，其系統(tǒng)的經(jīng)驗成果可以為其他流體力學(xué)實驗項目提供借鑒，實驗項目建設(shè)方向、探索人才培養(yǎng)模式。積累的一些典型教學(xué)案例，豐富了實驗教學(xué)的積淀。成功的案例可以啟發(fā)下屆學(xué)生在此基礎(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新，避免低水平的重復(fù)實驗；失敗的案例可以供學(xué)生借鑒，盡可能避免失敗，少走彎路。

３．３豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容

"伯努利方程精品實驗"教學(xué)的嘗試，豐富了流體力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容，綜合利用了多種教學(xué)手段。合理運用現(xiàn)代信息化技術(shù)（虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺、網(wǎng)絡(luò)、投影儀）等手段，在傳統(tǒng)的教學(xué)觀念、教學(xué)方法和教學(xué)手段的基礎(chǔ)上繼承、發(fā)展并改革和創(chuàng)新。實驗教學(xué)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，創(chuàng)建以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式。

注重實驗過程設(shè)計，實驗方法科學(xué)、合理、新穎；實驗手段適當(dāng)、先進(jìn)。能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生對實驗的興趣。綜合性實驗更要注重實驗過程，提高"設(shè)計性"含量，使學(xué)生親歷一般科學(xué)實驗的全過程，使實驗的教學(xué)內(nèi)容更加豐富。

３．４促進(jìn)了虛擬實驗平臺的建設(shè)

"伯努利方程精品實驗"的建設(shè)，加快了虛擬實驗平臺建設(shè)。以創(chuàng)建精品實驗為契機，力學(xué)實驗中心加快了本科流體力學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的步伐，建立了流體力學(xué)虛擬實驗平臺和教學(xué)資料庫。目前有伯努利方程實驗、動量方程實驗、圓柱繞流實驗和水面曲線實驗的虛擬實驗，每一個虛擬實驗都是按照真實實驗的原理、實驗裝置、實驗步驟、實驗結(jié)果分析等設(shè)計的，這４個實驗現(xiàn)在已經(jīng)作為流體力學(xué)虛擬實驗的內(nèi)容。４個實驗項目已經(jīng)在教學(xué)過程中實施近２年，學(xué)生進(jìn)行實驗的積極性得到了提升，反映良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

此外，還開發(fā)了實驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)互動平臺及網(wǎng)上選課系統(tǒng)、互動平臺和虛擬實驗系統(tǒng)，促進(jìn)了力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)。