新工科下“流體力學(xué)與液壓傳動”的實驗教學(xué)探索

陳羽 王毅剛 張智明

［摘 要］ 高校新工科建設(shè)是應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動。面對我國雙碳目標和智能電動汽車續(xù)駛里程等關(guān)鍵技術(shù)指標，產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與人才匱乏之間的矛盾日益突出，兼顧理論與實踐的新工科人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系亟須建立。以同濟大學(xué)車輛工程專業(yè)本科生“流體力學(xué)與液壓傳動”課程為載體，結(jié)合課程大綱重點和難點，探索了研討式、虛擬式、案例式實驗教學(xué)、實物式等多種形式結(jié)合的課程實驗教學(xué)方式，實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］新工科；車輛工程；流體力學(xué)與液壓傳動；實驗教學(xué)

［基金項目］ 2021年度同濟大學(xué)第十六期實驗教學(xué)改革專項基金項目“流體力學(xué)中壁面剪切應(yīng)力及車輛流動分離虛擬教學(xué)系統(tǒng)”（1700104200）

［作者簡介］ 陳 羽（1986—），男，山西太原人，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事車輛空氣動力學(xué)與氣動聲學(xué)研究；王毅剛（1964—），男，陜西西安人，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要從事風(fēng)洞試驗技術(shù)與氣動聲學(xué)研究；張智明（1979—），男，遼寧遼陽人，博士，同濟大學(xué)汽車學(xué)院講師，主要從事新能源汽車燃料電池發(fā)動機研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-07-02

引言

高校新工科建設(shè)是主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動。為貫徹落實國家“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)［1］。為此，世界各國的高等教育機構(gòu)均大力進行智能汽車新工科專業(yè)人才培養(yǎng)［2］。在車輛工程領(lǐng)域，已建立了一些車輛動力學(xué)、智能交通、自動駕駛等領(lǐng)域的專業(yè)人才培養(yǎng)課程和教學(xué)實踐平臺［3］。

面對我國“雙碳”目標和產(chǎn)業(yè)變革，我國智能電動汽車發(fā)展近年來進入快車道，出現(xiàn)了新的技術(shù)特點。首先，純電動汽車的續(xù)駛里程焦慮是業(yè)界的難點和痛點，氣動阻力消耗的能量在電動汽車總能耗占據(jù)的比重更高；其次，電動汽車取消了發(fā)動機和變速箱等動力裝置，動力系統(tǒng)噪聲掩蔽效應(yīng)顯著下降，氣動噪聲凸顯；再次，電動汽車車載電源和電驅(qū)動系統(tǒng)的工作溫度相比內(nèi)燃機低一個數(shù)量級，且熱源更加分散，對環(huán)境溫度的變化更加敏感，動力系統(tǒng)的流體熱管理要求更高。解決上述問題，需要具備扎實的流體力學(xué)專業(yè)知識和實踐能力。因此，培養(yǎng)主動應(yīng)對產(chǎn)業(yè)變革的科學(xué)技術(shù)人才和工程師隊伍，對“流體力學(xué)與液壓傳動”課程教學(xué)提出了更高的要求。

本文充分利用同濟大學(xué)汽車學(xué)院、上海市地面交通工具空氣動力學(xué)與熱環(huán)境重點實驗室已有的教學(xué)、科研成果，在“流體力學(xué)與液壓傳動”課程中進行實驗教學(xué)的改革與探索，以期形成車輛工程專業(yè)“流體力學(xué)與液壓傳動”課程的實驗教學(xué)最佳實踐。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀與改革目標

（一）課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“流體力學(xué)與液壓傳動”是一門理論性、實踐性較強的基礎(chǔ)性學(xué)科，是車輛工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課程的核心基礎(chǔ)課程之一，在課程體系中具有重要地位。該課程屬于理論課程體系，經(jīng)過多年建設(shè)，已形成一套成熟的理論授課體系。以流體力學(xué)部分為例，在流體基本屬性、流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、相似原理與量綱分析、無粘流動和粘性流動等教學(xué)過程中，基本概念、基本理論主要以方程推導(dǎo)和概念講述為主（如牛頓內(nèi)摩擦定律、湍流雷諾應(yīng)力、邊界層動量積分方程），基本方法講授還停留在傳統(tǒng)的工程應(yīng)用問題上（如翼型的曲面流動分離）。

結(jié)合近三年本科教學(xué)評價意見，以及與本科生課后交流，學(xué)生普遍反饋：（1）相比于其他經(jīng)典力學(xué)課程，“流體力學(xué)與液壓傳動”內(nèi)容抽象，概念性強，課程從頭到尾以偏微分方程推導(dǎo)為主，公式多且繁雜；（2）希望經(jīng)典理論能更好結(jié)合工程實際應(yīng)用前沿，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。因此，在新工科和行業(yè)快速發(fā)展的背景下，構(gòu)建與工程應(yīng)用相銜接的基本概念、基本理論教學(xué)方法、積極開展實驗和實踐教學(xué)模式創(chuàng)新，以此培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，成為“流體力學(xué)與液壓傳動”課程改革的重要任務(wù)。

（二）基于新工科背景的實驗教學(xué)改革目標

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)定義，是指實踐性教學(xué)的一種組織形式。學(xué)生利用儀器設(shè)備，在人為控制條件下，引起實驗對象的變化，通過觀察、測定和分析，獲得知識與發(fā)展能力。在基礎(chǔ)課和專業(yè)課中廣泛應(yīng)用，其目的不僅驗證書本知識，更著重于培養(yǎng)學(xué)生正確使用儀器設(shè)備，能夠進行測試、調(diào)整、分析、設(shè)計實驗方案和編寫實驗報告等能力［4］。但隨著科技和行業(yè)的快速發(fā)展，前沿性流體力學(xué)實驗存在高成本、高消耗，以及有的實驗還需要單獨進行安全培訓(xùn)后才可操作等問題，如流體力學(xué)中粒子圖像測速技術(shù)實驗，很大程度上限制了本科生學(xué)習(xí)的深度和興趣。

在推進新工科建設(shè)、組織和實施時，新型工程教育信息化的探索與實踐是其中的重點。近年來，出現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)在線開放課程、基于虛擬仿真等技術(shù)的工程實踐教學(xué)平臺［5］、創(chuàng)新“互聯(lián)網(wǎng)+”工程教育教學(xué)方法等一批教育信息化成果。

在實驗教學(xué)的信息化探索與實踐中，實驗原理、實驗方法與流程、實驗方案設(shè)計等實驗教學(xué)的核心內(nèi)容仍是重點。基于教育信息化，其方式方法可以多樣化，但需要重視以下幾點：（1）在滿足教學(xué)大綱要求的基礎(chǔ)上［6］，為本科教學(xué)而設(shè)計和實現(xiàn)虛擬仿真實驗；（2）工程教育信息化在于提高工程教育效率和教學(xué)效果，但不能取代教師的作用，而是需要對教師作用重新定位，使之更精準、更高效；（3）在工程教育信息化的同時，要注意處理好學(xué)生共性培養(yǎng)與個性化需求的關(guān)系［7］。

二、實驗教學(xué)探索思路及改革

在明確教學(xué)內(nèi)容和目標的基礎(chǔ)上，梳理大綱中的概念難點和應(yīng)用重點。采用研討式、虛擬式、實驗案例式、實物實驗參觀式等多種實驗教學(xué)方式，對“流體力學(xué)與液壓傳動”中的基本概念、基本理論和基本方法進行講授與互動。以下分別舉例說明該教學(xué)實踐過程。

（一）實驗方法研討式教學(xué)

《流體的基本屬性》章節(jié)中，重點是流體的粘性。對于液體的粘性，部分教材中有案例說明其測量方法，但對于氣體的粘性，并未給出測量方法。物質(zhì)基本屬性的測量，通常伴隨著科學(xué)理論和技術(shù)的進步，比如光速、聲速的測量。針對氣體粘性的實驗測量方法。采用研討式教學(xué)，學(xué)習(xí)不局限于書本知識，而是要接近學(xué)術(shù)前沿，目的是啟發(fā)學(xué)生思考，有自己獨特的見解。

在課后學(xué)習(xí)時，請學(xué)生針對氣體、混合氣體的粘性測量實驗方法，通過查閱文獻和實驗案例，撰寫實驗原理、實驗設(shè)備及裝置、實驗流程，分析該實驗方案下氣體粘性測量的精度、儀器設(shè)備成本。在課堂上以報告、師生研討式教學(xué)進行開展，要重視教師在前沿技術(shù)方面的綜述及評價作用，如圖1所示。

（二）實驗案例教學(xué)

《相似原理與量綱分析》章節(jié)中，重點之一是決定性相似準則數(shù)、自?；院头€(wěn)定性在試驗設(shè)計中的作用，難點之一是決定性相似準則是基于大量實驗總結(jié)規(guī)律。需要給學(xué)生介紹實例，并做到理論聯(lián)系實踐、知識結(jié)構(gòu)邏輯由淺入深、及時與學(xué)生討論和反饋的方法開展教學(xué)活動。

對于有壓流動，決定性相似準則為雷諾數(shù)。流動分層流、過渡和湍流三種狀態(tài)，由臨界雷諾數(shù)決定。當大于臨界雷諾數(shù)時，湍流狀態(tài)的速度分布不隨雷諾數(shù)增加而變化，這時的流動進入自動模化狀態(tài)。當實物與模型都處于同一種自?；瘏^(qū)，模型試驗的雷諾數(shù)可不必與在實物的雷諾數(shù)相等。同濟大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心有很好的實驗基礎(chǔ)，給出MIRA汽車標準模型、我國CRH3高速列車等基礎(chǔ)形體和工業(yè)產(chǎn)品的氣動阻力自?；匦?，圖2展示為MIRA汽車標模實驗案例。

（三）虛擬實驗教學(xué)

《粘性流體力學(xué)》章節(jié)中，重點內(nèi)容有平板剪切應(yīng)力、層流平板邊界層、湍流平板邊界層和流動分離。難點在于平板邊界層摩擦力由邊界層動量積分方程得到，公式繁雜，流動分離概念主要講述必要條件和現(xiàn)象，且兩個基本概念都缺少與工程問題結(jié)合。考慮到實際風(fēng)洞實驗的高成本，需要安全培訓(xùn)等限制因素，可以采用虛擬實驗教學(xué)的方法，講授平板壁面摩擦系數(shù)實驗測量和流動分離實驗。

設(shè)計的油膜法測量壁面摩擦系數(shù)虛擬實驗包含：（1）牛頓內(nèi)摩擦力及雷諾應(yīng)力定義；（2）油膜法測量實驗原理；（3）油膜法測量壁面剪切應(yīng)力實驗過程。其中（3）又包含平板模型實驗對象、光學(xué)儀器及油膜準備、測試4步流程。粒子圖像測速儀（PIV）測量車輛流動分離虛擬實驗，包含（1）流動分離現(xiàn)象及定義；（2）粒子圖像測速儀測量原理；（3）PIV測量風(fēng)洞試驗。其中（3）又包含車型及風(fēng)洞、粒子圖像測速儀布置、測試4步流程。虛擬實驗設(shè)計需重點考慮便于理解和流程清晰，教師在課堂上講授，除基本內(nèi)容外，還重點介紹了實驗過程中的難點（如實驗標定），圖3為油膜法測量壁面摩擦系數(shù)虛擬實驗。

（四）實物實驗參觀

在理論教學(xué)、實驗案例教學(xué)、虛擬實驗教學(xué)基礎(chǔ)上，學(xué)生已對“流體力學(xué)與液壓傳動”課程產(chǎn)生了興趣，并反饋想進一步了解實際實驗過程，以及參與部分工作的意愿。引導(dǎo)學(xué)生參觀實物實驗、直觀感受風(fēng)洞，通過教師現(xiàn)場講解和相關(guān)實驗演示，使學(xué)生了解汽車風(fēng)洞，掌握空氣動力學(xué)風(fēng)洞試驗技術(shù)和測試方法等基礎(chǔ)知識。之后結(jié)合當前科學(xué)和工程問題，引導(dǎo)學(xué)生開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目工作。

三、實驗教學(xué)效果

通過研討式、虛擬式、案例式、實物實驗參觀式等多種實驗教學(xué)方式，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，對“流體力學(xué)與液壓傳動”的基本概念、基本理論和基本方法有了更深刻和直觀的認識；減輕了獨自面對繁雜公式、難題的挫折感；激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)中勇于面對新的挑戰(zhàn)。

引導(dǎo)本科生積極參與科學(xué)研究與實踐活動。在實驗教學(xué)過程中，個性化的研討和交流會促進師生之間科研火花的碰撞。在2020—2021學(xué)年里，學(xué)生積極申報并獲得國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目資助，并發(fā)表研究論文1篇。

結(jié)語

“流體力學(xué)與液壓傳動”是車輛工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是上海市教委重點建設(shè)的課程之一。通過研討式、虛擬式、案例式、實物實驗參觀式等多種形式結(jié)合的實驗教學(xué)方式，實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，加深了學(xué)生對知識的理解和融會貫通。通過創(chuàng)新實驗教學(xué)方法，提高了學(xué)生解決實際問題的能力，獲得較好的教學(xué)效果。

（課題組成員：李辰悅、鄧世越、郭軼）

參考文獻

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［6］李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

［7］林健.深入扎實推進新工科建設(shè)：新工科研究與實踐項目的組織和實施［J］.高等工程教育研究，2017（5）：24-37．

Abstract： The construction of “new engineering disciplines “ in universities is a strategic action in response to a new round of scientific and technological revolution and industrial transformation. In the face of Chinas carbon goals and key technical indicators such as the driving range of intelligent electric vehicles， the contradiction between the rapid development of industry and the shortage of talents has become increasingly prominent. It is urgent to establish a practical teaching system for the cultivation of new engineering talents that considers both theory and practice. Taking the course of “Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission” for the undergraduates majoring in vehicle engineering in Tongji University as the carrier， combined with the key points and difficulties of the curriculum outline， this paper explores the experimental teaching methods of courses in the combination of discussion type experimental teaching， virtual experimental teaching， case experimental teaching， physical experiment and other forms， so as to achieve the cultivation of students professional quality and innovative thinking.