基于海洋科學創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的流體力學實驗教學初探

1、基于海洋科學創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的流體力學實驗教學初探摘要：圍繞培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教育理念，海洋科學流體力學實驗課程承擔著培養(yǎng) 學生認識海洋現(xiàn)象,深入理解海洋動力過程的重要任務開設基本性實驗,使學生 掌握流體能量轉換、流體流動狀態(tài)、邊界層基本知識，增設海洋類專業(yè)性實驗，啟蒙 學生認識地球流體的運動特性，開展自主設計創(chuàng)新性實驗有利于激發(fā)學生科研興 趣，使學生通過學習能透過現(xiàn)象認識本質，從而全面系統(tǒng)地認識海洋 關鍵詞：流體力學實驗；海洋科學；創(chuàng)新型人才；地球流體；海洋波動Discussion on Experiment Teaching of Fluid MechanicsBased on Marine

2、Science Cultivation Innovative TalentsAbstract: In order to cultivate the innovative talents, course of hydromechanics experiment for students major in marine science is set up so that the students can have a better understanding of the phenomena and dynamics in the ocean. The characteristic of the

3、fluid can be learnt by the students through basic experiments, while the geophysical fluid dynamics can be understood through specialized experiments. In addition, innovative experiments carried out by the students can make them have deep comprehension of the ocean.Key words： hydromechanics experime

4、nt; marine science; innovative talents; geophysical fluid; waves in oceano引言探索具有自主特色的創(chuàng)新型人才實踐教育模式是 當前高校面臨的重要課題E,目前迫切需要高校建立 創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)學生的實踐動手能力、 科研創(chuàng)新能力。實驗教學是學生探索未知知識的 重要途徑，進行專業(yè)性探索學習,是培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新 能力的最佳方式和方法。流體力學課程是海洋科學專業(yè)后續(xù)學習專業(yè)課的 基礎性課程，流體力學實驗是對流體力學抽象復雜的 理論知識的驗證和演示，對學生學習流體力學乃至地 球流體動力學等后續(xù)專業(yè)性課程起到了非常重要的 作用

5、X。海洋科學是以地球流體為研究對象，其運動規(guī)律 除與普通流體一致外，還受熱力、重力及地球旋轉這3 種基本因素的支配，使得地球流體運動區(qū)別于一般流 體的特性，即旋轉和層結。發(fā)生在海洋和大氣中的大 尺度運動都遵循旋轉層結流體運動的普遍規(guī)律。 為了更好地突出海洋科學專業(yè)特色，培養(yǎng)海洋科學專 業(yè)學生實踐創(chuàng)新能力，中國海洋大學流體力學實驗課 程自2007年開始進行了一系列改革，對認識流體力學 基本現(xiàn)象的實驗內容放入理論教學中，增設了實驗講 授學時，將實驗教學中常用的測量方法、技術手段開設 專題為學生講授，實驗教學中除了基本實驗外，還加入 了自主設計創(chuàng)新性實驗模塊，為學生提供了一個初步 進行科學研究、培養(yǎng)

6、創(chuàng)新思維的平臺，對培養(yǎng)學生自主 設計實驗能力，提高創(chuàng)新性思維，起到了至關重要的 作用。海洋科學流體力學實驗課程從夯實流體力學基 礎、培養(yǎng)地球流體實踐能力教學目標出發(fā)，使學生通過 基本性實驗，掌握流體能量轉換、層流和流態(tài)及其轉捩 特征、邊界層基本知識;增設專業(yè)性實驗，加強學生對 海洋現(xiàn)象和過程的深入認識;而自主設計創(chuàng)新型實驗 致力于激發(fā)學生科研興趣，啟蒙學生認識地球流體的 運動特性，從而全面系統(tǒng)地認識海洋。1夯實流體力學基礎海洋和大氣作為流體，其運動遵循流體力學的一 般規(guī)律，因此開展普通流體實驗教學可以增強學生對 普通流體運動一般規(guī)律的直觀認識。普通流體的基本 實驗教學設備完善，且多為管道流實驗

7、，經(jīng)過甄選，可 以應用在海洋科學流體力學實驗教學的有伯努利方程 實驗、雷諾實驗、邊界層實驗等,這些都是流體力學實 驗教學中的經(jīng)典實驗。伯努利方程體現(xiàn)了流體能量守恒的關系，表征了 能量轉換，突出了流體速度與壓強之間的關系。雷諾 實驗通過觀察圓管中流體的流動狀態(tài),確定其轉捩特 征，掌握無量綱參數(shù)在實驗中的應用，為學生開展自主 設計創(chuàng)新型實驗提供支撐。邊界層實驗的測定是流體 力學最為基礎的實驗之一,測量平板邊界層流速剖面, 可以加深學生對邊界層概念的認識，了解層流和湍流 邊界層的差異。若使用熱線熱膜風速儀進行邊界層實 驗的測定,還可以得到氣體脈動速度的時空分布及風 場湍流度等重要特征，對于學生深入理

8、解湍流特征、邊 界層結構等都十分重要。2增設海洋科學特色實驗海洋中存在著各種尺度的過程，包含羅斯貝波等 大尺度運動過程、內波與中尺度渦等中尺度過程、海浪 等小尺度運動過程。它們之間并不是孤立的，而是存 在著相互作用及能量交換，因此開展海洋科學地轉實 驗、海洋波動實驗對學生認識海洋現(xiàn)象和海洋中的動 力過程起到了重要的作用，亦可激發(fā)學生科研興趣,探 究海洋現(xiàn)象和過程,全面系統(tǒng)地認識海洋。依托學校強大的科研優(yōu)勢,面對物理海洋小學科 實驗教學設備不足的情況，流體力學實驗室教師注重 實驗教學設備的研發(fā)，研制了小型地球旋轉實驗平臺、 海洋波動實驗平臺,應用于本科生的實驗教學。大尺度地球流體運動首先最主要的

9、特征是地轉效 應,地轉效應最直觀的現(xiàn)象是產(chǎn)生垂直剛性,地球流體 遵循Taylor-Proudman定理，開展泰勒柱實驗是對學生 認識地球流體旋轉效應最直接的手段。西向強化是受 地轉效應影響的典型的海洋現(xiàn)象，西邊界流在全球海 洋物質輸運、能量交換與氣候調節(jié)中發(fā)揮著關鍵作 用囪。開展西邊界流實驗，可以讓學生深入認識西向 強化這一重要的海洋現(xiàn)象。此外，利用自主設計的小 型地球旋轉實驗平臺，還可以模擬羅斯貝波、Ekman layer等這些大尺度的海洋現(xiàn)象。地球流體的另一特征是層化效應,而海洋內波正 是發(fā)生在層結穩(wěn)定的海洋內部的一種波動。內波是海 洋能量級串的重要環(huán)節(jié),在海洋混合中起著至關重要 的作用申

10、0 ，對海洋中大尺度熱鹽環(huán)流的維持亦不可 或缺皿。內波在海洋中可以遠距離傳播，從而影響海 洋中的能量再分配$2頂。開展海洋內波實驗可以讓 學生認識海洋中的波動過程，了解海洋中能量分配的 機制。利用自主設計的波動實驗平臺可以模擬海洋內 波（包括內潮波與內孤立波）的生成、傳播與耗散等過 程,加深學生對于層結流體中物理過程的理解。海洋中還包括海浪這樣的小尺度現(xiàn)象，海浪在海 氣能量交換過程中起到了非常重要的作用,研究表明 風向海浪輸入的能量約60 TW,這一量值遠遠超過對 其他過程的能量輸入皿。開展風浪成長實驗可以使 學生認識海浪的成長過程以及海洋中的能量輸入。除 此之外，利用設計的波動實驗平臺還可以

11、進行波浪破 碎、海面微結構等實驗。3加強自主創(chuàng)新型實驗除基本實驗平臺外,流體力學實驗室教師自主搭 建了三維粒子圖像測速系統(tǒng)（Particle Image Velocimetry, PIV），實現(xiàn)了三維流場的精確測量，并 自主設計了大范圍同步PIV系統(tǒng)，將測量范圍從傳統(tǒng) PIV的30 cm擴充至3 m,這樣可以進行一些大型構件 和大地形的實驗研究（見圖1）區(qū)，且成本降至原來的 1 +15,使得高精尖的科研設備真正可以應用在本科生 的實驗教學中，還能達到讓學生熟知其實驗原理的效 果。自主開發(fā)了激光誘導熒光、合成紋影等新實驗技 術,這些設備與實驗測量手段的使用,極大地擴充了實 驗教學內容,為學生自主

12、設計實驗、本科生科研訓練項 目、本科畢業(yè)論文提供了優(yōu)質的平臺，一些研究生也利 用這些設備開展實驗研究,并發(fā)表了高水平論文,極大 地開拓了學生創(chuàng)新性思維。依托但并不限于自主研制的實驗裝置，流體力學 實驗開展了獨立構思實驗方案的自主設計創(chuàng)新性實 驗。學生們在老師的指導下自主選題，自已動手，利用(d) 8 = 0.47, / =0.74(c) 8 = 0.31, / = 1.31(e) 8 = 0.47, / = 0.99(f) 8 = 0.47 , / = 1.31(h) 8 = 0.63, (d) 8 = 0.47, / =0.74(c) 8 = 0.31, / = 1.31(e) 8 = 0.47, / = 0.99(f) 8 = 0.47 , / = 1.31(h) 8 = 0.63, / = 0.99(a) 8 = 0.31, / = 0.74(g) 8 = 0.63, / = 0.74(i) 8 = 0.63, / = 1.34圖1大范圍同步piv系統(tǒng)測量的內潮在陸架地形上演