依托大学生创新项目 探索力学实验教学模式
中图分类号：G424 文献标识码：A
Rely on Students' Innovative Projects and Explore
Mechanics Experiment Teaching Mode
LAN Yamei， XIAO Shigui， LI Ming， WANG Shiming， SONG Qiuhong， LIU Shuang
（Shanghai Ocean University， Shanghai 201306）
Abstract By summing up a college innovative project， namely the flow around objects of different shapes force wind tunnel experimental study to explore the road of innovation practice a mechanical experiment teaching reform. Students through the implementation of innovative projects， the traditional experimental teaching model can be improved， experimental teaching content can be enriched greatly enhanced the abilities of students， training the students' creative thinking， will truly move to the laboratory classroom， apply what they learn to improve overall quality of students.
Key words flow objects； Reynolds； college students' innovation； experimental teaching
本文对一项上海海洋大学市级大学生创新计划进行总结，该项目主要针对不同形状绕流物体受力进行风洞实验研究，从模型的设计制作到实验测试、实验数据的整理与分析，每个环节都由学生亲力亲为，真正将课堂转移到了实验室，锻炼了学生的创新思维和动手能力，充分利用了学校的实验室资源，将生活中的现象以模型的方式抽象出来，用实验的方法解释说明，得出更深刻的科学证明，取得了较好的实验结果，丰富了实验教学内容。
1 大学生创新项目研究背景及内容
为什么打高尔夫球比光滑圆球打得更远？为什么鱼雷的头部接近流线型？为什么场地自行车赛的运动员都要带一顶具有尖尾巴的帽子？风对汽车的阻力主要来自于迎风面还是背风面？很多人对以上流体力学现象缺乏认识，这主要是因为流体变化难以用肉眼观察、辨认，必须借助相应的流体测试仪器进行分析研究。这些绕流物体阻力问题同尾部漩涡流有关，用风洞结合现代流体力学测试技术可得到阻力变化规律。
在流体中运动的物体统称为绕流物体。绕流的运动一般可分为两类，一类是流体运动，物体静止，流体绕过物体运动；另一类是物体运动，流体静止，物体在流体中运动；当然也可以上述两种运动都有。前者运动如河水绕过桥墩、风吹过建筑物；后者如船在水中运动、飞机在大气中飞行、以及粉尘、泥沙在空气和水中的沉降等。对于后一类运动，可以在运动的物体上建立动坐标系，而将运动转换为流体相对于动坐标系的运动。就研究流体与物体之间相互作用力的问题而言，两者是等价的。
粘性物体绕有曲率物体运动时，在物体后部紧贴壁面区域，将产生逆压梯度。后部靠近壁面的流体在逆压的作用下，将产生倒流现象，并发展成旋涡，这就是曲面边界层的分离现象。一旦产生该现象，边界层的厚度将明显增加，物体后部将形成尾涡区，将外部势流隔离于壁面之外，使得作用在物体上的压强分布具有前后不对称性，且后部的压强小于前部，这种不对称的压强分布产生的合力与来流方向相同，定义为压差阻力。由于物体后部的逆压梯度大小与物面形状紧密相关，因此压差阻力又被称为形状阻力。
流体绕过物体，作用在物体上的力按其方向不同，可分为阻力和升力。前者包括摩擦阻力和压差阻力两部分。摩擦阻力是由于流体与物面摩擦而产生的应力，可用边界层理论计算，而形状阻力一般通过实验测定。绕流阻力用无量纲的阻力系数来表示，计算公式为：
=
式中为绕流阻力；为流体的密度；为来流速度；为物体特征面积，即水平最大截面积。此外，研究发现，雷诺数的大小会影响阻力系数，计算公式为：
=
式中为特征长度；为流体的运动粘度；为来流速度。
本创新实验在风洞中进行，实验对象为直径80mm的圆板、圆锥、半球，后部由细长支撑架固定。实验中用到的设备主要有：直流式低速风洞，是实验中风的来源，将圆盘置于风箱中，用来测定各个物理量，采用风速调频仪调节频率，进而调节风速；YD-28A型应变放大器，测量由于风吹动圆盘而引起的支架形变，从而得到阻力，毕托管测得实验风速，进一步分析可以得到雷诺数与阻力系数的关系。
2 大学生创新项目与力学实验教学相结合
将大学生创新实验项目和力学实验教学结合起来，一方面能将大学生创新实验项目落到实处，有利于更进一步地激发大学生的创新性思维，另一方面可以提高实验教学的质量，丰富实验教学的内容。同时，在创新计划中，改变了实验教学的模式，由传统的灌输模式，发展为学生根据自己感兴趣的课题或者方向，自主实验，具体为学生自主设计实验、完成实验、管理实验。项目实施的过程中，学生的自主性、创新性和团队协作性，以及实验教学质量都得到明显提高。传统的教学实验项目实施，难以实现“以学生为主体，以教师为主导”的实验教学理念，学生普遍都对教师有依赖思想，其次由于实验指导书描述的步骤过于详尽，实验报告的格式较为固定死板，将学生的思维始终局限在设定的框架内，难以激起学生创新的兴趣和热情。 风洞实验使学生能够对流体力学理论有更深层次的认识，同时为实验教学提供了一个更好的平台，能够解决很多难以在传统实验教学中解决的问题，为力学实验的实践教学注入了新的活力。根据研究方案，选择圆板、半球、圆锥三种模型，实验研究雷诺数对阻力的影响。实验过程中，完成了三分力天平的标定工作，得到力与电压之间的关系；利用压差计，得到来流风速与电机频率之间的关系。通过多次实验取平均值的方法，最终得到Re数与三种模型阻力系数Cd的关系。对实验结果进一步分析可知，当风速比较小，Re<5000时，Cd随着Re增大而减小，同一Re值下，平板的阻力系数最大，半球的最小，这是因为半球形状相对圆滑，后部的边界层分离点靠后，尾涡区域较小；而当风速增大，Re>5000时，Cd趋于定值，风速影响不大。实验结论与理论相吻合，因为风速越大，粘性力的影响越小。
在整个创新计划的执行过程中，学生自始至终积极参与前期调研、查阅相关文献资料、进行材料的梳理整合。实验中遇到问题，能够及时和导师进行沟通，修订实验计划和方案，认真规划和管理创新项目的基金经费。通过大学生创新实验项目的实施完成，初步了解科研项目的规范与步骤，大大提高了学生的整体素质，实验中分析问题、解决问题，以及动手能力都得到了锻炼，团队的合作能力也进一步提高。
3 结束语
通过大学生创新计划项目的实施完成，使得实验教学的模式和内容更具多样性和丰富性，调动了学生学习的积极性，使得学生的创新性得到提升。学生在导师的指导下，自主完成立项申报、设计方案、调试设备、准备材料、动手实验、整理分析数据、撰写结题报告等工作，学生的实验动手能力以及综合素质都有较大的提升。以大学生创新项目为载体，使实验教学的模式和内容较之前均有一定的提升，这也正是力学实验实践教学改革的一条创新之路。
基金项目：本文受“2013年课程教学方法改革研究项目”（项目号：A-0201-13-0313017）和“2013年度校级大学生创新活动计划项目（沪海洋教〔2013〕号）”资助
