培养应用型人才的流体流动综合实验教学探讨

中图分类号：G312 文献标志码：A

作为祖国的桥头堡，内蒙古自治区连接东北三省，与华北和西北八省相通，与俄罗斯和蒙古接壤，拥有丰富的煤炭、稀土、石墨等21 种矿产资源，储量在全国位居首位 [1]。近年来，全区在煤炭产能、电力总装机容量、新能源装机容量、外送煤炭和外送电量等方面均居全国前列。面对地区优势资源和为了完成五大任务，自治区的化工行业正通过资源高效利用、技术迭代和集群化发展，加速向高端化、多元化、低碳化方向迈进，成为全国能源化工产业升级的重要标杆[2]。而在这一过程中，化工行业的发展离不开高素质综合型人才。

在满足为地方培养需求人才的同时，作为地区高校，也要实现新工科人才培养理念和培养模式的转变，即培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。就课程特点而言，作为化工及相关本科专业的专业基础课《化工原理》，简称为三传，即动量传递、热量传递和质量传递，三种传递过程有相似的共性规律。同时，绝大多数化工生产过程都是伴随着物料流动过程进行的，因此，学好流体流动的内容对于学习其他两种传递过程就显得尤为重要。此外，在从上世纪二十年代引入我国开始，作为典型的工科课程《化工原理》就一直离不开实践教学的支撑。综上，为了培养地方需求的高素质新工科化工人才，本文以《化工原理》的第一个实验课程，即《流体流动综合实验》教学展开讨论。

从实践课程的重要性、预习和自主通过虚拟仿真实践发现问题、实践前的讨论和实际操作、前沿科学研究-热管传热性能和黏度的关系探究及撰写报告的全过程，采用综合的评价手段评估学生的能力，在整个实践教学的环节，丰富学生的实践方式，培养学生发现问题、能够利用工程思路和方法解决问题、团队协作和探究等的综合能力。

1 《流体流动综合实验》的独立设置

作为实践课程，《流体流动综合实验》通常是以课内实践课程开设的，这样设置的话往往存在学生对该门课程重视程度不足的问题。 绝大多数学生会认为只是学时量很少的辅助课程，只要完成任务就行，而忽略了此门实践课程对于理论课程《化工原理》和专业工科素养能力培养的重要性[3， 4]。因此，为了从制度上提高师生对于此门课的热情和投入程度，将此门课与其他化工原理实验课程与《化工原理》理论课程分开，作为单独课程展开相关的教学实践活动。这么做的好处还包括：首先，避免了实践教学被理论教学挤压的风险，确保学生完整经历了“认知- 实践- 反思”的闭环训练；其次，还可以针对性强化学生的判断思维、协作能力和创新思维，形成课堂训练难以提供的锻炼途径；最后，单独授课可以提供多元的评价手段，对学生的综合实践能力提供更为详实、贴切的评级数据和结论。

2 引入虚拟仿真模拟做好充分预习和发现问题

在实践课开始前，要求学生在天津大学等知名院校研发的流体流动综合实验 3D 虚拟仿真实验（北京欧倍尔软件技术开发有限公司）完成《流体流动综合实验》的预习及模拟操作，并生成预习报告和得到相应成绩。该虚拟仿真实验是利用动态数学模型实时模拟真实实验现象和过程，通过 3D 仿真实验装置交互性操作，产生和真实实验一致的实验现象和结果。例如在传统流体流动综合实验室无法完成的验证实验如不同直径光滑管阻力曲线测定、粗糙管不同物系下阻力曲线测定、不同相对粗糙度阻力曲线测定等，每位学生都能动手做实验，观察实验现象，记录实验数据，验证公式、定理，需要单独完成化工 骤和数据处理等基本实验过程，满足工艺操作训练要求，起到辅助教学的作用。生成的预习报告不 械的抄写原理和公式，而是考察学生是否能够正确完成实验操作，获得有效测试数据，进而在运用范 得到有效的摩擦系数值和摩擦系数曲线，以及对已完成的实验进行有效分析。进而，可以非常定量的考察 在每个预习环节的掌握情况。而在报告中最后一部分的实验分析，主要考察了学生对于实验的内容、目的、 测试依据、U 管压差计读数的影响因素、雷诺数的计算和范宁公式的表达等实践内容做了全面、详细的头脑复盘，加深学生对直管流动中能量损失的相关原理和公式的熟知及掌握[5-7]。而在实验操作过程中的扣分项是线下实践课操作前重点讨论的内容之一。

3 实践课程的讨论和讲解及先进的实验设备为线下实践提供多元练习

在线下学生实践操作前，教师就仿真模拟中大多数学生操作的扣分项与学生展开讨论，如开启离心泵前为什么要检查管路中所有阀门的闭合情况、怎么确定管路中是否还有气泡，如果气泡存在会对实验结果产生什么影响、倒置 U 管压差计是否需要赶气泡，怎么赶、测试数据结束后是需要先关所有管路阀门还是泵等。就原因和误操作及结果相关联，让学生从错误的实践中进步，加深理解和实现后续正确操作。之后对照直管段的阻力系数方法，教师讲解阻力系数法测定局部阻力。在深入了解直管段和非直管段的阻力测定方法、原理和操作的基础上，学生展开真正线下的实践操作。同时，在交流过程中，教师可以渗透核心原理 - 伯努利方程的由来和了不起的伯努利家族，通过经典理论和榜样的力量，让学生认识到“三人行”中协作的重要性和“人生需要坚持长跑”的意义。

线下实操设备为 2024 年新采购的多台由清华大学等研发的综合流体力学实验装置（莱帕克（北京）科技有限公司）。该设备首先具有管路及涡轮流量计内实验介质流动状态清晰可视的优点，帮助加深学生对于流动过程的主观理解。其次，该设备还具有 4 种局部阻力测试模块化拆卸、组装，拓展学生思维和动手能力，学生可根据兴趣进行针对性研究，补充了仿真模拟实验缺乏局部阻力测试的短板。最后，该设备还具有全触摸集成化控制，高稳定数据传输的特点。除了核心阀门需要手动调节外，实验过程中的其他调控和数据的采集均在中控的电脑屏上实现，与目前化工企业生产中高度中控的情况更为接近，有利于为地方培养综合应用型化工人才。综上，借助新的实验设备，学生在更接近化工厂中控操作的条件下，可以充分研究流体在直管和局部中的摩擦损失情况，动手演练更为丰富，与之前本实验中学生主要的实践动手为机械调节阀门形成明显对比。

4 热管中工作介质黏度与传热性能探讨

具有结构紧凑、均温性强、导热系数大等优点，作为一种新型的传热元件，热管可广泛满足国家重大战略发展需求、新 / 可再生能源、军事装备、航空航天、微电子、信息技术、智慧储能、人工智能、健康医疗、节能环保等领域 [ 8， 9]。热管的主要热传递方式为相变传热，其蒸发端受热使其内部工质吸热蒸发沿着蒸汽腔传递，在冷凝端发生冷却并由毛细结构的毛细力作用回流至蒸发端，持续循环工作。通过模拟实验（模拟实验的设备示意图详见图 1[10]），分别研究热管冷却段换热温度对于热管毛细结构中液体黏度及流动速度的影响规律，以及蒸发端换热温度对于管体内蒸汽黏度及流速的影响规律。通过科研模拟实验的加入，帮助学生了解化工前沿换热材料的性能、用途和我国科研工作者已经取得的成绩，增加学习和专业的兴趣，同时增强民族自豪感。在专业技能方面，探究温度对液体和气体 2 种不同流体黏度的影响，进而研究黏度对流体流速即传热性能的影响规律。最终掌握不同流体黏度的核心影响因素，加深认识即黏度的本质就阻碍流体流动。

5 撰写实验报告

实验报告除了囊括本实验中涉及的核心数据处理计算过程及实验曲线的绘制、前沿热管模拟实验的探究，还额外的增加了心得体会（例如后续可以提高或优化点和措施或收获，怎么认识单一变量、核心物理量的平均值概念与实测的波动性之间的关系、同一个物理量测量单位和计算单位之间的换算、借助软件处理数据的优势、绘制有效实验曲线的注意点、探究实验的摸索、流体流动的应用领域、组内成员怎么高效协作等）部分。旨在让学生通过对整个实验完成情况的复盘，加深对工科的主观认识和提高学习的兴趣。报告中需要覆盖的内容和呈现形式详见表1。

6 评价手段的多元化探讨

之前教学中采用预习报告、实践操作成绩和实验报告的简单给分方法，难以衡量学生的综合能力，因此有必要研究可以覆盖《流体流动综合实验》整个实践教学活动的评价方法，进而为后续《化工原理》理论课程和实践课程的开展提供借鉴 [1 。首先在预习部分，需要参考学生在虚拟仿真平台获得的成绩、预习报告中数据和结论的有效性，以及预习报告中实验分析是否做的完整和贴切。在课程实践过程中，要评估学生在实践前讨论部分的参与度与准确性、操作过程中的准确性和与他人的沟通协调能力。在实验报告中注重所有实验数据的有效性、数据处理过程的合理性、对于实验现象的认知度、数据、图表和结论表达的专业性、心得体会的深度。评价手段的多样化才能更好地践行新工科的培养理念和模式，进而实现为地区经济发展需求培养多元化的化工应用型人才。表2 列举了部分评价手段及其具体比重，期望可以实现对《流体流动综合实验》这一《化工原理》配套的第一个且打基础的实践教学过程中，对学生的化工素质及能力进行综合、全面的评价，为后续相关教学活动的优化和提高提供参考。

7 结语

兴趣是最好的老师，本论文通过从虚拟仿真平台、和任课教师的讨论、先进设备的操作、前沿热管技术的性能探索和完整正式报告的撰写活动等多方面丰富的实践活动让学生熟知流体流动过程的重要性和其中蕴含的原理和机理等内容，整个过程学生的自主参与度更高，不再是简单地填鸭式教学，实践出真知，通过实践学生可以真正熟知流动现象和相关机理研究，才能为后续学好专业基础课开好头。同时在多种实践教学活动中，渗透常规工程问题的解决思路和方法，例如由繁化简、类比、有效性、控制变量等，潜移默化的培养学生的工程思维和能力。在实践操作、模拟实验和报告处理过程中，需要学生独立运用不同的技术平台和软件等，并且可以有效实现团队沟通和协作，是当下新工科人才必须掌握的技能和具备的职业素养。此外，前沿热管性能研究课题的摸索，可以提高学生对于专业或者行业的自豪感，而不再停留在固有印象，即所学知识与时代或当下严重脱节。采用先进的集成实验设备为学生更进一步了解企业或行业的操作方式和发展方向提供了可能，也可以鼓励更多的女性学生投入到化工企业，当下规模化化工生产采用的中控室中需要的人才越来越多，而人才自身的体力不再是关注点。最后，结合多元化的评价元素为《流体流动综合实验》的开展及优化提供保障，更为地区培养化工类应用型人才添砖加瓦。

参考文献

[1] 张凯 ， 张静 . 内蒙古突破资源型城市产业转型的困境与对策研究——以包头市为例 [J]. 中国林业经济 ，2018，（05）：111-116.

[2] 柯晓明 . 能源化工行业培育新质生产力的重点方向 [J]. 中国石化 ，2024，（04）：31-33.

[3] 陆国栋 ， 李拓宇 . 新工科建设与发展的路径思考 [J]. 高等工程教育研究 ，2017，（03）：20-26.

[4] 郭蒙 ， 孟运娟 ， 龙成梅 . 基于科学概念构建的流体流动虚拟仿真实验教学设计 [J]. 广州化工 ，2023，51（09）：192-194.

[5] 王琨琦 ， 陈国军 ， 左妍 ， 等 . 新工科背景下化工仿真教学的探索与实践 [J]. 长春工程学院学报 （ 社会科学版 ），2021，22（03）：115-119.

[6] 张莹 ， 刘红晶 ， 赵薇 ， 等 . 新工科建设背景下化工原理实验的教学改革与实践 [J]. 广州化工 ， 2023，51（15）：165-167+170.

[7] 周爱东杨红晓赵蕾 . 大工程观背景下开放型化工仿真实验的教学实践 [J]. 实验室研究与探索2010（29）：101-103.

[8]Subhan Ali Shaik， Praveen Kumar Nigam， S. K. Gugulothu. Advanced fin designs for improved thermalmanagement in pcm-based latent heat storage systems [J]. Applied Thermal Engineering， 2025， 272： 12633.

[9]Chen Z P， Yuan B， Yang J et al. Numerical simulation of a novel composite microchannel for large-scale THzphased array antennas thermal management [J]. International Journal of Thermal Sciences， 2025， 214： 109924.

[10]Liang Q Q， Han X X， Wang Y X. Experimental investigation of thermal performance of a unique heat pipearray[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 2015， 29（2）： 346-352.

[11] 马靖文 ， 畅志兵 ， 徐立恒 ， 等 . 基于虚拟仿真平台的化工原理实验课程教学改革的思考 [J]. 化学工程与装备 ，2023，（08）：275-276+285.

[12] 曾嵘 ， 任玉 ， 杨世芳 ， 等 . 基于工程认证的化工原理教学改革与实践 [J]. 大学化学 ，2021，36（1）： 54-59.

[13] 陈立妙 ， 唐俊涛 ， 王海燕 ， 等 . 应用化学综合实验课程的教学改革与实践 [J]. 广州化工 ，2023，51（13）：233-235.

[14] 张 海 洋 ， 董 延 召 ， 李 豪 杰 ， 等 . 化 工 原 理 实 验 与 前 沿 科 研 成 果 相 融 合 的 探 索 [J]. 大 学 化学 ，2024，39（10）：308-313.

基金项目：2022 年度教育教学改革研究项目（批准号：JY2022030）

作者简介：付蕊（1987- ），女，副教授，主要从事《化工原理》理论和实践教学的讲授及煤基固废的高值化研究。