波流水槽教学质量利用

本文作者：钟桂辉 刘曙光 匡翠萍 郑永来 谢立全 单位：同济大学土木工程学院水利工程系

波流水槽模拟系统是模拟自然界中复杂多变的波浪和水流的有效方法之一。由于波浪和水流是港口工程、海岸工程和海洋工程中的主要荷载，因此在港口、海岸和海洋工程的规划、设计和施工中都需要了解波浪和水流的作用。目前了解波浪水流荷载的常用方法有现场观测、物理模型试验和数值模拟3种。到目前为止，有些实际问题不能单纯用数学分析方法去解决，现场观测也很难实现，因此在实验水槽或港池中模拟波浪和海流，可以为港口海岸工程和水工结构的设计、科研、使用条件提供可靠依据。常用的波流水槽模拟系统大都用于科研中，用于教学的系统也往往是为了培养硕士和博士。围绕创新型人才培养这一核心任务［1－2］，同济大学的波流水槽模拟系统在实验室建设中开放运行［3－4］，为本科生的创新精神与实践能力的培养作出了自己的贡献，也取得了一定的成效。

1波流水槽模拟系统简介

同济大学的波流水槽长50m，宽0．85m，深1．25m。波流水槽中间段为钢结构，水槽两侧镶嵌玻璃，底部、槽首和槽尾是混凝土结构。电机驱动式伺服造波机安装在水槽首端。造波机的推波板及机械框架安装在距水槽首端约3m处。造波机系统由硬件设备和控制软件组成。硬件设备主要包括推波板、机械框架、下位控制机、伺服电机及驱动器、伺服控制器、位置传感器、运动控制接口卡、浪高仪、计算机及采集系统等，见图1。系统控制软件主要包括造波机各种造波控制程序、波谱分析、波浪特征统计分析程序等。该波流水槽模拟系统可以模拟规则波、椭圆余弦波、孤立波、叠加破碎波、国内外常用的频谱（包括P－M谱、MPM谱、B谱、J谱、海港水文规范谱）及自定义波谱，波高变化范围为0．02～0．3m，最大造波能力见图2的包络图，在最佳造波周期内波高水深比H／d大于0．4。该系统还可以模拟流场，模拟的最大流量为0．3m3／s。水深0．5m时，槽内最大流速不小于0．7m／s。双向流场模拟系统采用将水泵并联在造流管路中，再连接至水槽首尾下端的均流箱里，与整个水槽构成一个闭合的水流回路。水泵由变频器控制，变频器由造流主控计算机控制，可以实现水槽内双向流场的自动模拟。模拟结果见图3。

2波流水槽模拟系统在本科教学中的应用

2．1为创新人才的培养，开设可操作的本科生实验项目同济大学构建实践教学体系的指导思想是围绕“知识、能力、人格”全面发展的人才培养模式，运用系统科学的理论和方法，对实践教学的各个环节进行整体设计。在制定培养计划时，通过合理的课程设置和各个实践教学模块的合理配置，建立与理论教学体系相辅相成、结构和功能优化的实践教学体系。我们在构建实验教学内容体系时，以港口海岸工程学科的知识结构为背景，以工程实际和现代测量技术在实验教学中得到充分应用为前提，将所有实验教学内容作为一个整体“系统化”来考虑。依据各课程在整个实验教学课程体系中的功能定位，以及各实验项目类型所能够实现的学习目标，从学生的认知能力入手，将各实验项目分为演示型、验证型、设计型和综合型4种实验类型，把整个教学内容按其内在联系由浅入深地纳入一个完整体系，统一编制各类实验的目的和要求。这一改革打破了实验教学的传统课程界线，体现实验教学的整体性、层次性与灵活性，使学生能在有限的课时中，最大限度地掌握必须掌握的各种实验技能［5－6］。学生可以由浅入深，由验证型实验过渡到设计型、综合型实验，最后根据学生的兴趣和对前沿科技的了解，自主设计并完成研究创新型实验。我们为本科生开设的实验项目共6个，分别是：（1）波流水槽演示实验（演示型）；（2）波浪运动特性实验（验证型）；（3）直立堤模型实验（设计型）；（4）斜坡堤模型实验（设计型）；（5）潜坝群后波浪相互作用模型实验（综合型）；（6）河口治理工程实验（综合型）。这些实验内容既体现了学科的发展水平，符合实验教学的规律，又充分考虑了本科生的接受能力，难度适中，可操作性强。

2．2开放波流水槽模拟系统，鼓励大学生创新实验为加强培养学生创新精神和实践能力，促进教育与经济、科技紧密结合，将波流水槽模拟系统向学生开放，鼓励学生以波流水槽为实验平台，进行创新实验项目。近年来，为培养创新人才，各高校都在进行各种尝试，开设创新实验是其中重要的一项举措。实践证明开设创新实验是培养创新型人才的一个很好的方式［7－8］。我校在2006年成为“国家大学生创新性实验计划试点学校”，2007年正式进入“国家大学生创新性实验计划”，2008年又入选“上海市大学生创新活动计划”。学生每年参加包括“同济大学大学生创新实践训练计划（SITP）”在内的各种创新实验项目近500个，以波流水槽为实验平成的创新实验项目每年有4～10个。这些创新实验项目的完成，极大地推动了人才培养模式的改革和创新，提高了学生的学习能力、设计能力、动手能力、组织能力、表达能力、交流能力和运作能力，也极大地提高了学生的创新意识，创新精神和团队合作精神。以波流水槽模拟系统为实验平台的创新项目屡获佳绩，如：在“全国首届大学生水利创新设计大赛”中，创新项目“截流分离雨水净化装置”荣获一等奖，“子母安快坝”摘得二等奖。在“全国第二届大学生水利创新设计大赛”中，创新项目“拱板式生态鱼道”、“多功能组合式丁坝模型”喜获一等奖，“新型双层圆拱式环形胸墙防波堤”赢得二等奖。还有一些同济大学大学生创新实验项目、上海市大学生创新性实验项目也取得了优异的成果。这些成果的取得充分显示了我们培养出来的学生突出的创新能力。图4—图7为部分大学生创新实验项目的实验图片。

2．3促进学生以波流水槽为实验平台，完成本科毕业设计大学生毕业设计是实现大学生培养目标的重要教学环节，是评价高校教学质量的重要标志。大学毕业设计环节在培养大学生探求真理、强化社会意识、进行科学研究基本训练、提高综合实践能力与素质等方面具有不可替代的作用，是教学与生产劳动和社会实相结合的重要体现，是培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神的重要实践环节［9－10］。波流水槽模拟系统涉及到随机波浪理论［11］、机械、模型试验［12］等多种学科，是作为专业训练的毕业设计的理想工具。选题上，我们注重有效利用波流水槽模拟系统，同时注重课程体系与选题之间的衔接；设计内容上，结合工程实践，让学生查阅、收集、分析和处理有关资料，独立完成毕业设计中的模型制作、试验、数据分析，从而解决工程中的实际问题；过程指导中，资深教授和有工程经验的教师全程参与指导，解决毕业设计中容易出现的错误和问题。经过几年的实践，波流水槽模拟系统已经完成了多项毕业设计任务（见表1），在培养学生初步科学研究能力，提高学生解决实际问题的能力，激发和培养学生的创新意识和创新能力等方面做出了较大的贡献。

2．4充分利用波流水槽模拟系统的科研积累为本科教学服务本科生科研能力培养是研究型大学培养创新人才、提高教育质量的重要途径和客观要求。大学是高层次的教育，其培养的人才既应该有较扎实的基础知识和专业知识，还应该具备一定的科学研究能力［13－14］。同济大学的科研能力雄厚，许多教师的科研任务要通过波流水槽模拟系统来完成，加上每年1～2项的同济大学实验教改课题，波流水槽模拟系统的科研任务很多。为使学生了解当前最新的科研成果和科研动向，我们会及时将这些科研中的课题提供给学生，让他们先结合所学专业知识寻找解决办法、设计实验方案、预测实验结果，然后告诉他们实验室中正在采用的实验方案和解决手段，让学生比较自己设计方案与现在实行方案的优缺点，找出自己的差距，从而提高学生的专业知识和科研兴趣。在科研项目实验的进行过程中，我们会在实验的关键时期让学生来参观，讲解实验现象和实验结果。对于特别感兴趣的学生，让他们利用课余时间参与到课题实验中来，从而极大地提高了实验效果，也培养了学生独立思考能力、创新能力和解决工程实际问题的能力［15］。

3结束语

高等学校在培养创新人才的系统中，实验教学是一个重要的环节。结合不同大型精密仪器的特点，有针对性地与本科教学相结合，开展可操作的实验教学活动，对素质教育和培养学生创新能力起着重要的作用。同济大学经过几年的教学实践，将波流水槽模拟系统充分应用到本科教学中，扩大了本科生的教学实验活动，提高了学生的实验技能，也激发了学生的创新思维；既提高了大型仪器设备的使用效率，又达到高校素质教育的目的。