應(yīng)用型本科“計(jì)算流體力學(xué)”課程改革探索

胡坤

摘要：總結(jié)分析了當(dāng)前計(jì)算流體力學(xué)課程教學(xué)的弊端，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核措施上提出對(duì)于應(yīng)用型本科計(jì)算流體力學(xué)課程應(yīng)當(dāng)以工程應(yīng)用為目標(biāo)，減少理論課時(shí)的觀點(diǎn)，同時(shí)提出以工程案例啟發(fā)方式實(shí)施理論教學(xué)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式實(shí)施上機(jī)實(shí)踐的課程教學(xué)方法；提出以課程大作業(yè)方式替代傳統(tǒng)閉卷考試的考核方式；有利于提高學(xué)生利用計(jì)算流體力學(xué)處理實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；課程改革；應(yīng)用型本科；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）22-0123-02

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一門(mén)集成了流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科。計(jì)算流體力學(xué)的基本思想為[1]：通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含流體流動(dòng)和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象做出系統(tǒng)的分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

《計(jì)算流體力學(xué)》課程開(kāi)設(shè)的主要目的在于使學(xué)生掌握流動(dòng)及傳熱問(wèn)題數(shù)值模擬的基本理論與建模思路、掌握常用商用CFD軟件的使用方法，能夠利用計(jì)算流體力學(xué)方法解決實(shí)際研究問(wèn)題[2]。課程內(nèi)容涉及了流體力學(xué)理論、數(shù)值計(jì)算理論、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)以及計(jì)算軟件的工程應(yīng)用等。課程理論內(nèi)容較多，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)較為吃力，常處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，因此需要改進(jìn)教學(xué)策略，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)[2]。同時(shí)該課程還與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系緊密，如何將理論與工程實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，也是本課程教學(xué)中需要探討的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年在教學(xué)過(guò)程中的改革和摸索，下面淺談一下我們?cè)凇队?jì)算流體力學(xué)》課程改革方面的一些探索。

一、計(jì)算流體力學(xué)課程內(nèi)容

計(jì)算流體力學(xué)包含內(nèi)容甚廣，從總體上講，可按照不同的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩個(gè)主要方向：

1.將計(jì)算流體力學(xué)自身作為對(duì)象的課程體系。該體系的研究對(duì)象為計(jì)算流體力學(xué)本身，主要以流體力學(xué)數(shù)學(xué)物理模型模型構(gòu)建、數(shù)值離散方法、高性能數(shù)值計(jì)算算法開(kāi)發(fā)為主要內(nèi)容，側(cè)重點(diǎn)為計(jì)算流體力學(xué)理論及其實(shí)現(xiàn)方法。

2.以計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用為主的課程體系。此體系以如何更好地將計(jì)算流體力學(xué)方法應(yīng)用于工程作為研究對(duì)象，主要以應(yīng)用技能為課程目標(biāo)，側(cè)重點(diǎn)為現(xiàn)實(shí)物理問(wèn)題的簡(jiǎn)化建模、利用計(jì)算機(jī)程序解決物理問(wèn)題以及對(duì)計(jì)算結(jié)果的科學(xué)解釋等。

對(duì)于應(yīng)用型本科《計(jì)算流體力學(xué)》課程來(lái)講，應(yīng)當(dāng)更多地關(guān)注計(jì)算流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用，將計(jì)算流體力學(xué)作為一項(xiàng)解決工程問(wèn)題的工具，培養(yǎng)學(xué)生在利用該工具解決實(shí)際工程中的流體問(wèn)題的能力[3]。

二、原有教學(xué)方法的弊端

西南石油大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)較早開(kāi)設(shè)了《計(jì)算流體力學(xué)》課程，培養(yǎng)了多屆學(xué)生，積累了一些寶貴的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。然而，該課程教學(xué)方式仍不夠成熟，存在一些弊端，教學(xué)效果受到影響。這些弊端主要表現(xiàn)為：

1.教學(xué)內(nèi)容偏于理論。在教學(xué)過(guò)程中，當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容還延續(xù)中傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)的基本內(nèi)容，即：流體流動(dòng)控制方程的推導(dǎo)、離散方法及線性方程的解法等，在課程講解過(guò)程中，仍以有限差分法、有限體積法及這些數(shù)值算法的收斂性、穩(wěn)定性、計(jì)算精度等方面作為主要的講解對(duì)象，教授過(guò)程中涉及到大量的理論推導(dǎo)及數(shù)學(xué)理論的應(yīng)用。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生們普遍反映教學(xué)內(nèi)容難懂難學(xué)，枯燥乏味。同時(shí)大量的理論教學(xué)還影響了上機(jī)教學(xué)時(shí)間。

2.工程實(shí)踐能力轉(zhuǎn)化不足。當(dāng)前教學(xué)計(jì)劃中雖然搭配了16個(gè)課時(shí)的上機(jī)教學(xué)，但仍顯不足。經(jīng)過(guò)多次的上機(jī)練習(xí)，部分學(xué)生能夠掌握利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法解決工程問(wèn)題的一般流程，但是大部分學(xué)生仍然不具備解決新問(wèn)題的能力。在上機(jī)練習(xí)過(guò)程中，學(xué)生按照教師提供的上機(jī)指導(dǎo)書(shū)中的計(jì)算模型操作完成，而對(duì)于計(jì)算中非常重要的如計(jì)算區(qū)域創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計(jì)算模型選擇、邊界條件、初始條件及計(jì)算控制參數(shù)等缺乏自主的思考。針對(duì)上述問(wèn)題，迫切需要對(duì)課程進(jìn)行教學(xué)改革，提出新的教學(xué)理念，利用合理的教學(xué)方式，提高教學(xué)質(zhì)量。

三、課程改革措施

計(jì)算流體力學(xué)課程改革主要從三方面進(jìn)行。

1.教學(xué)內(nèi)容改革。以計(jì)算流體力學(xué)的工程應(yīng)用為主線，采用案例教學(xué)的方式培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算流體力學(xué)方法解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。具體改革內(nèi)容包括：（1）減少理論推導(dǎo)，強(qiáng)化物理問(wèn)題的分析。對(duì)于如流動(dòng)控制方程的推導(dǎo)、各種數(shù)值離散方法的推導(dǎo)以及離散方法的斂散性證明等內(nèi)容不作為重點(diǎn)講授內(nèi)容。強(qiáng)化對(duì)于物理現(xiàn)象的理論分析及利用計(jì)算流體力學(xué)方法解決工程問(wèn)題的能力，將計(jì)算流體力學(xué)所涉及的物理現(xiàn)象其分為4個(gè)專題：①基本流動(dòng)問(wèn)題。②傳熱問(wèn)題。③多相流問(wèn)題。④組分輸運(yùn)問(wèn)題。（2）完善上機(jī)內(nèi)容。修改上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，確保指導(dǎo)書(shū)中的上機(jī)案例的完整性，每一個(gè)案例均包含計(jì)算流體力學(xué)方法解決工程問(wèn)題的所有過(guò)程，這些過(guò)程為：①工程問(wèn)題的物理表達(dá)及簡(jiǎn)化。②流體計(jì)算域創(chuàng)建。③計(jì)算網(wǎng)格劃分。④計(jì)算模型選擇。⑤計(jì)算后處理。

2.教學(xué)方法改革。在明確了教學(xué)內(nèi)容之后，剩下的問(wèn)題就在于“如何教”上[4]。對(duì)于面向工程實(shí)踐的計(jì)算流體力學(xué)課程體系，區(qū)別于以前理論為主的課程體系以課堂教學(xué)為主上機(jī)為輔的教學(xué)方式，提出以下的教學(xué)方法改革措施：（1）以工程案例啟發(fā)方式進(jìn)行理論教學(xué)。面向工程實(shí)踐的計(jì)算流體力學(xué)課程體系包含少量的理論教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)組織過(guò)程中，理論教學(xué)內(nèi)容始終貫穿“以工程應(yīng)用為主”的指導(dǎo)思想，盡量弱化理論推導(dǎo)過(guò)程，重點(diǎn)講解理論公式的應(yīng)用方式以及在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意的內(nèi)容。（2）以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行上機(jī)教學(xué)。通過(guò)對(duì)之前的上機(jī)模式進(jìn)行改革，采用以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行上機(jī)教學(xué)。教師在上機(jī)教學(xué)中可以將3—4名學(xué)生分為一個(gè)討論小組，為每個(gè)小組布置不同的課題，讓學(xué)生們?cè)谡J(rèn)真研究和理解文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，找出具體的切入點(diǎn)深入研究，并在課堂上分批次地匯報(bào)各自小組的研究?jī)?nèi)容，包括物理問(wèn)題的簡(jiǎn)化，數(shù)學(xué)模型的建立，具體的求解過(guò)程及參數(shù)設(shè)置，以及結(jié)果的詳細(xì)分析及討論。

3.考核方式改革。傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)考試為閉卷考試，最終考核成績(jī)?yōu)榫砻娉煽?jī)占比70%，上機(jī)成績(jī)占比30%，很難看到創(chuàng)新的教學(xué)改革手段體現(xiàn)在學(xué)生身上的效果，因此，提出對(duì)原有的考核方式進(jìn)行改革，不再實(shí)施閉卷考試，改為以最終課程大作業(yè)為成績(jī)考核對(duì)象。選擇有代表性的工程問(wèn)題作為結(jié)課大作業(yè)，學(xué)生以提交結(jié)課報(bào)告及答辯的形式完成課程考核。考核內(nèi)容及成績(jī)?yōu)椋涸?00分的總成績(jī)中，結(jié)課報(bào)告占70分。其中，對(duì)物理問(wèn)題的抽象簡(jiǎn)化及物理模型的選擇是否全面、準(zhǔn)確占30分；報(bào)告的邏輯結(jié)構(gòu)是否清晰占20分，文獻(xiàn)檢索內(nèi)容占20分，論文報(bào)告要求內(nèi)容翔實(shí)、全面；答辯過(guò)程中語(yǔ)言表達(dá)占20分。以上課程考核措施的制定，都是以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算流體力學(xué)課程的積極性為首要前提，旨在提高他們的解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

四、總結(jié)

本文針對(duì)應(yīng)用型本科《計(jì)算流體力學(xué)》課程教學(xué)改革方式進(jìn)行了探討，總結(jié)了現(xiàn)有的教學(xué)方式方法存在的弊端，并在此基礎(chǔ)上提出對(duì)于應(yīng)用型本科計(jì)算流體力學(xué)課程應(yīng)當(dāng)以工程應(yīng)用為目標(biāo)，減少理論課時(shí)的觀點(diǎn)，同時(shí)提出以工程案例啟發(fā)方式實(shí)施理論教學(xué)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式實(shí)施上機(jī)實(shí)踐的課程教學(xué)方法；提出以課程大作業(yè)方式替代傳統(tǒng)閉卷考試的考核方式，有利于提高學(xué)生處理工程問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]歐益宏，易蘭，齊勝，班貴振，杜揚(yáng)，蔣新生，梁建軍.基于自主學(xué)習(xí)的研究生專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)策略探索——以“計(jì)算流體力學(xué)”為實(shí)踐[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2014，14（1）：124-127.

[3]章大海，周昌靜.以學(xué)生為主體的計(jì)算流體力學(xué)課程教學(xué)思考_章大海[J].教書(shū)育人：高教論壇，2015，12（30）：78-79.

[4]王瑩，孫曉晶.CFD數(shù)值模擬在計(jì)算流體力學(xué)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2016，31（6）：146-147.

Exploration of Computational Fluid Dynamics Curriculum Reform to Application-oriented University

HU Kun

（School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

Abstract：Promote ideals computational fluid mechanics course should be aimed at the engineering application and reduce the theory based on analysis the disadvantages of the current teaching process.with the driving mode of project implementation of the practice of the course teaching methods；Put forward to replace traditional large assignments way request for examination of the appraisal way；To improve students the ability to deal with practical engineering problems by using computational fluid dynamics.

Key words：computational fluid dynamics；curriculum reform；application-oriented university；project driven