工程教育專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向的計算流體動力學(xué)分析教學(xué)探索

王東祥+崔政偉+俞建峰

摘 要：為了進一步提升過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生的教學(xué)質(zhì)量，本文針對計算流體動力學(xué)課程的教學(xué)開展探索與實踐。以工程教育專業(yè)認(rèn)證的三個核心理念為導(dǎo)向，結(jié)合本專業(yè)對該課程的需求，從教學(xué)制度、學(xué)生及教師授課三個方面分析了目前教學(xué)中存在的主要問題，結(jié)合相關(guān)高校的教學(xué)經(jīng)驗以及學(xué)生的教學(xué)建議，提出了一些改善教學(xué)效果的具體措施及途徑，并進行了兩屆學(xué)生的教學(xué)實踐，教學(xué)質(zhì)量有了顯著提升。

關(guān)鍵詞：計算流體動力學(xué)；過程裝備與控制工程；工程教育專業(yè)認(rèn)證；課程改革

一、 引言

過程裝備與控制工程（簡稱“過控”）專業(yè)隸屬工學(xué)機械大類，以流程性物料（氣、液、粉體等）為加工對象，以改變物料狀態(tài)和性質(zhì)為目的，涉及流動與傳熱、傳質(zhì)等過程所需的全套裝備，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用。江南大學(xué)過控專業(yè)結(jié)合工業(yè)4.0和中國制造2025的發(fā)展需求，依托學(xué)校在輕工食品行業(yè)的領(lǐng)先優(yōu)勢，培養(yǎng)復(fù)合型、工程應(yīng)用型高級專門人才。為了加快本專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，需進一步深化工程教育專業(yè)認(rèn)證核心理念，以產(chǎn)出為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心，持續(xù)改進，突出強調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果、密切關(guān)注學(xué)生“應(yīng)該得到什么”。本文基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，以計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的教學(xué)出發(fā)，結(jié)合我校過控專業(yè)實際情況，分析本課程在教學(xué)過程中存在的問題，吸取相關(guān)高校的教學(xué)經(jīng)驗，探索了提升教學(xué)效果的具體措施。

二、 教學(xué)中存在的問題

1. 教學(xué)制度方面

CFD上承高等數(shù)學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)，下承接過程設(shè)備設(shè)計、過程流體機械、過程裝備密封技術(shù)，服務(wù)于如換熱器、泵、風(fēng)機、壓縮機、膨脹機、內(nèi)燃機及汽輪機等典型過程設(shè)備。相比必修課程，CFD教學(xué)內(nèi)容專業(yè)性高、知識更新快，涵蓋專業(yè)理論研究方向的前沿，教學(xué)質(zhì)量仰賴于教師的平時積累。課程設(shè)置是否合理也影響到本課程的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生容易出現(xiàn)流體力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)課程知識點掌握不扎實、銜接不緊密等情況；課程內(nèi)容也可能存在重復(fù)而導(dǎo)致教學(xué)資源浪費。另外，考核方式也存在很大弊端，完成報告的考核方式并不十分嚴(yán)格。這些均在不同程度上影響了學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效果。

2. 學(xué)生方面

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相對于必修課，學(xué)生對選修課的選擇趨于盲目性，依靠感覺，對所選課程的授課內(nèi)容缺乏了解，往往出現(xiàn)學(xué)習(xí)效果與心理預(yù)期不一致，產(chǎn)生混學(xué)分、避難就易等不良現(xiàn)象。部分同學(xué)認(rèn)為選修課基本沒有學(xué)習(xí)壓力，容易通過且與畢業(yè)不掛鉤。CFD一般安排在大三下或大四上學(xué)期，正值學(xué)生考研和求職期，課堂已成為部分同學(xué)的考研自習(xí)室?？己朔绞揭矅?yán)重影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，目前主流的考核方式是完成報告，成績五級制，學(xué)生往往從網(wǎng)上查抄相關(guān)內(nèi)容作為考核報告提交。雖然本校過控專業(yè)已試點一生一題，獨立完成，部分學(xué)生仍照搬他人或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容。除此之外，各種移動終端對學(xué)生的誘惑力難以想象，特別是各種社交APP、手機游戲等已占據(jù)了學(xué)生的大部分時間，沒有將較多精力投入課程中。

3. 教師授課方面

CFD的典型特點是涵蓋很多相互關(guān)聯(lián)的基本概念和定律，涉及大量的數(shù)學(xué)知識和理論推導(dǎo)，理解和掌握難度較大。另外，因教學(xué)制度和學(xué)生本身因素的影響，學(xué)生往往認(rèn)為計算流體動力學(xué)這門課程乏味、枯燥，學(xué)生對這些知識的理解和掌握程度本來就存在差異，如果課堂氣氛壓抑，學(xué)生無精打采，應(yīng)付老師的要求，少發(fā)言甚至不發(fā)言，這樣很難提起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，教學(xué)效果可想而知。CFD課程的工程實踐性很強，授課內(nèi)容應(yīng)該涉及大量的工程例子，但由于教學(xué)制度和學(xué)生表現(xiàn)的影響，有些教師照本宣科，教學(xué)內(nèi)容不夠豐富；有些教師認(rèn)為學(xué)生對于選修課只是簡單地涉獵，無需深入，課前準(zhǔn)備不足，授課安排不合理，在教學(xué)內(nèi)容和方法上沒有認(rèn)真?zhèn)湔n，教學(xué)態(tài)度不夠認(rèn)真，引起負(fù)面效應(yīng)。

三、 改善教學(xué)的措施

1. 授課內(nèi)容

CFD開課時間一般為大三下或大四上學(xué)期，總學(xué)時32個，理論學(xué)時26個，主講內(nèi)容為流體流動與傳熱問題的控制方程、空間及時間離散格式、湍流模型及其數(shù)值解法；上機實踐學(xué)時6個，結(jié)合FLUENT軟件介紹CFD軟件組成、原理及其在流場分析、傳熱以及多相流模擬等方面的最新應(yīng)用。近兩屆學(xué)生增加了2學(xué)時的建模內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生抽象出物理模型的能力，如本屆學(xué)生的題目為“從塔設(shè)備受到風(fēng)載荷作用或者管殼式換熱器殼程中流體的橫向流動抽象出一個物理模型”。值得欣慰的是，大部分同學(xué)均能意識到是圓柱繞流問題?？紤]到學(xué)生選課的盲目性，需細(xì)化緒論的內(nèi)容，如可以將工程實踐和生活中的實例作為引子與學(xué)生互動，讓學(xué)生體會到本門課程的知識應(yīng)用無處不在，進而使學(xué)生對本課程的前世今生、架構(gòu)、內(nèi)容設(shè)置以及實際應(yīng)用有明確的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2. 教學(xué)方法

隨著當(dāng)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和運用新技術(shù)強化學(xué)習(xí)，如手機、平板電腦等移動終端，對課堂教學(xué)進行補充和鞏固。借助于交互式的課程設(shè)計，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，將內(nèi)容通過PPT課件、動態(tài)圖片和仿真視頻結(jié)合，調(diào)動課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生求知欲，注意課堂氣氛張弛有道，使教師教的主導(dǎo)作用和學(xué)生學(xué)的主體作用的發(fā)揮和諧統(tǒng)一?？刹捎萌绗F(xiàn)場教學(xué)、課堂研討、課外大作業(yè)等靈活多變的教學(xué)模式和方法。最好在教室里設(shè)置手機、平板電腦等放置區(qū)，從根本上避免學(xué)生上課玩手機等現(xiàn)象。另外，可將教學(xué)內(nèi)容以專題形式編排，由該領(lǐng)域經(jīng)驗最為豐富的教師授課，教師人數(shù)控制在5人以內(nèi)；也可請企業(yè)相關(guān)人員參與授課，從企業(yè)需求的角度來對學(xué)生傳達知識，或許學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性更好。

3. 實踐環(huán)節(jié)

經(jīng)過兩屆學(xué)生的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生完全能順利完成一個實際工程問題的數(shù)值分析時，理論知識的掌握程度也得到了鞏固和提高。約80%的學(xué)生建議增大實踐學(xué)時的占比，而基礎(chǔ)理論部分的學(xué)時可適當(dāng)壓縮。在充分聽取了學(xué)生的建議，并與學(xué)生交流和探討后，本校過控專業(yè)將基礎(chǔ)理論部分壓縮至20學(xué)，實踐學(xué)時增加至12學(xué)時，增加了企業(yè)現(xiàn)場培訓(xùn)環(huán)節(jié)。在其他課程的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計實踐中，引入了CFD輔助設(shè)計和優(yōu)化，目前相關(guān)工作已經(jīng)開展，學(xué)生積極性有所提高。例如，針對列管式換熱器的管束排布方法選擇中，學(xué)生通過CFD仿真對每種排布方法均有直觀的感受，更好地知道了學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計。endprint

4. 考核方式

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前本課程主要以提交報告的形式考核，成績?yōu)槲寮壷?，平時成績占20%，報告成績占80%，但部分同學(xué)照搬他人或網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)容，并沒有嚴(yán)肅認(rèn)真地對待。試著采取以團隊的形式布置考核題目，每個同學(xué)負(fù)責(zé)一部分，相輔相成，這種方式今年已經(jīng)展開，效果不錯，但考核題目的選擇仍有提升空間，可以選擇一些學(xué)生感興趣的話題，如高鐵等。另外，平時成績由20%提高至40%，報告成績占20%，CFD上機部分占比提升至40%，通過上機綜合考查學(xué)生對軟件的熟練程度，參考題目的完成時間和完成質(zhì)量給分。而平時成績的考核也可作適當(dāng)調(diào)整，如出勤10%、作業(yè)10%而課堂表現(xiàn)占比20%，其中課堂表現(xiàn)主要考查學(xué)生參與互動的積極性、是否從事與課題無關(guān)的活動等。

四、 結(jié)論

為了進一步提升過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生的教學(xué)質(zhì)量，本文以工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念為導(dǎo)向開展計算流體動力學(xué)課程的教學(xué)研究，從教學(xué)制度、學(xué)生以及教師授課三方面探討了目前教學(xué)可能存在的問題，提出了一些改善教學(xué)效果的具體措施，并進行了兩屆學(xué)生的教學(xué)實踐。結(jié)果表明：本文所提的方法具有一定的成效，教學(xué)效果和學(xué)生反響均有改善，但仍有提升的空間，隨著教授時間的增加，相信會更加合理。

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作者簡介：王東祥，崔政偉，俞建峰，江蘇省無錫市，江南大學(xué)機械工程學(xué)院。endprint