能源與動力工程專業(yè)多物理場仿真案例建設與實踐

丁林　宋天　吳春梅

摘 要：虛擬仿真教學在新工科建設中具有重要地位，案例教學是仿真教學的重要手段之一。本文對能源與動力工程專業(yè)多物理場仿真教學案例建設過程進行了總結，建設形成了知識面覆蓋廣、專業(yè)特色突出的案例素材庫，給出了能源與動力工程專業(yè)仿真案例教學建議和方法。多物理場仿真案例的建設既能滿足學生教學需要，又能滿足工程實踐要求，使能源動力類課程教學內容體系與實際聯系更加密切，有效培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。

關鍵詞：仿真教學; 案例建設; 能源與動力工程

中圖分類號：G64 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2021）3-176-002

伴隨著信息技術的飛速發(fā)展，虛擬仿真教學受到高等教育工作者的廣泛關注和應用。虛擬仿真貫通了課程及對象的認識、選擇、建模、運算、整理和分析的整個過程，在認識對象、手段及結果上與傳統(tǒng)的實驗教學存在著顯著差異[1]。能源與動力工程這一普通高等學校本科專業(yè)，是以工程熱物理相關理論為基礎，面向能源轉化利用及動力系統(tǒng)領域的專業(yè)[2]。能源與動力工程專業(yè)教學重點面向各種能源的基礎理論及應用技術，而動量傳遞、傳熱、傳質以及導電過程幾乎是每一種能源應用所必然涉及的物理過程。值得注意的是，虛擬仿真過程中可以綜合考慮現實世界存在的多方面的影響因素，多物理場耦合通過仿真工具也更容易實現，有助于學生對于多物理場的認識和學習。為了使學生系統(tǒng)掌握使用工程軟件針對學習和應用過程中遇到的各種工程問題進行數值建模和分析優(yōu)化設計的技能，采用典型案例分析，將理論與實際相結合，對于學生從事能源學科領域的操作和分析工作具有重要的意義。目前高校的教學方式主要是多媒體課件結合板書教學，另外輔以實驗教學進行授課。大量實踐證明，采用案例進行授課能有效提高學生對知識理論的理解，提高和培養(yǎng)學生的創(chuàng)造思維能力[3-5]。采用案例法不僅能夠建立起理論與實際的橋梁，還能加強學生動手能力，幫助學生樹立牢固的工程意識。另外，通過案例教學加深了學生對知識點的印象，提高學生分析和解決問題的能力，最終提高整個課程的教學效果[6]。為了能在能源與動力工程專業(yè)學生中開展案例教學，前期的仿真教學案例構建和建設工作顯得尤為必要，構建案例和實施案例教學是兩個相輔相成的過程。因此，構建多物理場仿真教學案例就是為了進一步滿足《工程熱力學》《傳熱學》《工程流體力學》《燃燒學》等能源與動力工程專業(yè)課程的教學需求。

一、能源動力類案例建設與教學意義

建設面向能源與動力工程專業(yè)的多物理場仿真教學案例，既能滿足能源動力類專業(yè)學生教學需要，又能滿足當代大學生教育過程中工程實踐的要求。使能源動力類課程教學內容體系與實際系統(tǒng)聯系更加密切，使學生學習目的更為明確，更有系統(tǒng)針對性;教學過程循序漸進，不斷深入實際，提高學生參與熱情和積極性;以實踐為導向、學生為主體，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提升學生溝通能力、批判性思維、創(chuàng)新能力、團隊合作能力。

1.滿足能源與動力工程專業(yè)學生案例教學的需要

案例教學法比傳統(tǒng)教學方法具有諸多優(yōu)勢，有利于激發(fā)學生學習的興趣與熱情，有利于培養(yǎng)學生的實踐能力，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，有利于培養(yǎng)學生的團隊協作精神。在能源與動力工程專業(yè)課程教學過程中，教師要開展案例教學活動必須儲備一定數量和質量的案例素材，實施案例教學離不開優(yōu)秀案例的建設。而且案例的選擇必須緊密結合專業(yè)課程。

2.提高能源與動力工程專業(yè)學生的職業(yè)技能

能源與動力工程專業(yè)有很多實踐性的課程，目的在于縮短人才培養(yǎng)時間，提高人才培養(yǎng)效率，促進學生在校期間學習和掌握能源與動力工程領域的職業(yè)技能，增強學生在人才市場中的崗位競爭力。案例教學正是實現該目標的最主要和最有效的途徑。

3.開發(fā)能源與動力工程專業(yè)學生的創(chuàng)新思維

構建面向能源與動力工程專業(yè)的多物理場仿真教學案例，不僅能訓練學生職業(yè)技能，培養(yǎng)具有熟練職業(yè)技能的合格人才，而且還能幫助學生理解專業(yè)知識，提高學生應用所學基礎理論知識去發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力。另外，構建體現能源與動力工程特色的案例，不僅能為學生提供大量的具有特色的仿真分析資料，促進學生計算方法和手段的改進，而且還有利于開發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

二、案例建設方案與組成

通過案例資料收集、技術交流、理論分析和設計優(yōu)化等，提煉和總結案例所涉及的工程問題，設計并建立動力工程與先進能源技術多物理場仿真過程中解決問題的思路，用于能源與動力工程專業(yè)學生實踐能力的培養(yǎng)。選擇具有代表性的課程案例，對涉及動力工程與先進能源技術的多物理場仿真教學內容進行重組，采取知識點—單一課程案例—綜合案例的順序，內容重點包括面向仿真基礎的幾何結構編輯、網格技術、離散方法、方程求解等，也包括與能源與動力工程專業(yè)緊密結合的內容，主要是傳質仿真、傳熱仿真、導電仿真及多物理場綜合仿真等部分。經過總結能源動力類專業(yè)課程的內容和特點，其中具有代表性的知識點案例、單一課程案例和綜合案例需要具備以下特點。

1.案例素材具有代表性且覆蓋面廣。所有案例都是基于多年仿真研究精心挑選出來的，所選實例基本覆蓋了能源與動力工程專業(yè)涉及的物理場的耦合。案例素材均考慮多個物理場之間的相互作用，能使學生更好地理解多物理場的耦合，涵蓋流動、傳質、傳熱、導電、聲場等多個物理場，實現學科交叉。

2.所選案例結合重慶大學能源與動力工程專業(yè)在該領域的突出特色，不僅注重動力工程專業(yè)知識的掌握，也注重基礎物理理論及計算方法的應用，使任課教師在課程教學時能夠根據案例素材簡單準確地達到教學目的。同時，案例建設與教學強調學習的實踐性，讓學生在實踐中體驗提高獲取信息、加工信息、處理信息的能力。

對于知識點案例，以三維綜合建模及網格的劃分實例為例，為學生講解幾何結構的編輯，這也是仿真教學的基礎。對于單一課程案例，比如可以設置針對《傳熱學》的熱交換器中的熱傳導和熱對流模擬、水杯中的自然對流等具體案例，促進學生了解單個物理場仿真問題。針對綜合案例，需綜合考慮能源與動力工程專業(yè)學生的大多數課程知識點，可設置包括管殼式換熱器、燃料電池仿真等極具能源特色的案例。

三、案例教學內容及實踐

案例教學重視理論與實踐相結合，采用課堂參與、小組研討、案例教學、合作學習、模擬教學等方式。在案例教學各個環(huán)節(jié)，教師需要結合課程知識、學生興趣與案例亟需解決的問題;以學生的需求和興趣為出發(fā)點，發(fā)展學生的自主學習素養(yǎng)，發(fā)揮學生的創(chuàng)造思維;讓學生主動收集信息，篩選信息，提出問題，教他們如何研究，如何獲得一些必要的解決問題的技能;教師一般不給學生結論性的東西，而是要求學生充分利用手中的資源自主學習;教會他們如何管理好自己的時間;在遇到問題時，鼓勵學生努力尋找解決問題的辦法，為自己的研究提出下一步的決策;鼓勵和支持團隊合作。案例教學采用理論結合實例的方式，案例實現結構模塊化，引導學生根據具體案例分析、掌握建模的思路、步驟、要點，培養(yǎng)學生發(fā)現問題、提出問題、分析問題與解決問題的能力;案例講解采用文字結合插圖的方式，提供大量的操作插圖，大大降低了操作失誤率，節(jié)約了學習時間，提高學生學習效率。動力工程與先進能源技術多物理場仿真案例教學涵蓋的主題主要包括以下6個部分：（1）物理問題的數學模型：包括連續(xù)介質、流體動力學、固體動力學、聲波、電磁、狀態(tài)方程及定解條件等。（2）幾何建模與網格生成技術：結合案例分析結構化網格、非結構化網格、動網格、復雜計算區(qū)域的處理方法等。（3）常見數值算法：以具體案例，講述有限差分、有限體積、有限元等常見數值方法。（4）動力工程領域單物理場仿真：以熱傳導、熱對流、熱輻射為例，結合綜合案例實現單物理場仿真。（5）弱耦合的多物理場問題：實際科研或者工程問題多表現為多個物理場相互影響、共同作用，部分情況下物理場間的聯系較為松散。針對該情況，以微電阻梁等案例實現弱耦合多物理場問題的仿真求解。（6）強耦合的多物理場問題：以綜合案例為基礎，討論多物理場強耦合問題的共同點和挑戰(zhàn)，多物理場的相互作用，有的通過材料屬性變化體現，有的通過求解域幾何變化體現，有的通過自適應性質的邊界條件的變化而體現，結合案例學習多物理場強耦合的仿真及計算。

動力工程與先進能源技術多物理場仿真教學結合理論和實踐，通過課程案例分析與工程科學相結合。通過案例學習，讓學生理解數值仿真技術的真諦，明白這些理論知識應該如何與實際相結合。進一步，使學生能夠領悟經驗豐富的數值仿真工程師會如何思考問題，慢慢吸收這些經驗為自己所用。

四、結論

案例建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，它由一系列緊密銜接的工作環(huán)節(jié)組成。建設面向能源與動力工程專業(yè)的多物理場仿真教學案例，既能滿足能源動力類專業(yè)學生教學需要，又能滿足當代大學生教育過程中工程實踐的要求。案例素材具有代表性且覆蓋面廣，突出能源與動力工程專業(yè)特色，注重動力工程專業(yè)知識的掌握的同時，也注重基礎理論及計算方法的應用。通過案例教學，使能源動力類課程教學內容體系與實際系統(tǒng)聯系更加密切，學生學習目的更為明確，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提升學生溝通能力、創(chuàng)新能力和團隊合作能力，最終提高整個課程的教學效果。

基金項目：重慶市教育教學改革項目（No.yjg183009）

參考文獻：

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