流體力學(xué)精品課程教學(xué)改革與實(shí)踐

王貞濤等

摘要：

流體力學(xué)作為工程技術(shù)類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，其理論性強(qiáng)，知識點(diǎn)多，難度大，不容易被學(xué)生理解。在流體力學(xué)省級精品課程建設(shè)中，推行多媒體教學(xué)方式、實(shí)行分層次與類別教學(xué)模式和啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；在流體力學(xué)課程中引入計算流體力學(xué)（CFD）的教學(xué)與實(shí)踐，將科研立項(xiàng)與創(chuàng)新實(shí)踐活動結(jié)合起來，達(dá)到鞏固知識、加深理解以及培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)改革；多媒體教學(xué)；分層次教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；CFD

中圖分類號：G6420；TU311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

10052909（2014）02007404

流體力學(xué)是研究流體在外力作用下平衡和運(yùn)動規(guī)律的一門學(xué)科，是力學(xué)的一個分支。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和進(jìn)步，流體力學(xué)課程不再僅僅是熱能與動力工程專業(yè)的基礎(chǔ)課，也逐漸成為機(jī)械、環(huán)境、石油、化工、土木等工程技術(shù)類專業(yè)的主要基礎(chǔ)課，是連接基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的重要橋梁和紐帶[1-3]。同時，流體力學(xué)又是一門歷史悠久而富有新生命力的學(xué)科，它綜合了張量、場論、復(fù)變函數(shù)、數(shù)值方法以及計算機(jī)知識和光學(xué)測量技術(shù)等知識。隨著新理論與新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，如何提高流體力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的改革

是教育工作者面臨的重要課題。

2008年筆者所在學(xué)校的流體力學(xué)課程被列為江蘇省精品課程。在精品課程建設(shè)過程中，針對課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的不足，積極推進(jìn)教學(xué)改革與實(shí)踐創(chuàng)新。一是通過將新方法、新模式引入教學(xué)，積極探索新形勢下傳統(tǒng)流體力學(xué)課程教學(xué)模式與現(xiàn)代教育方式方法的融合[4-6]。二是針對不同層次學(xué)生對流體力學(xué)基礎(chǔ)知識的不同需求，除按照學(xué)校各專業(yè)的總體培養(yǎng)計劃進(jìn)行教學(xué)之外，還在課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)中推行分層次和分類別的教學(xué)模式，以達(dá)到教與學(xué)的統(tǒng)一，推進(jìn)教與學(xué)的共同完善[7]。三是針對目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂教學(xué)相互脫節(jié)的實(shí)際問題，推行任課教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的制度，將課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，將書本上的理論知識在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交融和互補(bǔ)，鞏固學(xué)生對知識的理解，也調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生舉一反三，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與能力 [8]。四是積極推行計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）教學(xué)，將科研工作引入對學(xué)生的培養(yǎng)之中[9-10]。五是注重啟發(fā)式、互動式、質(zhì)疑式等教學(xué)方法的應(yīng)用，吸引學(xué)生的注意力，提高課堂教學(xué)效果。

一、多媒體教學(xué)方式與傳統(tǒng)教學(xué)方式的互補(bǔ)

積極推行多媒體教學(xué)方式與傳統(tǒng)教學(xué)方式的有機(jī)結(jié)合。傳統(tǒng)教學(xué)方法主要是教師利用板書進(jìn)行教學(xué)，通過板書將理論分析、方程推導(dǎo)等演繹清楚，便于學(xué)生記好筆記，易于接受。教師與學(xué)生也能夠?qū)崿F(xiàn)良好的互動，教與學(xué)協(xié)調(diào)一致。但由于傳統(tǒng)教學(xué)方式節(jié)奏較慢，在目前學(xué)時量減少的情況下難以完成繁重的教學(xué)任務(wù)，并且流體力學(xué)是一門理論與實(shí)踐結(jié)合得十分緊密的學(xué)科，很多知識點(diǎn)可以通過影像和聲音在多媒體上較好地展現(xiàn)出來，有助于加深學(xué)生對流體力學(xué)知識的認(rèn)識和掌握。因此，多媒體課件在流體力學(xué)課程教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，它能將文本、圖像、視頻圖像、動畫與聲音等信息集中展示，比傳統(tǒng)的教學(xué)方法更為直觀，更容易被學(xué)生理解和接受，并且能提供比傳統(tǒng)教學(xué)方式大很多的信息量。因此，將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式結(jié)合起來，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)是值得思考和研究的重大課題。需要明確的是，多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式處于同等重要的地位，二者不存在主次之分，只是互為補(bǔ)充。因此，將理論分析、方程推導(dǎo)等內(nèi)容采用板書形式進(jìn)行推導(dǎo)和分析，使學(xué)生能夠了解基本方程的來龍去脈。對于推導(dǎo)過程繁瑣且難于理解的部分，要將詳細(xì)講解和利用多媒體制作相應(yīng)的圖像、視頻或動畫說明結(jié)合起來，以強(qiáng)化學(xué)生的理解。比如流體微團(tuán)的運(yùn)動分析，通過對其平面的流動分析，可以知道流體微團(tuán)平面運(yùn)動時，其平動、線變形、轉(zhuǎn)動、角變形可以表示為：

顯然，采用方程形式表示的亥姆霍斯速度分解定理較難理解；而用多媒體教學(xué)中的動畫來表示則能很好地解釋這種現(xiàn)象的發(fā)生和演變過程。如果將兩者有機(jī)地結(jié)合起來，使枯燥、呆板的公式與形象的視頻動畫演示相互融合補(bǔ)充，有助于學(xué)生對流體微團(tuán)運(yùn)動分解定理的理解和對亥姆霍斯定理的記憶[5]。因此，教學(xué)中將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合起來，可以起到事半功倍的效果。

二、分層次與分類別教學(xué)方法的運(yùn)用

針對不同專業(yè)學(xué)生對流體力學(xué)知識的不同要求，在實(shí)際教學(xué)過程中采用分層次與分類別教學(xué)方法，將流體力學(xué)知識分為學(xué)術(shù)類與工程技術(shù)類。教學(xué)中以工程類教學(xué)作為主要模式，因?yàn)榇蠖鄶?shù)學(xué)生面臨就業(yè)，而只有少部分學(xué)生可能會繼續(xù)深造。然而，在理論分析與方程推導(dǎo)中，應(yīng)注重與高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等知識的聯(lián)系，以提高流體力學(xué)課程教學(xué)的學(xué)術(shù)性。比如對于連續(xù)性方程的推導(dǎo)，可以采用兩種不同的方式進(jìn)行推導(dǎo)。

第一種方法。在直角坐標(biāo)系中取一個由空間點(diǎn)作用的固定不動的平行六面體元素，其棱邊dx，dy，dz分別平行于坐標(biāo)軸（圖1所示）。

以上即為兩種不同的連續(xù)方程推導(dǎo)方式，此外還有其他方式。對學(xué)術(shù)性要求較高的學(xué)生，第二種方式既能使學(xué)生掌握較為深奧的流體力學(xué)知識，同時又將高等數(shù)學(xué)中的微積分、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)等知識與流體力學(xué)緊密結(jié)合在一起，為學(xué)生在更高的平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)和深造奠定了理論基礎(chǔ)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂教學(xué)的統(tǒng)一

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是流體力學(xué)的重要教學(xué)手段，在流體力學(xué)課程教學(xué)中占有重要地位，是一個必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。通過在實(shí)驗(yàn)中觀察流動現(xiàn)象，能增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，鞏固已學(xué)過的基礎(chǔ)理論知識；通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證所學(xué)過的流體力學(xué)原理，學(xué)會利用流體力學(xué)基本原理來分析和解釋流體力學(xué)現(xiàn)象或者流體力學(xué)問題；通過實(shí)驗(yàn)學(xué)會利用各種儀器測量基本的流動參數(shù)，掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能，有助于提高學(xué)生實(shí)際動手操作能力；通過實(shí)驗(yàn)獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的整理、分析和撰寫實(shí)驗(yàn)報告，能夠培養(yǎng)學(xué)生在工程實(shí)際問題中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計、數(shù)據(jù)整理與撰寫報告的能力。因此，實(shí)際上可以將簡單的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)看作是解決一個工程實(shí)踐問題的全過程。

針對目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的學(xué)生等、靠、要等較被動的問題，采取主要任課教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式。首先，通過課堂理論知識的講解，幫助學(xué)生掌握理論分析的結(jié)果。然后，在審核通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告后再把學(xué)生帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中注重學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，一般3-4人為一組，測量—讀數(shù)—數(shù)據(jù)計算調(diào)試設(shè)備等，做好分工協(xié)作，測量的數(shù)據(jù)須經(jīng)教師審閱。在整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與課堂教學(xué)得出的理論結(jié)果進(jìn)行對比，分析二者之間存在的差距及誤差的合理性。

此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對某一具體的實(shí)驗(yàn)，以課后作業(yè)的形式要求學(xué)生給出其具體實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方式。學(xué)生給出的實(shí)驗(yàn)方式可能五花八門，有些甚至不切實(shí)際，但這種方法為他們提供了思考和創(chuàng)新的空間，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新的思維與意識。有的學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)方式經(jīng)過教師指導(dǎo)后，可借助學(xué)校的科研立項(xiàng)活動實(shí)現(xiàn)這種想法，或者以新型專利的形式申報課題。這既是對學(xué)生創(chuàng)新思維的一種鼓勵，也能調(diào)動更多學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的積極性。例如，動量方程的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，先讓學(xué)生自己思考如何將動量方程的沖擊力作用測量出來。有的學(xué)生提出采用彈簧稱的辦法，即將射流沖擊一個帶有彈簧秤的平板，這樣就可以測量出射流的沖擊力；還有的學(xué)生提出采用天平原理或桿秤測出射流的沖擊力。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)掌握動量方程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中沖擊力的測量方法——活塞式動量方程實(shí)驗(yàn)裝置[12]。學(xué)生在充分掌握動量方程的基本理論分析和實(shí)驗(yàn)測量的原理后，從實(shí)驗(yàn)中得到有關(guān)數(shù)據(jù)，最終分析計算出所對應(yīng)的動量修正系數(shù)，從而加深對動量修正系數(shù)含義的理解。這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)相互促進(jìn)的典型事例。

四、 將CFD模擬技術(shù)引入教學(xué)過程

在數(shù)學(xué)與計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，伴隨著計算方法的不斷擴(kuò)展，不但解決了無法采用理論分析求解的復(fù)雜流動問題，而且通過數(shù)據(jù)處理還能得到整個流場的速度分布、壓力分布以及其他物理量分布，并且可以通過圖像甚至動畫演示出來，達(dá)到在空間和時間上定量描述流場的目的。例如卡門渦街（如圖2所示），單獨(dú)的一張圖像難以說明卡門渦街的發(fā)生發(fā)展情況，而通過Fluent等計算流體力學(xué)軟件模擬后作出的動畫則能夠形象地展示其流動形態(tài)，加深學(xué)生對卡門渦街形成和發(fā)展過程的理解。目前，商業(yè)化的計算軟件已經(jīng)日趨成熟，性能也在不斷完善，已得到廣大研究工作者和工業(yè)界的認(rèn)同，CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用早已超越傳統(tǒng)的流體力學(xué)和流體工程的范疇，成為工程設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計的重要技術(shù)手段[9]。

在傳統(tǒng)流體力學(xué)的教學(xué)過程中引入數(shù)值模擬的計算，旨在調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對流體力學(xué)基本方程的理解和應(yīng)用。數(shù)值模擬教學(xué)主要針對以下幾個方面：一是建立起反應(yīng)流動問題的數(shù)學(xué)方程，確定數(shù)值模擬計算的邊界條件；二是離散方程，這是課程的難點(diǎn)和核心內(nèi)容，因?yàn)檫@部分內(nèi)容在商業(yè)化的軟件中無法體現(xiàn)出來，因此只能在課堂教學(xué)中闡述控制方程的離散方法，如有限元法、有限差分法和有限體積法等；三是程序的編寫與調(diào)試以及網(wǎng)格的劃分等，這部分內(nèi)容同樣已包含在軟件中，教學(xué)中應(yīng)主要用計算機(jī)語言C、Fortran等程序語言完成程序的編制；四是通用商業(yè)軟件的具體操作，例如采用Gambit畫網(wǎng)格，導(dǎo)入fluent后求解器的選擇、模型選擇等具體的步驟，可以通過教學(xué)和上機(jī)完成；五是計算結(jié)果的顯示與處理[13]。

五、結(jié)語

在教學(xué)過程中引入多媒體教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)手段的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到二種教學(xué)模式相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的目的。分層次的教學(xué)方法，能實(shí)現(xiàn)因材施教，提高教學(xué)的針對性，使不同層次的學(xué)生學(xué)有所長，學(xué)有所用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)的統(tǒng)一中創(chuàng)新教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生主動思考、創(chuàng)新思考的目的。將CFD模擬技術(shù)引入教學(xué)過程，能加深學(xué)生對流體力學(xué)理論和現(xiàn)象的理解。以上教學(xué)方法的改革與實(shí)踐對提高流體力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量和效果具有十分重要的作用。參考文獻(xiàn)：

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針對目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的學(xué)生等、靠、要等較被動的問題，采取主要任課教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式。首先，通過課堂理論知識的講解，幫助學(xué)生掌握理論分析的結(jié)果。然后，在審核通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告后再把學(xué)生帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中注重學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，一般3-4人為一組，測量—讀數(shù)—數(shù)據(jù)計算調(diào)試設(shè)備等，做好分工協(xié)作，測量的數(shù)據(jù)須經(jīng)教師審閱。在整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與課堂教學(xué)得出的理論結(jié)果進(jìn)行對比，分析二者之間存在的差距及誤差的合理性。

此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對某一具體的實(shí)驗(yàn)，以課后作業(yè)的形式要求學(xué)生給出其具體實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方式。學(xué)生給出的實(shí)驗(yàn)方式可能五花八門，有些甚至不切實(shí)際，但這種方法為他們提供了思考和創(chuàng)新的空間，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新的思維與意識。有的學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)方式經(jīng)過教師指導(dǎo)后，可借助學(xué)校的科研立項(xiàng)活動實(shí)現(xiàn)這種想法，或者以新型專利的形式申報課題。這既是對學(xué)生創(chuàng)新思維的一種鼓勵，也能調(diào)動更多學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的積極性。例如，動量方程的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，先讓學(xué)生自己思考如何將動量方程的沖擊力作用測量出來。有的學(xué)生提出采用彈簧稱的辦法，即將射流沖擊一個帶有彈簧秤的平板，這樣就可以測量出射流的沖擊力；還有的學(xué)生提出采用天平原理或桿秤測出射流的沖擊力。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)掌握動量方程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中沖擊力的測量方法——活塞式動量方程實(shí)驗(yàn)裝置[12]。學(xué)生在充分掌握動量方程的基本理論分析和實(shí)驗(yàn)測量的原理后，從實(shí)驗(yàn)中得到有關(guān)數(shù)據(jù)，最終分析計算出所對應(yīng)的動量修正系數(shù)，從而加深對動量修正系數(shù)含義的理解。這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)相互促進(jìn)的典型事例。

四、 將CFD模擬技術(shù)引入教學(xué)過程

在數(shù)學(xué)與計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，伴隨著計算方法的不斷擴(kuò)展，不但解決了無法采用理論分析求解的復(fù)雜流動問題，而且通過數(shù)據(jù)處理還能得到整個流場的速度分布、壓力分布以及其他物理量分布，并且可以通過圖像甚至動畫演示出來，達(dá)到在空間和時間上定量描述流場的目的。例如卡門渦街（如圖2所示），單獨(dú)的一張圖像難以說明卡門渦街的發(fā)生發(fā)展情況，而通過Fluent等計算流體力學(xué)軟件模擬后作出的動畫則能夠形象地展示其流動形態(tài)，加深學(xué)生對卡門渦街形成和發(fā)展過程的理解。目前，商業(yè)化的計算軟件已經(jīng)日趨成熟，性能也在不斷完善，已得到廣大研究工作者和工業(yè)界的認(rèn)同，CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用早已超越傳統(tǒng)的流體力學(xué)和流體工程的范疇，成為工程設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計的重要技術(shù)手段[9]。

在傳統(tǒng)流體力學(xué)的教學(xué)過程中引入數(shù)值模擬的計算，旨在調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對流體力學(xué)基本方程的理解和應(yīng)用。數(shù)值模擬教學(xué)主要針對以下幾個方面：一是建立起反應(yīng)流動問題的數(shù)學(xué)方程，確定數(shù)值模擬計算的邊界條件；二是離散方程，這是課程的難點(diǎn)和核心內(nèi)容，因?yàn)檫@部分內(nèi)容在商業(yè)化的軟件中無法體現(xiàn)出來，因此只能在課堂教學(xué)中闡述控制方程的離散方法，如有限元法、有限差分法和有限體積法等；三是程序的編寫與調(diào)試以及網(wǎng)格的劃分等，這部分內(nèi)容同樣已包含在軟件中，教學(xué)中應(yīng)主要用計算機(jī)語言C、Fortran等程序語言完成程序的編制；四是通用商業(yè)軟件的具體操作，例如采用Gambit畫網(wǎng)格，導(dǎo)入fluent后求解器的選擇、模型選擇等具體的步驟，可以通過教學(xué)和上機(jī)完成；五是計算結(jié)果的顯示與處理[13]。

五、結(jié)語

在教學(xué)過程中引入多媒體教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)手段的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到二種教學(xué)模式相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的目的。分層次的教學(xué)方法，能實(shí)現(xiàn)因材施教，提高教學(xué)的針對性，使不同層次的學(xué)生學(xué)有所長，學(xué)有所用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)的統(tǒng)一中創(chuàng)新教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生主動思考、創(chuàng)新思考的目的。將CFD模擬技術(shù)引入教學(xué)過程，能加深學(xué)生對流體力學(xué)理論和現(xiàn)象的理解。以上教學(xué)方法的改革與實(shí)踐對提高流體力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量和效果具有十分重要的作用。參考文獻(xiàn)：

[1] 王野，李亞寧. 流體力學(xué)課程多視角教學(xué)方法的探索與實(shí)踐[J]. 高等建筑教育，2013，22（4）：41-43.

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[4] 謝振華，宋洪慶.多媒體在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]. 教育教學(xué)論壇，2013（13）： 254-255.

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[7] 張培紅，王曉華. 流體力學(xué)分層次教學(xué)模式研究[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2007，9（2）：238-240.

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[12] 聞建龍. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 江蘇大學(xué)出版社. 鎮(zhèn)江， 2010.

[13] 韓占忠. FLUENT流體工程仿真計算實(shí)例與分析[M]. 北京理工大學(xué)出版社. 北京， 2009.

針對目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的學(xué)生等、靠、要等較被動的問題，采取主要任課教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式。首先，通過課堂理論知識的講解，幫助學(xué)生掌握理論分析的結(jié)果。然后，在審核通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告后再把學(xué)生帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中注重學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，一般3-4人為一組，測量—讀數(shù)—數(shù)據(jù)計算調(diào)試設(shè)備等，做好分工協(xié)作，測量的數(shù)據(jù)須經(jīng)教師審閱。在整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與課堂教學(xué)得出的理論結(jié)果進(jìn)行對比，分析二者之間存在的差距及誤差的合理性。

此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對某一具體的實(shí)驗(yàn)，以課后作業(yè)的形式要求學(xué)生給出其具體實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方式。學(xué)生給出的實(shí)驗(yàn)方式可能五花八門，有些甚至不切實(shí)際，但這種方法為他們提供了思考和創(chuàng)新的空間，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新的思維與意識。有的學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)方式經(jīng)過教師指導(dǎo)后，可借助學(xué)校的科研立項(xiàng)活動實(shí)現(xiàn)這種想法，或者以新型專利的形式申報課題。這既是對學(xué)生創(chuàng)新思維的一種鼓勵，也能調(diào)動更多學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的積極性。例如，動量方程的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，先讓學(xué)生自己思考如何將動量方程的沖擊力作用測量出來。有的學(xué)生提出采用彈簧稱的辦法，即將射流沖擊一個帶有彈簧秤的平板，這樣就可以測量出射流的沖擊力；還有的學(xué)生提出采用天平原理或桿秤測出射流的沖擊力。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)掌握動量方程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中沖擊力的測量方法——活塞式動量方程實(shí)驗(yàn)裝置[12]。學(xué)生在充分掌握動量方程的基本理論分析和實(shí)驗(yàn)測量的原理后，從實(shí)驗(yàn)中得到有關(guān)數(shù)據(jù)，最終分析計算出所對應(yīng)的動量修正系數(shù)，從而加深對動量修正系數(shù)含義的理解。這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)相互促進(jìn)的典型事例。

四、 將CFD模擬技術(shù)引入教學(xué)過程

在數(shù)學(xué)與計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，伴隨著計算方法的不斷擴(kuò)展，不但解決了無法采用理論分析求解的復(fù)雜流動問題，而且通過數(shù)據(jù)處理還能得到整個流場的速度分布、壓力分布以及其他物理量分布，并且可以通過圖像甚至動畫演示出來，達(dá)到在空間和時間上定量描述流場的目的。例如卡門渦街（如圖2所示），單獨(dú)的一張圖像難以說明卡門渦街的發(fā)生發(fā)展情況，而通過Fluent等計算流體力學(xué)軟件模擬后作出的動畫則能夠形象地展示其流動形態(tài)，加深學(xué)生對卡門渦街形成和發(fā)展過程的理解。目前，商業(yè)化的計算軟件已經(jīng)日趨成熟，性能也在不斷完善，已得到廣大研究工作者和工業(yè)界的認(rèn)同，CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用早已超越傳統(tǒng)的流體力學(xué)和流體工程的范疇，成為工程設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計的重要技術(shù)手段[9]。

在傳統(tǒng)流體力學(xué)的教學(xué)過程中引入數(shù)值模擬的計算，旨在調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對流體力學(xué)基本方程的理解和應(yīng)用。數(shù)值模擬教學(xué)主要針對以下幾個方面：一是建立起反應(yīng)流動問題的數(shù)學(xué)方程，確定數(shù)值模擬計算的邊界條件；二是離散方程，這是課程的難點(diǎn)和核心內(nèi)容，因?yàn)檫@部分內(nèi)容在商業(yè)化的軟件中無法體現(xiàn)出來，因此只能在課堂教學(xué)中闡述控制方程的離散方法，如有限元法、有限差分法和有限體積法等；三是程序的編寫與調(diào)試以及網(wǎng)格的劃分等，這部分內(nèi)容同樣已包含在軟件中，教學(xué)中應(yīng)主要用計算機(jī)語言C、Fortran等程序語言完成程序的編制；四是通用商業(yè)軟件的具體操作，例如采用Gambit畫網(wǎng)格，導(dǎo)入fluent后求解器的選擇、模型選擇等具體的步驟，可以通過教學(xué)和上機(jī)完成；五是計算結(jié)果的顯示與處理[13]。

五、結(jié)語

在教學(xué)過程中引入多媒體教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)手段的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到二種教學(xué)模式相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的目的。分層次的教學(xué)方法，能實(shí)現(xiàn)因材施教，提高教學(xué)的針對性，使不同層次的學(xué)生學(xué)有所長，學(xué)有所用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)的統(tǒng)一中創(chuàng)新教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生主動思考、創(chuàng)新思考的目的。將CFD模擬技術(shù)引入教學(xué)過程，能加深學(xué)生對流體力學(xué)理論和現(xiàn)象的理解。以上教學(xué)方法的改革與實(shí)踐對提高流體力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量和效果具有十分重要的作用。參考文獻(xiàn)：

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[5] 毛欣煒，毛根海. 數(shù)字流體力學(xué)教學(xué)系列——力學(xué)課程教學(xué)的改革[J]. 力學(xué)與實(shí)踐，2004，26（6）：80-81.

[6] 王軍鋒，王貞濤，王曉英，等. 關(guān)于工科流體力學(xué)雙語課程建設(shè)的思考[C]. 力學(xué)課程報告論壇論文集， 北京：高等教育出版社， 2008：310-312.

[7] 張培紅，王曉華. 流體力學(xué)分層次教學(xué)模式研究[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2007，9（2）：238-240.

[8] 劉湘云，劉良德. 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版， 2010（10）：152-154

[9] 謝翠麗，倪玲英. 《工程流體力學(xué)》本科課程引入CFD教學(xué)的探討[J].力學(xué)與實(shí)踐，2013， 35（3）：91-93.

[10] 鄭捷慶，鄒峰，張軍，等. CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2007（10）：119-121.

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[12] 聞建龍. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 江蘇大學(xué)出版社. 鎮(zhèn)江， 2010.

[13] 韓占忠. FLUENT流體工程仿真計算實(shí)例與分析[M]. 北京理工大學(xué)出版社. 北京， 2009.