《紊流數值模擬》研究生優(yōu)質課程建設探索與實踐

李琳 趙濤 牧振偉 譚義海

摘要：隨著我國大、中型水利工程建設迅速發(fā)展，準確快速預測水流現(xiàn)象愈來愈受到工程技術人員的重視，將《紊流數值模擬》課程建設成適應現(xiàn)代水利工程前沿技術的發(fā)展需要的優(yōu)質課程尤為迫切。本文以新疆農業(yè)大學水力學及河流動力學、水利工程專業(yè)碩士學位課——“紊流數值模擬”為對象，采用全面調查、綜合探討等方法，采用重考核過程、多階段形式組合的考核評價方式，滿足研究生全方位課程學習的要求，提高課程教學質量、培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：新疆農業(yè)大學；紊流數值模擬；研究生優(yōu)質課程；課程建設

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0182-02

一、引言

《紊流數值模擬》的研究對象是自然界和水利工程中的各種類型的水流現(xiàn)象和伴隨著水體流動發(fā)生的熱輸運和物質輸運。在水利建設和國民經濟其他領域中，水流和伴隨著水流的熱輸運、物質輸運，具有極其重要的意義。為了興水利、除水害，作為水資源綜合利用的第一步，必須探明水流運動的規(guī)律和伴隨水流發(fā)生的熱輸運、物質輸運的規(guī)律。為了建設水利樞紐，必須預測建造水工建筑物以后上、下游水流的運動規(guī)律、泥沙運動規(guī)律等，從而選擇最好的設計方案。為了防治水污染，必須預測河流、湖泊中的水流規(guī)律和污染物質的運動規(guī)律。準確地預測水流和輸運現(xiàn)象，還能幫助我們預報乃至控制一些潛在的災禍，如洪水和潰壩等。目前常用的預測水流和輸運現(xiàn)象的方法為物理模型試驗及數值模擬方法。如何使《紊流數值模擬》課程建設適應現(xiàn)代水利工程前沿技術的發(fā)展需要，如何通過本課程的教學建設與改革，讓學生更好地掌握課程內容，以便與我校水力學及河流動力學專業(yè)、水利工程專業(yè)研究生的培養(yǎng)目標相吻合，為學生在后續(xù)的研究工作奠定堅實的基礎。本文結合課程小組教師多年來的教學實踐經驗，對當前《紊流數值模擬》的課程體系、系列優(yōu)化教材的選用與教學平臺的建設，教學方法與手段的完善，以及考核方式的改進等問題進行了探討，以滿足研究生全方位課程學習的要求，提高課程教學質量、培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力。

二、課程建設內容

（一）教學內容更新完善

《紊流數值模擬》所涉及的應用領域非常廣泛，眾所周知自然界中流體（氣體、液體）流動基本上都是紊流，紊流數值模擬可用于一切做紊流運動的流動現(xiàn)象。在理論上它更是涉及了流體力學、粘性流體力學、固液兩相流動力學、氣液兩相流動力學、計算水力學理論和方法。課程的講授思路是建立通用的數學模型和相應的數值計算方法，以預測水流和伴隨水流發(fā)生的各類輸運（物質輸運、濃度輸運、紊動擴散輸運）現(xiàn)象。但是水流輸運現(xiàn)象十分復雜，為了封閉N-S方程不同的研究人員建立了不同的數學模型和數值計算方法名目繁多，千姿百態(tài)，要在較少的學時內歷數各類水流輸運現(xiàn)象、各類數學模型和數值計算方法，幾乎是不可能的。因此本課程在學習過程中由淺入深進行：從控制方程N-S方程出發(fā)，考慮到它的不封閉性，有不同的紊流模型對其進行了封閉，從最簡單的紊流模型零方程模型講到單方程模型，最后講到雙方程模型及其典型代表模型和應力—通量代數模型；由恒定一維問題入手，推廣到非恒定流三維問題。

由于新疆地區(qū)屬于B類二區(qū)招生地區(qū)，所以進入我校的碩士生生源入學分數較低，大多來自三本院校，數學基礎相對薄弱。而本課程采用的教材是金忠青編著的《N-S方程數值解和紊流模型》，該書短小精悍，適用于數學基礎較扎實的學生直接使用，書中的偏微分方程采用了張量、梯度、散度等方法表示，對于我校的學生來說用此類方法表示的N-S方程難度較大，不清楚各項的物理含義和對應的代數展開式。講解容易但理解難度較大，學生聽過后似乎知其然但不知其所以然。因此，在緒論之后的《水流和輸運現(xiàn)象的數學描述》這一章的講解過程中，增加了1～2個學時講授張量知識、梯度、散度、通量的數學定義，并通過補充案例幫助學生理解這些物理量在流體運動過程中的物理意義。在第三章紊流模型部分的講解過程中，弱化了單方程模型（如k方程）和雙方程模型（如k-e模型）的數理論證過程，強化廣泛應用的紊流模型的基本原理和基本方程的建立或其邏輯推導過程，強化了方程中各物理項的基本概念的理解，使學生做到知其然和知其所以然。根據選課學生擬開展的科研課題的類型、碩士畢業(yè)論文的擬研究方向，針對性地選擇教學實例，在課堂上對教學實例進行討論分析，課后請學生分成小組針對不同的實例進行實踐練習，之后教師與學生實踐小組的討論，對練習結果進行查找問題，提出改進措施和建議，學生對其實踐內容進行完善，逐步提高學生解決問題的能力。

（二）改革教學方法與手段

由于本課程開設時間不長，近幾年的教學過程中主要以黑板板書、課堂講解為主，雖然也適當采用了多媒體播放視頻、圖片等方法輔助教學，但是教學方法和手段相對單調。為了進一步提高教學效果，滿足學生全方位的課程學習要求，作者對教學方法和手段進行改進，主要包括以下幾方面：

1.采用多媒體課件與黑板教學并存的教學手段。針對更新和完善后的教學內容制作多媒體教學課件，采用多媒體課件與黑板教學相結合的方式進行教學。在教學過程中，根據教學形式與內容的不同，采用相應的教學手段，或者兩者結合使用，各取其長，使兩種教學手段的優(yōu)點都得到充分發(fā)揮，有效地加大課堂教學容量，優(yōu)化教學效果，提高教學質量。在第二章、第三章控制方程的推導過程中，采用多媒體與黑板板書相結合，把需要反復使用地方程如N-S方程用PPT呈現(xiàn)出來，但是后續(xù)方程的推導過程采用黑板板書，采用黑板板書與PPT相結合的過程可達到滿意效果。

2.采用啟發(fā)式+討論式+實踐操作+質疑式教學方法強化實踐教學環(huán)節(jié)。與本科教學不同，研究生進入碩士階段的學習之后，很快會參與到導師的科研項目中，自然而然地進入了發(fā)現(xiàn)問題、擬解決問題和如何解決問題的階段，此時學生的學習目的很強，授課教師稍加引導和啟發(fā)學生便能進入帶著問題主動學習的積極狀態(tài)。因此，在授課過程中，根據選課學生擬開展的科研課題的類型、碩士畢業(yè)論文的擬研究方向，精心選擇典型案例，在重點章節(jié)結束后安排1個學時做專題討論，教師提出問題，初步提出解決思路，學生對問題的具體解決方案如模型選擇、網格劃分、邊界條件的設置等問題進行討論。

3.充分利用微信、QQ等方便快捷的網絡交流工具，建立討論組，加強學生與學生、學生與授課教師之間在線實時交流，隨著學生數量的增多，不同學生所研究課題的不同，遇到問題不同，通過微信群、QQ群組的討論過程，可使學生們共享案例分析過程、獲得各種不同案例相關問題的解決經驗，同時可以做到有問題及時討論、及時解決，提高學生的學習效率和學習熱情。

（三）建設和豐富案例庫

在教學方法與教學手段改進的基礎上，為了進一步提高學生的學習興趣和學習效率，豐富課堂教學內容，教師結合課題組承擔的相關生產科研課題或者根據媒體上公開發(fā)表的資料和相關信息建立了案例庫，按照不同的教學目的，對其進行組織和加工形成教學案例庫。通過圖形和工程概況的相關文字說明使學生了解該工程案例所需解決問題。并根據圖中給出的尺寸進行建模，劃分網格，并選取合適的數學模型和數學方法進行計算。將計算結果與消力池模型試驗結果圖片進行初步對比，判斷計算結果的合理性，再根據案例庫中提供的該工程的實測的其他流場信息對計算結果進行詳細對比，對出現(xiàn)的錯誤結果進行原因分析，經過糾錯和改正多次重復，學生對所學的理論如何在實際工程中有效應用有了更深刻地認識，達到學以致用的目的。通過對案例的學習和相關實踐訓練，大大提高教學的針對性和實效性。

（四）改革課程考核模式

以往本課程的考核方式主要采取了卷面考試的形式，考試總評分由作業(yè)成績、考試成績組成，結果表明此種考核方式較片面，不能正確地反映學生的學習效果和應用所學方法解決實際問題的能力，不符合本課程的學習目的和要求。因此，本研究將改革課程考核模式，加大過程性考核所占權重，形成由過程性考核的平時學業(yè)成績與終結性成績相結合的綜合考核機制。其中，過程性考核占60%，期末考核占40%。在過程性考核方面，可結合不同的學習情境、實踐任務，采用操作演示、方案設計、小組匯報及答辯、口試等方式進行；期末的終結性考核可以采用筆試方式，考核學生對課程知識的綜合運用能力。

三、結語

本文立足于筆者及課程小組其他教師近些年來從事紊流數值模擬課程教學基礎之上，分析了往屆學生的學習效果欠佳、解決實際問題能力不足的原因，為了提高學習效果和教學質量，達到研究生全方位的學習要求，筆者根據新疆農業(yè)大學碩士研究生生源情況，完善了課程內容體系。對教學方法和教學手段進行了改革，針對學生所參與的科研項目或其畢業(yè)論文研究方向，針對性地選擇教學實例，在案例教學的過程中，將多媒體、網絡交流工具、課堂教學、分組討論等方法有機結合形成全方位立體式教學模式，逐步提高學生解決問題的能力。對考核模式進行了改革，采用重考核過程、多階段形式組合的考核評價方式，可有效全面地考核學生的學習效果。通過本課程優(yōu)質課程建設，完善了理論教學過程，同時加強了實踐教學環(huán)節(jié)，達到了產、學、研相結合的教學和新疆農業(yè)大學水力學及河流動力學、水利工程專業(yè)碩士研究生全方位課程學習要求。

參考文獻：

[1]金忠青.N-S方程的數值解和紊流模型[M].北京：科學出版社，1989.

[2]戴會超，魏文信，吳玉林，等，水利水電工程水流精細模擬理論與應用[M].北京：科學出版社，2006.

[3]王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.