流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的初步構(gòu)建

張殿新+武春彬+李憲莉+張蕊

摘 要 本文結(jié)合流體力學(xué)課程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)軟件。流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐三部分。平臺(tái)采用文字、圖片、動(dòng)畫、錄像、數(shù)值模擬和互動(dòng)等形式，解決了流體力學(xué)課程過于抽象化、理論化的的問題，能夠激發(fā)學(xué)生對流體力學(xué)課程的興趣，増強(qiáng)學(xué)生對知識(shí)的理解，開闊學(xué)生的視野，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞 流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 拓展實(shí)驗(yàn) 工程實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.12.023

Abstract In this paper， the teaching software of Fluid Numerical Experiment Platform is developed according the characteristics of fluid mechanics. The platform is divided into basic experiment， expanding experiment and engineering practice. Many methods， such as text， images， animation， video， and numerical simulation were adopted to solve the problem that the course of fluid mechanics is too abstract and theoretical. This platform can arouse students' interest in the course of fluid mechanics， strengthen the students' understanding of basic knowledge， expand the scope of students' knowledge， and enhance the students' ability.

Keywords Fluid Numerical Experiment Platform； basic experiment； expanding experiment； engineering practice

0 引言

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，是各高校的土木工程、能源環(huán)境、給排水、建筑設(shè)備、石油化工等專業(yè)普遍開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它在航空、航天、水利、流體機(jī)械等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。該課程所涉及的基本理論對專業(yè)課的學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)都具有非常重要的理論支撐和指導(dǎo)意義。[1-4]

流體力學(xué)是我校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程、能源動(dòng)力工程和安全工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是給排水工程、環(huán)境工程和土木工程的專業(yè)的必修課程。我校流體力學(xué)課程經(jīng)過多年的建設(shè)與發(fā)展，積累了大量的教學(xué)資料和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，成立了流體教研室，培養(yǎng)了一支專業(yè)化的教師隊(duì)伍，取得了一定的成果，2017年流體力學(xué)課程被評(píng)為校優(yōu)秀課程。流體力學(xué)課題組經(jīng)過多年的工作發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)存在理論性強(qiáng)、概念抽象等特點(diǎn)，傳統(tǒng)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)已不能充分激發(fā)學(xué)生的興趣，流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對傳統(tǒng)教學(xué)中的問題，采用圖像、聲音、動(dòng)畫、錄像等多種形式呈現(xiàn)流體力學(xué)的理論和方法，以引起學(xué)生的好奇心，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲。

1 流體教學(xué)中的關(guān)鍵問題

作者已經(jīng)從事流體力學(xué)教學(xué)工作近十年，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對認(rèn)為流體力學(xué)晦澀難懂，十分枯燥，因此對流體力學(xué)教學(xué)中一些關(guān)鍵問題總結(jié)如下：

（1）研究對象抽象：研究對象不像其他力學(xué)一樣是一個(gè)固定不變的物體，而是看不見摸不著的氣體或形狀易變的液體，且描述流體特征的一些概念像流體質(zhì)點(diǎn)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)、流線等也比較抽象。

（2）研究方法新穎：由于研究對象的抽象性，研究流體常采用微元體法，微元體法是首先分析流體微團(tuán)然后擴(kuò)展到整個(gè)流體的理論，當(dāng)本科生第一次接觸微元體法時(shí)很難一下子被理解。

（3）理論性強(qiáng)：流體力學(xué)是以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)等課程為基礎(chǔ)的，涉及數(shù)學(xué)的微積分方法、物理的基本定律等理論知識(shí)。如果學(xué)生前期基礎(chǔ)不好，那么他們接受相關(guān)知識(shí)會(huì)有一定困難。

（4）知識(shí)點(diǎn)引入方式抽象：通常人們接受知識(shí)的能力是從簡單到復(fù)雜，由具體到抽象，而流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的引入通常從純粹數(shù)學(xué)角度展開，即從抽象到具體，使學(xué)生接受困難。

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的意義

鑒于上述特點(diǎn)，如何激發(fā)學(xué)生的興趣，使抽象問題具體化成為流體力學(xué)教學(xué)的一個(gè)重要問題。傳統(tǒng)的流體力學(xué)分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分：目前課堂教學(xué)通常采用多媒體結(jié)合板書，由于流體力學(xué)的內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)，多媒體的運(yùn)用效果對激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生對知識(shí)的進(jìn)一步理解尤為關(guān)鍵；實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常先是教師講解，然后分組做實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)的限制，學(xué)生需要分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生不能操作到所有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；同時(shí)教師講解時(shí)學(xué)生也不能全角度觀察實(shí)驗(yàn)操作；并且實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到學(xué)時(shí)的限制，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容不能過多。流體數(shù)值教學(xué)平臺(tái)可以彌補(bǔ)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的不足，采用圖片、文字、動(dòng)畫、錄像互動(dòng)、數(shù)值模擬等具有視覺效果的形式，激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，增加學(xué)生對知識(shí)的理解，突出教師的講解的重點(diǎn)，還可以進(jìn)一步補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容。

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

從狹義上講數(shù)值實(shí)驗(yàn)就是將實(shí)際問題用數(shù)學(xué)方程來描述（控制方程、初始條件和邊界條件），再將流體區(qū)域離散化（前處理網(wǎng)格的離散），用數(shù)值解代替解析解（離散方程的求解），最后將解顯示出來（后處理數(shù)值解的顯示）。[5-8]這些過程都有專門的軟件可以進(jìn)行，例如前處理軟件Gambit、icem-cfd等，求解方程得軟件fluent、start_CD等，后處理軟件techplot、Origin、fluent自帶的后處理軟件等。這些軟件解決了原來不能描述的部分問題，學(xué)習(xí)這些軟件不僅需要大量的時(shí)間，而且需要扎實(shí)的流體力學(xué)知識(shí)和數(shù)值模擬的思維方式，而本科生的學(xué)習(xí)時(shí)間和精力都十分有限，最終對學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程學(xué)習(xí)效果并不十分明顯。為了能輔助本科生理解流體力學(xué)的課程，采用圖形、動(dòng)畫、加少量模擬的方法不僅能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，而且擴(kuò)大他們的知識(shí)面。因此本文所提出的數(shù)值實(shí)驗(yàn)是廣義上的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，即是以仿真形式，將圖片、動(dòng)畫、視頻和簡單的數(shù)值模擬方法引入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以加強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)知識(shí)的理解，擴(kuò)大本科生的知識(shí)面。endprint

3.1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體構(gòu)架

根據(jù)流體力學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體構(gòu)架如圖1所示，將整個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為三部分：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)分為與實(shí)驗(yàn)課程配套的操作性實(shí)驗(yàn)和針對課程的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的演示性實(shí)驗(yàn)。演示性實(shí)驗(yàn)是對流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)以及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的分解和加深，特別是對課程中的重點(diǎn)難點(diǎn)，通過一些動(dòng)畫、錄像、圖片等把問題分層次講解，突出問題的本質(zhì)。操作性實(shí)驗(yàn)是與實(shí)驗(yàn)課程配套的錄像、動(dòng)畫，減少了教師在實(shí)驗(yàn)課中的講解，從而利用多余的學(xué)時(shí)進(jìn)行一些討論。拓展實(shí)驗(yàn)是對課堂以外的理論、自然現(xiàn)象、生活小常識(shí)中的流體力學(xué)問題的介紹，還包括流體力學(xué)的歷史、人物介紹，豐富學(xué)生的知識(shí)。工程實(shí)踐是與教師的研究課題的對接，主要對實(shí)際工程、研究項(xiàng)目等的介紹。三部分相互聯(lián)系，相互促進(jìn)：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是對基礎(chǔ)知識(shí)的理解，是拓展實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)；拓展實(shí)驗(yàn)是對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的輔助和補(bǔ)充；工程實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)是對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步應(yīng)用（圖1）。

3.2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)素材整理

數(shù)值實(shí)驗(yàn)所需要的素材包括文字、表格、圖片、動(dòng)畫、視頻、流程圖等多種形式，來源主要包括網(wǎng)絡(luò)、調(diào)研、交流、制作、照相、數(shù)值模擬等。因此素材收集是一項(xiàng)長期而繁瑣的事情，它主要來自教師長期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和成果的積累。目前我校從事流體力學(xué)教學(xué)工作的教師一共有7名，都是具有3年以上的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過長期的有意識(shí)的收集，已經(jīng)形成一定的教學(xué)素材，但要豐富數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還需要進(jìn)一步的積累。

素材僅僅是數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一個(gè)組成單元，如何用素材來展現(xiàn)流體力學(xué)中每個(gè)知識(shí)點(diǎn)是一項(xiàng)重要工作，即素材的整理。如果說素材收集繁重，那么素材整理不僅繁重，而且非常復(fù)雜的工作，它需要設(shè)計(jì)者的條理性、理解力、想象力和創(chuàng)造力。首先要分清素材哪一類實(shí)驗(yàn)，其次要分清屬于哪個(gè)知識(shí)點(diǎn)，再次對同一知識(shí)點(diǎn)的素材要怎樣組合才能更生動(dòng)有趣的表現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，而且突出要領(lǐng)，最后還要考慮怎樣互動(dòng)形式能引起學(xué)生的興趣?？偨Y(jié)起來包括素材的分類、整合、制作、互動(dòng)四部分工作。當(dāng)然，不可能在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都這么多要求，整個(gè)平臺(tái)上要有精有略，分清層次。整個(gè)平臺(tái)的每一個(gè)模塊是按照設(shè)計(jì)—修正—補(bǔ)充—再修正的模式不斷進(jìn)行的，直到模塊完善。

3.3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件集成

本文通過VB語言構(gòu)建數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。VB語言是一種可視化的面向?qū)ο缶幊陶Z言，它具有簡單上手、可移植性強(qiáng)、與windows兼容性好等特點(diǎn)。本文作者具有一定的編程經(jīng)驗(yàn)，能較好地運(yùn)用VB語言開發(fā)界面程序。

編寫數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件就是利用VB語言的特點(diǎn)將整理好的素材用恰當(dāng)?shù)男问奖憩F(xiàn)出來，主要涉及到VB語言與流體素材模塊之間的融合。需要編程者利用VB語言的優(yōu)勢，采用對話框、按鈕、下拉菜單、flash播放器等VB軟件本身具有的部件充分且準(zhǔn)確地表現(xiàn)出流體力學(xué)知識(shí)內(nèi)容，并設(shè)計(jì)合理的互動(dòng)環(huán)節(jié)，以增加軟件的趣味性。除此之外，在這部分增加一些美化的功能，會(huì)大大激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生在游戲中學(xué)習(xí)到知識(shí)。目前，這部分只是做了初步的工作，如圖2所示，要達(dá)到理想的效果還需要長期的工作。

4 結(jié)論

流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用VB編程，將圖片、聲音、動(dòng)畫、視頻等多種素材糅合到軟件當(dāng)中，從多方面多角度展示流體力學(xué)的內(nèi)容，以達(dá)到激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，從而為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用以來，受到了廣大學(xué)生的喜愛，對重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)的理解明顯增強(qiáng)，學(xué)生對流體力學(xué)課程的興趣明顯增加。學(xué)生的反饋信息表明，流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到了學(xué)生的認(rèn)可，但仍存在著一些不足，軟件還需要進(jìn)一步完善，以達(dá)到與課堂教學(xué)的完美結(jié)合。

基金項(xiàng)目：本文系2015天津城建大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目“與數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的《流體力學(xué)》課程的教學(xué)改革”（項(xiàng)目編號(hào)：JG—YBZ—1524）、“CFD技術(shù)在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JG—YBZ—1540）和“以空調(diào)工程為核心的課程群整合與優(yōu)化”（項(xiàng)目編號(hào)：JG—YBZ—1520）

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