基于CFD 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的《空氣動(dòng)力學(xué)》課程教學(xué)改革探究

劉 聰 任 強(qiáng) 溫瑞英 莊南劍 回 憶

（中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，中國(guó) 天津 300300）

0 引言

隨著我國(guó)民航運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)民航特色交通運(yùn)輸和交通管理專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人才提出了更高的要求，在具備扎實(shí)的理論功底的同時(shí)，更需要有利用所學(xué)知識(shí)分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。從工程教育理念出發(fā)， 為培養(yǎng)具備更強(qiáng)工程實(shí)踐能力的學(xué)生，應(yīng)從教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式等方面，對(duì)該專(zhuān)業(yè)課程的教育教學(xué)提出新的要求。

空氣動(dòng)力學(xué)課程是交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。在空氣動(dòng)力學(xué)的教學(xué)和科研領(lǐng)域，存在理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬三類(lèi)主要方法。以教師為中心的理論分析、 推導(dǎo)和演示目前為空氣動(dòng)力學(xué)授課過(guò)程的主要方法， 部門(mén)航空類(lèi)院校中實(shí)驗(yàn)教學(xué)也占有一定比重， 而基于計(jì)算流體力學(xué) （Computational Fluid Dynamics，CFD）的數(shù)值模擬方法正被逐漸運(yùn)用到工程流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等課程的教育教學(xué)中[1-3]。另一方面，基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project Based Learning，PBL）的教學(xué)模式在高等教育中也得到廣泛重視[4-6]。該教學(xué)模式以學(xué)生為中心，以問(wèn)題為導(dǎo)向，以有效的研究子項(xiàng)目實(shí)施為手段，是注重小組項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程的啟發(fā)性自主式教學(xué)方法。本文提出了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)模式，對(duì)教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式進(jìn)行了改革探索，基于遠(yuǎn)程CFD 的仿真平臺(tái)工具，以從知識(shí)重點(diǎn)和難點(diǎn)出發(fā)的項(xiàng)目為載體，在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)中實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生工程思維意識(shí)的建立和強(qiáng)化。

1 課程現(xiàn)狀分析

該課程開(kāi)設(shè)在第5 學(xué)期，共46 課時(shí)，主要講授內(nèi)容為空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、飛機(jī)的空氣動(dòng)力、空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用和飛機(jī)的穩(wěn)定性與操縱性四個(gè)部分。 全部課時(shí)均為課堂教學(xué)的理論課學(xué)時(shí)，以教師講授為主要教學(xué)方式。最終考核成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和卷面考試成績(jī)組成， 分別占比15%和85%。 根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)課程特點(diǎn)，結(jié)合課程教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段該課程存在以下主要問(wèn)題：

1.1 教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的參與度較低

受制于學(xué)時(shí)和客觀(guān)條件，該課程以理論課講解方式呈現(xiàn)；該課程理論性強(qiáng)，概念抽象，有較多的理論推導(dǎo)和計(jì)算，公式和知識(shí)點(diǎn)繁多，公式所表征的物理意義較難理解。 傳統(tǒng)講授的教學(xué)方式，加之抽象的物理概念，難以激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生無(wú)法積極參與到整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中。

1.2 教學(xué)內(nèi)容上欠缺開(kāi)放性、探索性項(xiàng)目

空氣動(dòng)力學(xué)涉及的概念、公式和定理等，以及典型的流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律等，均以文字表述為主，無(wú)法給出學(xué)生直觀(guān)感受；實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)缺失，無(wú)法從實(shí)驗(yàn)實(shí)操中加深對(duì)抽象概念和理論公式的理解。 因此，學(xué)生無(wú)法自主設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和研究探索性問(wèn)題。

1.3 教學(xué)效果需要多維度考核

現(xiàn)階段的考核方式仍為平時(shí)作業(yè)和閉卷考試。 平時(shí)作業(yè)以課后計(jì)算題為主，與考試考核內(nèi)容較重疊，沒(méi)有開(kāi)放性的、探究性的題目設(shè)置，不能考察和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移能力，不利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2 教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)階段該課程存在的上述問(wèn)題，本文提出了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)模式，與理論教學(xué)方式互為補(bǔ)充。 搭建遠(yuǎn)程的數(shù)值仿真平臺(tái)，為學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)提供硬件支持；開(kāi)發(fā)基于知識(shí)重難點(diǎn)的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，培養(yǎng)理論與實(shí)踐結(jié)合能力；鼓勵(lì)學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自主的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，以開(kāi)放式的項(xiàng)目報(bào)告作為考核的一項(xiàng)重要內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新探索精神。

2.1 遠(yuǎn)程CFD 仿真平臺(tái)的搭建

考慮到項(xiàng)目需要的計(jì)算量較大，學(xué)生自有筆記本計(jì)算能力有限； 同時(shí)為了方便對(duì)項(xiàng)目過(guò)程的管理，可以利用現(xiàn)有的服務(wù)器資源，搭建能夠滿(mǎn)足多個(gè)小組和多個(gè)項(xiàng)目同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行研究的遠(yuǎn)程仿真平臺(tái)，供有限用戶(hù)的遠(yuǎn)程操作和計(jì)算資源分配。

該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)學(xué)生在校園網(wǎng)環(huán)境和校外網(wǎng)絡(luò)環(huán)境登錄到遠(yuǎn)程服務(wù)器， 并通過(guò)安裝在遠(yuǎn)程服務(wù)器端的虛擬仿真軟件，進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí)項(xiàng)目的開(kāi)展。數(shù)值仿真工具包括 ANSYS CFD 工具包，如 Fluent、CFX 等。學(xué)生用戶(hù)登錄后， 通過(guò)上傳下載工具將學(xué)生本地的項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端； 同時(shí)能夠?qū)⒎?wù)器端的仿真數(shù)據(jù)下載到當(dāng)?shù)?，便于?shù)據(jù)的處理。

2.2 空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

依據(jù)交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)和交通管理專(zhuān)業(yè)教學(xué)大綱，從該課程重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)出發(fā)，圍繞以下專(zhuān)題進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)： 流體黏性和邊界層流動(dòng)數(shù)值計(jì)算、伯努利方程驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算、 拉伐爾噴管數(shù)值計(jì)算、超音速激波/膨脹波數(shù)值計(jì)算、NACA 翼型氣動(dòng)特性數(shù)值仿真、機(jī)翼平面形狀對(duì)氣動(dòng)特性影響分析、后掠翼翼根翼尖效應(yīng)數(shù)值實(shí)驗(yàn)、超臨界翼型跨音速氣動(dòng)特性仿真、翼尖小翼氣動(dòng)特性分析、增升裝置增升原理仿真實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，按三個(gè)步驟實(shí)施。 第一步為項(xiàng)目文檔的建設(shè)，包括三項(xiàng)內(nèi)容：知識(shí)點(diǎn)理論文檔，包含此項(xiàng)目開(kāi)展用到的理論知識(shí)，包括概念、定義和數(shù)學(xué)推導(dǎo)等；仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)大綱，確立實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)思想、教學(xué)目的，明確各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求；仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目報(bào)告模板，用以確定每個(gè)項(xiàng)目提交報(bào)告的格式。

第二步為必選演示項(xiàng)目的建設(shè)，主要包括演示項(xiàng)目教案、演示項(xiàng)目算例、演示項(xiàng)目報(bào)告。此部分為學(xué)生針對(duì)各個(gè)專(zhuān)題的必選項(xiàng)目，演示項(xiàng)目教案，提供了進(jìn)行數(shù)值仿真的具體操作步驟，包括軟件的打開(kāi)、參數(shù)的設(shè)置、模型的選擇等；演示項(xiàng)目算例為針對(duì)某一項(xiàng)目的某一個(gè)工況的仿真過(guò)程文件；演示項(xiàng)目報(bào)告為針對(duì)某一項(xiàng)目某一工況，進(jìn)行后處理的結(jié)果，并以項(xiàng)目報(bào)告形式予以呈現(xiàn)。 此部分，相當(dāng)于給學(xué)生提供了標(biāo)準(zhǔn)的模板操作，方便學(xué)生快速入手。

第三步為自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目的建設(shè)，主要包括自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案、自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目過(guò)程數(shù)據(jù)、自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目報(bào)告。此部分內(nèi)容為激發(fā)學(xué)生的擴(kuò)散性思維和工程創(chuàng)新能力設(shè)置。 在演示項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，學(xué)生分為若干小組，每組 3～4 人，自選 2～3 個(gè)感興趣專(zhuān)題項(xiàng)目，可在演示項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行探索性研究，包括工況范圍的擴(kuò)展（比如擴(kuò)展雷諾數(shù)、馬赫數(shù)研究范圍）、研究模型的探索（比如新翼型的研究）等。學(xué)生可自定研究方案，進(jìn)行多工況、多模型、多課題的研究。

2.3 考核方式的改革設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段考核方式存在重理論輕實(shí)踐的弊端，以固定答案為判據(jù)的閉卷考試作為最主要考核方式，不利于對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的促進(jìn)和引導(dǎo)，有必要更新現(xiàn)有考核方式。增加項(xiàng)目學(xué)習(xí)成果作為最終成績(jī)的一部分， 按如下比例進(jìn)行分配： 平時(shí)成績(jī)占10%，項(xiàng)目完成成績(jī)占20%，期末考試成績(jī)占70%。項(xiàng)目完成成績(jī)中，主要考察自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目，以小組為單位考核，項(xiàng)目報(bào)告和小組匯報(bào)成績(jī)各占10%。 通過(guò)分組完成項(xiàng)目的方式， 既鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，又增強(qiáng)了學(xué)生的文字能力和表達(dá)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

在推進(jìn)和深化工程教育改革背景下，高等教育需要培育具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)實(shí)踐能力的人才，這就對(duì)教學(xué)理念和教學(xué)模式提出了新的要求。本文結(jié)合民航特色交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)《空氣動(dòng)力學(xué)》課程的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題， 提出了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)模式探索，以遠(yuǎn)程CFD 仿真平臺(tái)為工具，結(jié)合課程重難點(diǎn)，以演示和自主項(xiàng)目為載體，鼓勵(lì)學(xué)生在工程實(shí)踐中培養(yǎng)工程思維和創(chuàng)新精神?；陧?xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的空氣動(dòng)力學(xué)改革，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的循序漸進(jìn)的過(guò)程，只有不斷地更新教學(xué)項(xiàng)目，更加貼近工程實(shí)踐場(chǎng)景，才能取得更好的教學(xué)效果。