計算水動力學(xué)課程教學(xué)案例庫建設(shè)及教學(xué)實踐

彭楊 張尚弘 張成

[摘 要] 案例教學(xué)法作為一種“行為引導(dǎo)式”的教學(xué)形式，在計算水動力學(xué)教學(xué)行動中起到積極作用。圍繞“由淺入深、循序漸進、深入淺出、由表及里”的教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建全方位、多層次的計算水動力學(xué)案例庫，并開展了案例教學(xué)。教學(xué)實踐表明，案例教學(xué)法充分融合了理論知識與實踐工作，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對課程知識的理解和掌握，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，幫助學(xué)生掌握和具備工程實踐和科研工作的基礎(chǔ)技能。

[關(guān)鍵詞] 計算水動力學(xué);案例庫建設(shè);案例教學(xué)

[基金項目] 華北電力大學(xué)2019年“雙一流”研究生培養(yǎng)建設(shè)項目：“《計算水動力學(xué)》研究生優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)”（XM1907451）

[作者簡介] 彭 楊（1975—），女，湖北武漢人，博士，教授，研究方向為流域水沙模擬與調(diào)控;張尚弘（1977—），男，甘肅古浪人，博士，教授，研究方向為流域水文與水動力學(xué)模擬;張 成（1982—），男，湖北鄂州人，博士，副教授，研究方向為長距離復(fù)雜明渠輸水渠道的運行控制模擬。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0225-02? ? ?[收稿日期] 2019-09-27

一、引言

案例教學(xué)法是一種“以案例為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方法，將被動的教學(xué)模式轉(zhuǎn)換為“行為引導(dǎo)式”教學(xué)形式，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建典型的課程教學(xué)案例庫，圍繞“案例與理論”展開教學(xué)行動，進而優(yōu)化整個教學(xué)過程。通過案例與理論結(jié)合，用理論知識指導(dǎo)實踐，在實踐中創(chuàng)新和改進，開闊學(xué)生視野，促進學(xué)生主動參與，提高探索和解決問題的能力。案例庫建設(shè)及案例教學(xué)實踐的教育理念在各學(xué)科領(lǐng)域教學(xué)行動中均可起到重大的作用[1]。

近二三十年來，隨著計算機的出現(xiàn)和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，已可用計算機數(shù)值求解流體力學(xué)中各種各樣的問題.這樣就構(gòu)成了流體力學(xué)的另外一個分支——計算水動力學(xué)[2]。計算水動力學(xué)水利類、環(huán)境類等專業(yè)研究生重要的學(xué)科基礎(chǔ)課。該課程以數(shù)學(xué)模型和計算機模擬為基礎(chǔ)，對水利工程中各種水流、海洋、水環(huán)境污染，水資源等問題用數(shù)學(xué)方程進行描述，模擬以水體為載體的物質(zhì)傳輸過程，解決理論問題或?qū)嶋H工程等問題，是一門主要利用計算機進行實驗的課程[3，4]。

目前計算水動力學(xué)的數(shù)值模擬計算，在非恒定流、滲流、自由面溢流、粘性流與紊流模擬等方面都取得了較大的進展，與物理模型相比，它具有省錢，省時，不受模型比尺限制，應(yīng)用面廣，適用性強等特點。由于本課程與工程實踐和科研工作聯(lián)系十分緊密，在教學(xué)行動中結(jié)合授課教師的科研工作或引入實際應(yīng)用案例，將理論與實踐相結(jié)合，利于學(xué)生掌握理論知識，明晰這門課程的意義與本質(zhì)，提高學(xué)習(xí)實踐的積極性，對學(xué)生今后進行工程實踐和科研工作具有重要意義。因此，有必要在計算水動力學(xué)這門課程中引入案例教學(xué)法，以加深學(xué)生對課程理論內(nèi)容的理解與掌握，并加以應(yīng)用。

二、計算水動力學(xué)案例庫建設(shè)與教學(xué)實踐

（一）案例庫建設(shè)

以計算水動力學(xué)的課程內(nèi)容為主體，剖析工程實踐和前沿課題中的基礎(chǔ)理論，圍繞“由淺入深、循序漸進、深入淺出、由表及里”的教學(xué)目標(biāo)，對具有代表性和典型性的案例加以重組和改進，構(gòu)建全方位、多層次的計算水動力學(xué)案例庫。案例應(yīng)與課程內(nèi)容直接相關(guān)，涵蓋課程內(nèi)容的多個知識點，兼顧課程內(nèi)容重點和難點，多方面、多角度地將理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用結(jié)合起來，幫助學(xué)生深入理解、深刻把握、深化領(lǐng)會，起到鞏固和強化理論學(xué)習(xí)的作用。

（二）案例教學(xué)實踐

針對計算水動力學(xué)課程內(nèi)容中的重點和難點問題，引入案例并組織學(xué)生進行分析和討論，從案例出發(fā)，有針對性地講解工程實踐和科研工作中的各種理論問題，結(jié)合數(shù)據(jù)資料和目標(biāo)要求建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)案例特點選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值計算方法對數(shù)學(xué)模型進行求解，并對結(jié)果進行分析、討論，探尋案例背后的本質(zhì)和物理意義，重新認識課程的研究理論和學(xué)術(shù)價值。

計算水動力學(xué)的大部分理論知識，都可結(jié)合案例庫開展教學(xué)行動。比如，對于計算水動力學(xué)中的一維河網(wǎng)數(shù)值模擬計算，引入三峽庫區(qū)干支流的一維河網(wǎng)非恒定流數(shù)值計算案例[5]，結(jié)合課程內(nèi)容注重講解案例中的圣維南方程及其數(shù)值計算方法、汊點處理、初始條件設(shè)定、上下游邊界條件處理等問題。對于二維非恒定流和潰壩水流數(shù)值分析問題，引入峽山水庫潰壩洪水的演進過程案例[6]，結(jié)合課程內(nèi)容注重講解案例中的二維非恒定流淺水方程及其數(shù)值計算方法，最大潰口流量、潰壩流量過程線的計算、河段網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、初始條件設(shè)定、上下游邊界條件處理等問題。對于水利、環(huán)境、海洋工程中的紊流模擬，引入底坎紊流分離流計算案例[7]，結(jié)合課程內(nèi)容注重講解案例中的標(biāo)準(zhǔn)模型和雷諾應(yīng)力模型，連續(xù)方程和雷諾時均方程，初始條件設(shè)定、進口邊界、出口邊界、固壁邊界和自由表面邊界處理等問題。

在建立案例模型后，引入案例的自編軟件，通過程序源代碼加深學(xué)生對理論和計算方法的理解。同時，可以設(shè)定不同的情景條件和要求利用不同的數(shù)值計算方法進行求解，比較不同情景條件下的水流特性，分析不同計算方法下的結(jié)果差異。這樣，將案例拆分重組，不僅可幫助學(xué)生多角度地理解課本中的理論知識和案例中的常見問題，還可啟發(fā)學(xué)生對源代碼進行完善和改進。通過案例教學(xué)將課本知識和工程實踐結(jié)合在一起，學(xué)生不僅可以深入理解課本中的理論知識，還可以深入領(lǐng)會理論知識的實際作用和意義，提高學(xué)習(xí)興趣和科研實踐能力。

（三）案例教學(xué)實踐檢驗。

為了更好地提高計算水動力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，需要對案例教學(xué)實踐進行檢驗。通過學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)效果，源代碼的修改、完善和改進，結(jié)果的討論和分析等情況，判斷學(xué)生對于本課程的學(xué)習(xí)興趣是否濃厚，是否理解抽象的理論知識，是否將理論知識聯(lián)系到工程實際中去，以此對案例教學(xué)效果進行評定，對不足之處加以改善，對欠缺部分進行補充，為下次課堂教學(xué)提供參考。

實踐表明，案例教學(xué)法和計算水動力學(xué)課程契合度很高，可以把課本中抽象的物理方程具體化、形象化、通俗化，便于理解和接受，讓理論回歸實際，讓認識走向?qū)嵺`，充分提高了學(xué)生理解問題、分析問題、解決問題的能力，掌握和具備了工程實踐和科研工作的基礎(chǔ)技能。通過以學(xué)促練，以練促學(xué)，在學(xué)習(xí)與實踐上做到相輔相成，使學(xué)生學(xué)會真本領(lǐng)。

三、結(jié)語

“計算水動力學(xué)”已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)應(yīng)掌握這門課的理論知識和基本技能，并具備加以應(yīng)用的能力。通過案例庫建設(shè)及案例教學(xué)實踐可以進一步提高教學(xué)質(zhì)量，選取有代表性和典型性的案例，將理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用結(jié)合起來，將知識點落細、落小、落實，可以幫助學(xué)生學(xué)深悟透、融會貫通，培養(yǎng)濃厚的學(xué)習(xí)興趣和嚴(yán)謹?shù)目蒲袑嵺`能力。

參考文獻

[1]田立江，張潔，何士龍，等.案例教學(xué)法在工程類課程教學(xué)中的實踐[J].西部素質(zhì)教育，2017（24）：151-152，167.

[2]鄭邦民，趙昕等.計算水動力學(xué)[M].湖北：武漢大學(xué)出版社，2001.

[3]戴昱，汪德爟，丁全林.“計算水力學(xué)”課程構(gòu)建與教學(xué)模式研究[J].中國電力教育，2012（17）：68-69.

[4]周雪漪.計算水動力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[5]彭楊，張紅武.三峽庫區(qū)非恒定一維水沙數(shù)值模擬[J].水動力學(xué)研究與進展（A輯），2006（3）：285-292.

[6]彭楊，峽山水庫水利模型研究階段報告[R].華北電力大學(xué)，2014.

[7]魯俊，王玲玲.幾種紊流模型在底坎紊流分離流計算中的對比[J].水科學(xué)進展，2009（2）：255-260.