理工科高校通識(shí)—綜合素養(yǎng)課程建設(shè)
——以CFD數(shù)值模擬實(shí)訓(xùn)為例

孫槿靜 袁馨怡 陽(yáng) 君 陳二云

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093）

現(xiàn)代大學(xué)的通識(shí)教育起始于19世紀(jì)初，就內(nèi)容而言，通識(shí)教育是關(guān)于各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和技能的教育[1]。在新一輪教育教學(xué)改革中，很多高校將通識(shí)教育作為深化教學(xué)改革，進(jìn)行內(nèi)涵建設(shè)的一項(xiàng)重要舉措[2]。目前，許多地方高校的通識(shí)教育主要是通過(guò)開(kāi)設(shè)人文社科類(lèi)課程，以滿(mǎn)足學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展的人才培養(yǎng)目標(biāo)，而跨學(xué)科或與專(zhuān)業(yè)融合的通識(shí)類(lèi)課程數(shù)量嚴(yán)重不足[3]，有必要在立足加快工程教育改革創(chuàng)新，助推“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的通識(shí)教育改革，開(kāi)設(shè)面向理工科高校的通識(shí)—綜合類(lèi)的課程建設(shè)[4]。

在通識(shí)課程不斷增多而師資相對(duì)缺乏的情況下，目前大班授課成了通識(shí)教育課程教學(xué)的主要模式，這使得教師課堂教學(xué)有很大的局限性，不利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高[5]，也不利于學(xué)生在積累知識(shí)之外得到更多的啟發(fā)，其次大班授課導(dǎo)致實(shí)踐活動(dòng)難以開(kāi)展，師生互動(dòng)較少，學(xué)生難以得到真正的鍛煉，使得課程教育效果不佳。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門(mén)具有強(qiáng)大生命力的交叉科學(xué)。它克服了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析的某些缺點(diǎn)，且具有成本低、耗時(shí)短的優(yōu)勢(shì)，易于獲得流場(chǎng)中的數(shù)據(jù)，在動(dòng)力、化工、環(huán)境、機(jī)械、建筑、醫(yī)學(xué)、航空、航天等工程技術(shù)中有著十分廣泛的應(yīng)用。因此，培養(yǎng)既有扎實(shí)的英語(yǔ)基礎(chǔ)知識(shí)又熟悉CFD實(shí)踐操作的應(yīng)用型人才非常必要[6]。除了講解演示軟件操作技巧外，本課程還將緊密結(jié)合實(shí)驗(yàn)室資源，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室演示讓學(xué)生更好地理解CFD及基本原理及思路，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)例實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值仿真的結(jié)果正確性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)的同時(shí)“不忘實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。

1 教學(xué)內(nèi)容的選擇及過(guò)程組織

CFD是一門(mén)具有強(qiáng)大生命力的交叉科學(xué)，同時(shí)也是一個(gè)緊跟社會(huì)發(fā)展的一門(mén)學(xué)科，更新極其快的一門(mén)學(xué)科。以常用的商用CFD軟件為例，十年前，NUMECA還能占據(jù)半壁江山，現(xiàn)在已經(jīng)百家爭(zhēng)鳴，Ansys Fluent、CFX、STAR-CCM、Comsol、OpenFOAM等等都是市場(chǎng)上常用的CFD軟件。本課程對(duì)課程大綱及教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新編寫(xiě)，將課程框架改的更加開(kāi)放，采用靈活采用多種計(jì)算軟件完成計(jì)算案例。

課程內(nèi)容主要包括計(jì)算流體力學(xué)的基本概述、基礎(chǔ)知識(shí)、常用商用軟件介紹、計(jì)算域基礎(chǔ)與實(shí)例、網(wǎng)格基礎(chǔ)與實(shí)例、求解器基礎(chǔ)與實(shí)例及后處理基礎(chǔ)與實(shí)例七個(gè)部分（共計(jì)32學(xué)時(shí)，2學(xué)分）。其中在對(duì)學(xué)生進(jìn)行CFD計(jì)算操作的過(guò)程中穿插目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)界較為常用的相關(guān)軟件，包括但不限于幾何構(gòu)建類(lèi)軟件（CATIA,Solidworks,ProE,UG）、網(wǎng)格生成軟件（ICEM,Pointwsie,Autogrid），數(shù)值計(jì)算軟件（Ansys Fluent,Ansys CFX,Star-CCM+,Openfoam,AnsysWorkbench）以及后處理分析軟件（CFD-Post,Tecplot,FieldView）等。

不再僅僅介紹一個(gè)常用的CFD軟件，通過(guò)整個(gè)CFD計(jì)算流程的講解讓學(xué)生對(duì)工業(yè)界常用的三維建模軟件、網(wǎng)格劃分軟件、CFD商用軟件及流場(chǎng)后處理軟件都會(huì)有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，拓寬學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野。由于CFD的特點(diǎn)，需要實(shí)時(shí)更新CFD的最新算法、模型等，才能保持課程的前沿性，該如何實(shí)現(xiàn)是對(duì)我們課程建設(shè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因此我們也會(huì)在相關(guān)環(huán)節(jié)介紹一些最新的，如在網(wǎng)格生成環(huán)節(jié)除了講解如何使用常用的商用軟件ANSYSICEM，還介紹目前較新的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)（Dynamic Mesh）。在講解如何使用求解器計(jì)算的過(guò)程中，除了常用商用CFD軟件，如Fluent、CFX等的實(shí)例講解，還介紹了基于粒子和具有完整拉格朗日函數(shù)的無(wú)網(wǎng)格方法CFD軟件XFLOW。在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析的時(shí)候，我們也在原有的CFD-Post的基礎(chǔ)上增加了目前主流的、專(zhuān)業(yè)流場(chǎng)后處理軟件Tecplot、Ansys EnSight及FieldView的應(yīng)用講解。

同時(shí)建立實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)，里面包含經(jīng)典的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)（如圓柱繞流、翼型擾流等）的視頻及實(shí)驗(yàn)邊界條件。在完成整個(gè)基礎(chǔ)授課后，安排同學(xué)們?cè)谡n程的實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)中選取想要計(jì)算的案例，用課程上講過(guò)介紹過(guò)的建模、計(jì)算分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算及分析，最后與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證自己的結(jié)果，進(jìn)一步讓學(xué)生明白“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，在先進(jìn)的CFD所算出的結(jié)果只有與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證才能知道其可行性。同時(shí)，所有課程授課將以全英語(yǔ)方式開(kāi)展。

課程考核方面，主要包括以下內(nèi)容：（1）強(qiáng)調(diào)流體力學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用：考試時(shí)由題庫(kù)隨機(jī)選擇一種計(jì)算流體力學(xué)工程問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值仿真。（2）結(jié)合平時(shí)表現(xiàn)：采用激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生參與互動(dòng)，多問(wèn)問(wèn)題，認(rèn)真完成作業(yè)。（3）英語(yǔ)實(shí)用能力：要求學(xué)生在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)均使用英語(yǔ)，提供英語(yǔ)實(shí)用能力。

2 教學(xué)方法的改革與教學(xué)手段的創(chuàng)新

本課程將采用理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及上機(jī)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的多元化教學(xué)模式，讓學(xué)生循序漸進(jìn)地進(jìn)入本課程的學(xué)習(xí)狀態(tài)，理解CFD及基本原理及思路。授課過(guò)程中，通過(guò)大量的工程實(shí)例來(lái)講解計(jì)算域基礎(chǔ)、網(wǎng)格基礎(chǔ)、求解器基礎(chǔ)及后處理基礎(chǔ)，來(lái)加深學(xué)生對(duì)CFD應(yīng)用的理解和提高他們對(duì)CFD軟件的應(yīng)用的熟練度。同時(shí)，為了提高學(xué)生的積極性，組建workgroup，采用微課制作及翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生有更多的自主學(xué)習(xí)及自主思考討論的空間。此外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)還將充分利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)資源，為學(xué)生直觀展示相關(guān)算例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生能夠正確認(rèn)識(shí)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系。

結(jié)合CFD數(shù)值模擬實(shí)訓(xùn)這門(mén)交叉學(xué)科課程的特點(diǎn)，建立與其他課程的互通性，能夠形成專(zhuān)業(yè)對(duì)話(huà)，應(yīng)該打破學(xué)科壁壘，統(tǒng)一以學(xué)生核心素養(yǎng)培育為基礎(chǔ)，既強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合品質(zhì)培養(yǎng)，使學(xué)生通過(guò)跨學(xué)科學(xué)習(xí)獲得不同的思考視角[7][8]。

3 教學(xué)實(shí)施過(guò)程中可能存在的問(wèn)題及解決方法

教學(xué)過(guò)程中可能會(huì)存在以下問(wèn)題，如：（1）由于CFD的特點(diǎn)，需要實(shí)時(shí)更新CFD的最新算法、模型等，才能保持課程的前沿性，該如何實(shí)現(xiàn)是對(duì)我們課程建設(shè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。（2）更多實(shí)驗(yàn)案例的引入，多種軟件自由選擇的進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于學(xué)生及老師都是一個(gè)挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述所面臨的問(wèn)題，本文擬從以下幾個(gè)方面提出應(yīng)對(duì)措施，以解決建模實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)中所存在的問(wèn)題。

（1）采用教研結(jié)合，加強(qiáng)師生交流討論。為了保持課程內(nèi)容的前沿性，在授課過(guò)程中還要實(shí)時(shí)更新授課內(nèi)容。鼓勵(lì)科研教學(xué)一線(xiàn)青年教師從事本課程的教學(xué)，教師的科研方向與CFD息息相關(guān)，從事的科研緊跟CFD的前沿發(fā)展，因此可以很好教研結(jié)合，保證教學(xué)內(nèi)容的前沿性。同時(shí)，加強(qiáng)課程網(wǎng)站建設(shè)，在網(wǎng)站的建設(shè)中加入交流討論板塊，方便交流及討論最新的CFD熱點(diǎn)知識(shí)。

（2）數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合，更好地理解CFD基本原理及思路。理工科高校學(xué)生大學(xué)四年期間學(xué)校及學(xué)院公共實(shí)驗(yàn)中心會(huì)安排學(xué)生在大學(xué)四年間參與學(xué)習(xí)一些專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置及測(cè)量，可參考學(xué)生所做實(shí)驗(yàn)，挑選典型案例，由課程教師指導(dǎo)學(xué)校，如何從所做實(shí)驗(yàn)中提取可用于CFD數(shù)值計(jì)算的邊界條件、模型及工況，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)演示和CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果讓學(xué)生對(duì)比分析其數(shù)值求解結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合情況，并能夠結(jié)合數(shù)值模型提取分析計(jì)算誤差來(lái)源及其可靠性。

總而言之，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，CFD數(shù)值模擬在理工科高校學(xué)生深造及就業(yè)過(guò)程中均有著廣泛的應(yīng)用，我們應(yīng)該面向全校學(xué)生有效建立起這門(mén)通識(shí)—綜合素養(yǎng)類(lèi)課程，積極發(fā)揮該門(mén)課程所具備的優(yōu)勢(shì)，使得理工科高校學(xué)生在掌握有利專(zhuān)業(yè)類(lèi)工具的基礎(chǔ)上更具有核心競(jìng)爭(zhēng)力。