結合仿真實踐教學的工程流體力學類課程建設研究

楊柳 劉曉鵬 嚴清華 劉羽祚 楊軍勝 熊烈強

摘 要：新工科背景下工程流體類課程教學改革能夠滿足工程教育改革的需求。文章針對當前工程流體力學類課程教學內容過于陳舊，工程流體力學類課程教學不夠合理的情況，提出了創(chuàng)新工程流體力學課程內容，加強工程流體類課程教學師資隊伍建設，注重工程流體類課程中的互動教育以及形成適合工程流體類課程的教學方法和課程評價等策略，結合實際情況闡述了如何推動工程流體類課程教學改革，以期促進新工科行動路線的發(fā)展。

關鍵詞：工程流體;實踐教學;課程教學;教學改革

工程流體力學是研究流體的機械運動規(guī)律及運用這些規(guī)律解決工程實際意義的一門學科。從遠古的治水工程，18世紀造船、航海興起，20世紀航空技術的發(fā)展，到現(xiàn)在生物技術、環(huán)境科學的飛速進步，都滲透著流體力學的相關理論。在強調交叉學科對科學進步具有重大意義的今天，工程流體力學成為大部分工科學生的必修基礎課程，主要涉及的專業(yè)有機械、能源動力、航空航天、化工、石油等。

流體力學課程由于其抽象、難懂的特點，應用的數(shù)學知識較多，早期的課程教學主要以理論講解與推到為主，大部分學生對學習工程流體力學都有某種程度的畏懼感。因此為提高教學質量，教育界同行在紛紛拋棄以往的黑板式教學模式，取而代之以CAI為主要手段的課堂教學的同時依然在不斷的進行著各種各樣的教學改革探索。然而這些教學手段、方法依然無法真正意義上的擺脫“灌注”式教學模式。由于課時量的壓縮，教師雖然大量采用多媒體技術用于課堂教學，但最后卻在不同程度上淪為為放映師、播音員。從這個層面來看，追求以制作日益精美課件的多媒體教學模式似乎成了教學改革中一個越陷越深的誤區(qū)。

工程流體力學仿真實踐教學的發(fā)展伴隨著計算機技術和仿真軟件技術的不斷發(fā)展，歐美等發(fā)達國家在仿真軟件等方面起步較早，在應用領域相關成熟度較高，因此在仿真實踐教學走在前列，針對仿真實踐教學的方法上也在不斷發(fā)展。近年來，伴隨仿真技術的引進消化與創(chuàng)新，我國的計算機與仿真技術高速發(fā)展，計算流體力學技術作為一種數(shù)值方法，在流體機械中的應用越來越廣泛，我國的流體仿真技術也逐步走向成熟。借助計算流體力學技術，可以得到流體機械內任意位置的流動細節(jié)，如速度、壓力、能量損失、壓力脈動、湍動量、旋渦等，從而在流體機械結構的設計和優(yōu)化方面發(fā)揮了重要的作用，這樣可以減少工程流體力學教學過程中空洞的理論教學，補充了部分參數(shù)實驗中難以測試的技術問題，減少了實驗教學的成本。目前，諸多國內企業(yè)和科研院所已經大量采用CFD技術進行生產實際分析，這些技術是產品開發(fā)的重要工具，要求工作人員掌握流體力學分析、計算及優(yōu)化設計的能力。目前，計算流體力學技術的快速發(fā)展，促使一大批計算流體力學通用軟件，如FLUENT、CFX、STAR-CD等系列CFD軟件的普及，已迅速成為解決航空航天、汽車、動力機械、能源、化工、建筑、農業(yè)以及環(huán)境保護等領域工程問題的有效手段。

國內高等院校在機械等相關工科的本科生和研究生階段都開設流體力學相關課程，針對工程教育專業(yè)要求，機械類、航空、油氣等專業(yè)的本科生開設了工程流體力學基礎的必修課程，結合計算流體力學仿真軟件計算速度提升以及可視化等優(yōu)點，在理論教學過程中可以引人流體仿真軟件實踐，逐步形成了讓學生從理論和實踐中深切體會到流體力學基礎知識在生產實際中應用的重要作用，通過工程實例分析解決生產實際遇到的問題，可以充分調動學生的積極性。

一、課程改革內容

工程流體力學理論性較強，需要學生有較深厚的數(shù)學和力學基礎知識，初學者比較難理解，難以有實際體驗獲得感，本項目基于此，重新建立在多媒體理論知識講授教學的基礎上結合實際上機仿真實踐教學的手段，提升本科生的學習獲得感，結合現(xiàn)階段社會對仿真技術人才的需求，完成教學與學生能力的提升。

將流體仿真軟件引入本科生工程流體力學課堂教學的教學方式拓寬了現(xiàn)有的傳統(tǒng)意義上的多媒體技術教學手段。豐富多媒體的教學模式，同時繼續(xù)深入探討高等教育教學改革，提高教學質量的價值。這種教學方式必然要求專業(yè)教師具有深厚的計算流體力學的理論基礎及熟練操作使用數(shù)值計算軟件的能力，在實踐教學應用中對每位專業(yè)教師提出了不斷提升的要求。

二、流體類課程改革目標

流體類課程需要建立一套完整的基于工程流體力學類理論教學與仿真實踐教學的教學實施方案，完成在多媒體理論知識講授教學的基礎上結合實際上機仿真教學的手段，提升本科生的學習獲得感，解決流體基礎問題能力。

三、課程改革擬解決的關鍵問題

針對工程流體力學理論教學學生獲得感低，建立一套與工程流體力學類基礎理論教學配套的可操作性的仿真實踐教學方案，建設仿真教學案例庫，同時建立適用于低學時量的仿真實踐教學教學實施方案。

四、結語

流體力學類課程教學改革是新工科背景下提高學生的工程素養(yǎng)與實踐能力的重要環(huán)節(jié)。新工科背景下高校工程流體類課程教學必須緊跟時代步伐，針對當前工程流體類課程存在的教學內容過于陳舊，課程教學不夠合理等問題，立足新工科建設對流體機械行業(yè)人才的需求，通過創(chuàng)新工程流體類課程內容，加強流體力學類課程教學師資隊伍建設，注重機械類課程當中的互動教育以及形成適合工程流體的教學方法和課程評價等策略，建立課程理論教學與實踐教學的鏈條，通過科學、合理的途徑來不斷創(chuàng)新工程流體類課程教學，為社會培養(yǎng)專業(yè)技能強、綜合素質高的流體機械行業(yè)人才。

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