基于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向的數(shù)字化建模與仿真人才培養(yǎng)模式探索

陳學(xué)彬 卓獻(xiàn)榮 李雪梅 李金成

摘要：《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》聚焦教育發(fā)展的突出問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)，指出要推動(dòng)教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展有機(jī)銜接、深度融合，豐富并創(chuàng)新課程形式。數(shù)字化建模與仿真是信息技術(shù)能力培養(yǎng)的關(guān)鍵內(nèi)容，新時(shí)期對(duì)高等院校的教學(xué)改革具有重要意義。當(dāng)前應(yīng)用型大學(xué)在數(shù)字化建模與仿真人才培養(yǎng)方面不能較好地滿足企業(yè)的人才需求，要求高校以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向在課程內(nèi)容上進(jìn)行教學(xué)改革。工程流體力學(xué)為仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院的“校級(jí)優(yōu)秀課程”，在提升人才培養(yǎng)質(zhì)量上發(fā)揮重要作用。教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真“三層次”教學(xué)方法，通過(guò)講解和操作帶領(lǐng)學(xué)生由淺入深的工程實(shí)例，為進(jìn)一步提升課程和產(chǎn)業(yè)需求的適配性奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué);教學(xué)改革;數(shù)字化建模與仿真;產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向

中圖分類號(hào)：G642.0?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：1005-2909（2022）03-0063-07

在過(guò)去十年中，各高校按照《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》對(duì)專業(yè)和課程進(jìn)行調(diào)整，以更好地適應(yīng)就業(yè)市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求[1]。2018年，《教育部關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》（教高函〔2018〕8號(hào)）指出，各高等院校要加強(qiáng)學(xué)習(xí)過(guò)程的管理，對(duì)每一門課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全方位梳理，淘汰部分“水課”、打造一批“金課”，切實(shí)提高課程的教學(xué)質(zhì)量[2]。2019年，《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》進(jìn)一步聚焦教育發(fā)展的突出問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)，指出要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，推動(dòng)教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展有機(jī)銜接、深度融合，豐富并創(chuàng)新課程形式，引導(dǎo)高校及時(shí)調(diào)整課程建設(shè)[3]。數(shù)字化建模與仿真作為信息技術(shù)能力培養(yǎng)的關(guān)鍵內(nèi)容，是當(dāng)前教育急需重視的環(huán)節(jié)[4-7]。因此，新時(shí)期基于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向的數(shù)字化建模與仿真人才培養(yǎng)對(duì)高校教學(xué)改革具有重要意義。

應(yīng)用型大學(xué)是指以應(yīng)用型為辦學(xué)定位，以培養(yǎng)具有較強(qiáng)社會(huì)適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的本科高等院校。當(dāng)前中國(guó)正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)關(guān)鍵期，各產(chǎn)業(yè)的首要任務(wù)是從高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量發(fā)展，社會(huì)急需大量掌握數(shù)字化建模與仿真技術(shù)的綜合性應(yīng)用型人才，在流體力學(xué)領(lǐng)域尤其如此。當(dāng)前應(yīng)用型大學(xué)在數(shù)字化建模與仿真人才培養(yǎng)方面不能較好地滿足企業(yè)的人才需求，這要求高校以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，以工程流體力學(xué)為例的重要基礎(chǔ)理論課程培養(yǎng)向數(shù)字化建模與仿真人才的改革方向發(fā)展，從而及時(shí)滿足產(chǎn)業(yè)人才新需求。

基于此，仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院工程流體力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合課程特點(diǎn)，積極利用現(xiàn)代信息技術(shù)，基于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，在傳統(tǒng)教學(xué)中引入數(shù)字化建模與仿真教學(xué)，使學(xué)生能更好地在流體力學(xué)理論學(xué)習(xí)過(guò)程中聯(lián)系工程實(shí)際。

一、課程現(xiàn)狀分析與思考

流體力學(xué)主要研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及實(shí)際應(yīng)用，是應(yīng)用面比較廣的專業(yè)基礎(chǔ)課，在能源、土木、機(jī)電、航空、化工、水利和海洋等領(lǐng)域起重要作用。工程流體力學(xué)側(cè)重解決工程中出現(xiàn)的具體問(wèn)題，雖然在一定程度上弱化了理論公式推導(dǎo)，但是對(duì)應(yīng)用型本科學(xué)生來(lái)說(shuō)，仍存在著基本概念多、公式復(fù)雜和內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，學(xué)生普遍感覺(jué)枯燥乏味、難學(xué)，存在畏難、厭學(xué)情緒。當(dāng)前工程流體力學(xué)課程教學(xué)普遍仍存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（一）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)偏重理論推導(dǎo)，與工程實(shí)際結(jié)合不足

工程流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用，屬于理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其研究方法可直接用于科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)。由于目前該課程仍偏重理論推導(dǎo)，選用的例題和練習(xí)題過(guò)于理想化，與實(shí)際應(yīng)用存在相脫離的情況，這使得學(xué)生在課程學(xué)習(xí)后不知如何應(yīng)用，這就造成了剛畢業(yè)學(xué)生接觸流體力學(xué)工程問(wèn)題時(shí)不能采用有效方法為企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題。

（二）教學(xué)方法單一，呈現(xiàn)“灌注”式教學(xué)，學(xué)生理解困難

流體力學(xué)課程的特點(diǎn)是抽象、枯燥、難懂，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，常處于“教師難講、學(xué)生難懂”的狀態(tài)。雖然流體與日常生活密不可分，但其物理現(xiàn)象不直觀、基本概念較抽象，這使得學(xué)生無(wú)法從簡(jiǎn)單的教材圖片中想象復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程，更難談及“透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)”。雖然當(dāng)前課程數(shù)學(xué)大量采用多媒體技術(shù)（圖片、動(dòng)畫乃至影像資料），但沒(méi)有實(shí)驗(yàn)體系支撐的純理論教學(xué)依然無(wú)法真正擺脫“灌注”式的教學(xué)模式。

（三）部分教學(xué)內(nèi)容陳舊，符合時(shí)代發(fā)展要求的新內(nèi)容未及時(shí)充分引入課程教學(xué)

流體力學(xué)通常的研究方法包括理論分析、物理實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式。理論分析以理論公式為主，物理實(shí)驗(yàn)為解釋基本流體力學(xué)問(wèn)題的實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)公式為基于理論公式和物理實(shí)驗(yàn)而建立的針對(duì)實(shí)際流體力學(xué)問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)估算方法。這3種研究方法是傳統(tǒng)流體力學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，但在面對(duì)實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題時(shí)，尤其是局部細(xì)節(jié)優(yōu)化方面，傳統(tǒng)手段往往難以做出準(zhǔn)確預(yù)估，甚至預(yù)估錯(cuò)誤。該類問(wèn)題適合用符合時(shí)代發(fā)展要求的數(shù)字化建模與仿真技術(shù)解決，然而這部分教學(xué)內(nèi)容未及時(shí)引入課堂教學(xué)。

二、教學(xué)改革

（一）計(jì)算流體力學(xué)

數(shù)字化建模與仿真手段是基于計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)發(fā)展起來(lái)，屬于計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化建模與仿真技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，其作為一項(xiàng)多學(xué)科交叉的數(shù)值模擬分析技術(shù)，受到科技界和工程界的重視。以美國(guó)福特汽車為例，在引用數(shù)字化建模與仿真技術(shù)后，新車的開發(fā)周期由原來(lái)的36個(gè)月降低為12～18個(gè)月，開發(fā)后期設(shè)計(jì)修改率減少50%，原型車制造和實(shí)驗(yàn)成本減少50%，投資收益提高50%。豐田和馬自達(dá)等汽車行業(yè)也因數(shù)字化建模與仿真技術(shù)的應(yīng)用大大受益，減少了實(shí)機(jī)測(cè)試的次數(shù)和成本，縮短了開發(fā)周期，大大提高投資收益。計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）是數(shù)字化建模與仿真手段在流體力學(xué)中的應(yīng)用，屬于CAE的一部分。借助CFD技術(shù)，可以得到流場(chǎng)內(nèi)任意位置的流動(dòng)細(xì)節(jié)，包括速度、壓力、能量損失、壓力脈動(dòng)、湍動(dòng)量和漩渦等，從而在流體工程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等方面發(fā)揮重要作用。CFD基本思想可以歸結(jié)為：把原來(lái)在時(shí)域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上變量的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組以獲得場(chǎng)變量的近似值。

目前，諸多企業(yè)和科研院所大量應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)際分析，并將這些技術(shù)視為產(chǎn)品開發(fā)的重要工具，在美的、格力等大型企業(yè)甚至已經(jīng)把CFD技術(shù)當(dāng)做產(chǎn)品創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的源泉之一，因此，CFD分析計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為流體分析工程師必須掌握的技術(shù)之一。目前已經(jīng)有高校在課堂教學(xué)中引入CFD以加深對(duì)流體力學(xué)理論知識(shí)的驗(yàn)證和引申，使教材理論與相關(guān)工程實(shí)際相結(jié)合，但是在流體力學(xué)數(shù)值仿真人才培養(yǎng)方面與企業(yè)的需求仍存在一定的不足。從近期各企業(yè)對(duì)流體力學(xué)工程師大量招聘需求信息看出，流體力學(xué)人才培養(yǎng)不能較好的滿足現(xiàn)階段的產(chǎn)業(yè)人才新需求，這要求高校必須盡快基于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，將數(shù)字化建模和仿真技術(shù)納入到工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革中。

（二）教學(xué)改革探索與實(shí)踐

以應(yīng)用型本科高校仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院工程流體力學(xué)課程為改革對(duì)象，基于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中引入CFD數(shù)值仿真技術(shù)，一方面，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提升數(shù)字化建模與仿真能力;另一方面，在CFD數(shù)值仿真過(guò)程中，涉及流體計(jì)算模型的選擇（如拉格朗日/歐拉描述、定常/非定常、層流/湍流、單相流/多相流），邊界條件的賦予（如速度、壓力），流場(chǎng)信息后處理（如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、渦量），流場(chǎng)優(yōu)化（如以減少流動(dòng)損失為目的、以減小阻力為目的）等方面，這又可以使學(xué)生進(jìn)一步鞏固流體力學(xué)理論知識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)由淺入深的工程實(shí)例分析解決生產(chǎn)實(shí)際遇到的問(wèn)題，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使學(xué)生掌握CFD數(shù)值分析方法，拓寬知識(shí)面，加強(qiáng)教學(xué)與工程應(yīng)用之間的有機(jī)結(jié)合。本次教學(xué)改革實(shí)踐采用CFD仿真“三層次”教學(xué)方法，將CFD數(shù)值實(shí)驗(yàn)劃分為由淺入深的3個(gè)層次，分別為基礎(chǔ)概念解釋實(shí)驗(yàn)、基本物理現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)和綜合擴(kuò)展應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。這3個(gè)層次復(fù)雜程度依次遞進(jìn)，有機(jī)聯(lián)系又相互區(qū)別，可分別滿足不同教學(xué)階段的需求。圖1為CFD仿真“三層次”教學(xué)實(shí)踐示意圖。

1.基礎(chǔ)概念解釋實(shí)驗(yàn)

該部分為流體力學(xué)課程基本概念解釋，例如流場(chǎng)、梯度、散度、旋度、歐拉描述流線、拉格朗日描述跡線、點(diǎn)源、雷諾數(shù)、渦量、渦管、渦通量、渦管強(qiáng)度、速度環(huán)量和馬赫數(shù)等。這種基礎(chǔ)演示實(shí)驗(yàn)具有建模簡(jiǎn)單、計(jì)算過(guò)程用時(shí)短等便于課堂教學(xué)的特點(diǎn)，演示實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谡n堂上直接完成模型和仿真計(jì)算，這既能夠幫助學(xué)生加深流體力學(xué)基本概念理解，又能使學(xué)生對(duì)軟件的使用有初步了解。

2.基本物理現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)

該部分為流體力學(xué)課程基本物理現(xiàn)象演示，例如卡門渦街、邊界層、射流、激波、康達(dá)效應(yīng)、牛頓粘性定律、熱傳導(dǎo)現(xiàn)象、層流、湍流、方腔環(huán)流和達(dá)朗伯佯謬等。這種基本物理現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)與基礎(chǔ)概念解釋實(shí)驗(yàn)相比，建模更復(fù)雜，計(jì)算耗時(shí)更長(zhǎng)，因此，教師在課下完成建模和計(jì)算，課堂主要介紹建模過(guò)程及原理，重點(diǎn)分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果，具體仿真過(guò)程由學(xué)生課下或在上機(jī)實(shí)驗(yàn)中完成。該階段有助于學(xué)生理解流體力學(xué)基本物理現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)流體力學(xué)基本物理規(guī)律，使得學(xué)生能掌握一定程度的數(shù)值建模和仿真手段，為綜合擴(kuò)展應(yīng)用實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

3.綜合擴(kuò)展應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

該部分為流體力學(xué)知識(shí)在工程中的實(shí)際應(yīng)用案例分析，例如不同攻角機(jī)翼升力模擬、流體機(jī)械應(yīng)用實(shí)例分析、水壩破壞多相流模擬、室內(nèi)通風(fēng)案例解析、近岸波浪傳播模擬和汽車流動(dòng)阻力優(yōu)化等。該部分?jǐn)?shù)值實(shí)驗(yàn)課程建立在前兩部分實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，不僅能進(jìn)一步提高學(xué)生的數(shù)字化建模和仿真能力，而且在課程設(shè)計(jì)上具有獨(dú)特的效果。

細(xì)分工程案例，根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生調(diào)整課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置。仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院涉及流體力學(xué)課程的專業(yè)包括給排水科學(xué)與工程、土木工程專業(yè)和能源與動(dòng)力課程等?？紤]到不同的專業(yè)涉及到的未來(lái)產(chǎn)業(yè)方向是有所區(qū)別的，課程中根據(jù)學(xué)生的專業(yè)類別進(jìn)行工程案例細(xì)分，實(shí)現(xiàn)課程中工程案例與專業(yè)的精準(zhǔn)對(duì)接。例如給排水科學(xué)與工程專業(yè)可講解水壩破壞多相流模擬、管道阻力優(yōu)化設(shè)計(jì)和污染物濃度擴(kuò)散等工程案例，土木工程專業(yè)可講解近岸波浪傳播模擬、階梯式溢流面水力特性規(guī)律研究和水流對(duì)橋墩影響的數(shù)值模擬分析等，能源與動(dòng)力課程專業(yè)可講解不同攻角機(jī)翼升力模擬、流體機(jī)械應(yīng)用實(shí)例分析和室內(nèi)通風(fēng)案例解析等工程案例。由于CFD應(yīng)用范圍較廣，不同產(chǎn)業(yè)對(duì)CFD的要求也不盡相同，有的強(qiáng)調(diào)復(fù)雜模型的建模能力，有的更強(qiáng)調(diào)仿真分析和編程能力，因此，不同專業(yè)學(xué)生通過(guò)細(xì)分工程案例的學(xué)習(xí)，可以強(qiáng)化自身在數(shù)字化建模與仿真某些特定模塊的能力，從而為今后從事的相關(guān)行業(yè)奠定知識(shí)基礎(chǔ)。

建立開放式實(shí)驗(yàn)，改革課程考核機(jī)制，培養(yǎng)自主設(shè)計(jì)能力。目前，工程流體力學(xué)教學(xué)多采用傳統(tǒng)的考試方法，考試命題常拘泥于書本，記憶多，理解少，知識(shí)的應(yīng)用更少，忽略了對(duì)學(xué)生綜合能力的考核。以單純檢驗(yàn)知識(shí)掌握程度為標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生平時(shí)不學(xué)習(xí)，考試前“突擊”，做幾個(gè)典型題，也可能考出好成績(jī)，但考完即忘，無(wú)法打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。開放式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的就是讓學(xué)生在平時(shí)課程中根據(jù)自身興趣和未來(lái)從事工作方向，自主選擇典型工程應(yīng)用實(shí)例，自己動(dòng)手查找和收集資料，建立系統(tǒng)模型，最后完成計(jì)算和分析。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生有機(jī)會(huì)運(yùn)用仿真工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，鞏固所學(xué)專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力，避免學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性，忽略對(duì)知識(shí)的全面理解和融會(huì)貫通。同時(shí)該開放式實(shí)驗(yàn)的建立有利于全面考核學(xué)生的綜合素質(zhì)，進(jìn)一步鼓勵(lì)思維活躍、求學(xué)好問(wèn)和注重實(shí)際應(yīng)用的學(xué)生得高分，從而避免出現(xiàn)學(xué)習(xí)方法僵硬、善于死記硬背的“高分低能”現(xiàn)象。

邀請(qǐng)行業(yè)專家走入課堂，為學(xué)生講解企業(yè)的人才需求導(dǎo)向。在完成工程應(yīng)用實(shí)例課堂講授后，學(xué)生雖然掌握了工程實(shí)例的分析，但是由于并未深入企業(yè)科研一線，對(duì)企業(yè)的人才需求較模糊。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師擁有豐富的企業(yè)研發(fā)經(jīng)歷，以文章第一作者為例，該教師有3年

在中國(guó)家電制造領(lǐng)頭企業(yè)美的集團(tuán)從事產(chǎn)品基礎(chǔ)與應(yīng)用研發(fā)工作經(jīng)歷，從最初的先行研究工程師升任為最年輕一批的先行研究主任工程師，達(dá)到企業(yè)中流體技術(shù)專家級(jí)別。在負(fù)責(zé)新入職員工流體技術(shù)培訓(xùn)時(shí)，該教師深刻認(rèn)識(shí)到企業(yè)的人才需求與高校人才培養(yǎng)銜接存在不少問(wèn)題。通過(guò)邀請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的行業(yè)專家走進(jìn)課堂，為學(xué)生講解企業(yè)中的實(shí)際工程問(wèn)題、企業(yè)目前的前沿科研成果、企業(yè)面臨的技術(shù)瓶頸和企業(yè)中流體技術(shù)上下游專業(yè)分工合作情況，讓學(xué)生能夠以產(chǎn)業(yè)目標(biāo)需求為導(dǎo)向，在課程中有目的的學(xué)習(xí)和吸納知識(shí)，學(xué)以致用，最終掌握流體力學(xué)數(shù)值分析方法的學(xué)生能更好地跟進(jìn)企業(yè)工作并提高就業(yè)質(zhì)量，避免培養(yǎng)出“只懂高大上理論，不會(huì)貼實(shí)際設(shè)計(jì)”的人才現(xiàn)象。

三、課堂建設(shè)成效

（一）CFD數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)流體力學(xué)課程的結(jié)合性提升

在將CFD數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到傳統(tǒng)流體力學(xué)課程的實(shí)踐中，容易出現(xiàn)結(jié)合不理想的情況，而造成這方面的原因包括課程設(shè)置不合理、工程仿真案例挑選不合理和學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)安排不理想等。由于二者的結(jié)合不理想，未能做到相輔相成，學(xué)生容易

把數(shù)值分析手段當(dāng)成額外的課程負(fù)擔(dān)，未能意識(shí)到數(shù)字化建模與仿真能力的培養(yǎng)能帶來(lái)的有益價(jià)值。項(xiàng)目采用的CFD仿真“三層次”教學(xué)方法，根據(jù)理論課程進(jìn)展，由淺入深將CFD仿真案例結(jié)合進(jìn)理論教學(xué)，形成二者的有益互補(bǔ)結(jié)合。課程在學(xué)校人才培養(yǎng)和專業(yè)建設(shè)上起著承上啟下的作用，因此，其良好建設(shè)也進(jìn)一步推動(dòng)后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，進(jìn)而促進(jìn)了人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)近幾年平均每年承擔(dān)約13個(gè)班級(jí)（每班約30～35人）的教學(xué)任務(wù)，每年為社會(huì)輸送相關(guān)專業(yè)人才約400人。課程結(jié)束后，學(xué)生教學(xué)評(píng)價(jià)均分在90分以上，達(dá)到學(xué)校優(yōu)秀水平。

（二）流體力學(xué)課程人才培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)需求的適配性提升

當(dāng)前流體力學(xué)課程教學(xué)存在的問(wèn)題是不能較好地將課程理論融入實(shí)踐。企業(yè)往往需要組織行業(yè)專家對(duì)應(yīng)屆畢業(yè)生進(jìn)行重新培訓(xùn)，這將花費(fèi)企業(yè)不少人力和財(cái)力成本。由于高校培養(yǎng)的CFD數(shù)值仿真人才與企業(yè)的需求存在脫鉤現(xiàn)象，使得企業(yè)不能靠自身力量來(lái)解決一些關(guān)鍵流體力學(xué)問(wèn)題，只能求助于科研院所或者高校專家甚至放棄研究，這給產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新帶來(lái)了諸多不利因素。本教學(xué)改革通過(guò)在綜合擴(kuò)展工程實(shí)驗(yàn)中根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生細(xì)分工程案例來(lái)強(qiáng)化自身在數(shù)值化建模與仿真某些特定模塊的能力，建立開放式實(shí)驗(yàn)和改革課程考核機(jī)制來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力和自主創(chuàng)新能力，引進(jìn)行業(yè)專家走入課堂使學(xué)生能及時(shí)掌握企業(yè)的人才需求導(dǎo)向從而能夠在課程中有目的的學(xué)習(xí)和吸納知識(shí)，達(dá)到學(xué)以致用的目的，最終切實(shí)提升流體力學(xué)課程人才培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)需求的適配性。由于與產(chǎn)業(yè)適配性的提升，這也一定程度上促進(jìn)了學(xué)習(xí)過(guò)該課程的學(xué)生前幾年就業(yè)率接近100%，2020年疫情期間學(xué)生就業(yè)率超過(guò)90%，培養(yǎng)的人才深受珠三角地區(qū)企業(yè)好評(píng)。

四、結(jié)語(yǔ)

以仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院工程流體力學(xué)課程為教學(xué)改革對(duì)象，引入數(shù)字化建模與仿真教學(xué)，使學(xué)生在流體力學(xué)理論學(xué)習(xí)過(guò)程中能更好地聯(lián)系工程實(shí)際?；贑FD仿真“三層次”教學(xué)方法，并結(jié)合由淺入深的工程實(shí)例，可培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。在以學(xué)生為中心的教學(xué)改革實(shí)踐中，通過(guò)提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，一方面有助于提升學(xué)生畢業(yè)后的整體就業(yè)率，另一方面也為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供與產(chǎn)業(yè)對(duì)口的更多高素質(zhì)專業(yè)人才，繼而推動(dòng)中國(guó)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)。

工程流體力學(xué)數(shù)字化建模與仿真人才培養(yǎng)過(guò)程中，不能完全把重心放在數(shù)值模擬能力的訓(xùn)練提升上。數(shù)值模擬能力的培養(yǎng)是基礎(chǔ)理論教學(xué)的輔助手段，其重要作用在于一方面使得學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際，解決實(shí)際問(wèn)題，另一方面通過(guò)可視化的建模分析過(guò)程達(dá)到強(qiáng)化理解理論知識(shí)的目標(biāo)。以工程實(shí)際中常見的外流圓柱擾流為例，圓柱所受理論阻力可分為摩擦阻力和壓差阻力，其中，摩擦阻力由流體的粘滯性引起，而壓差阻力由邊界層的分離引發(fā)的低壓尾渦引起。在CFD模擬時(shí)，依據(jù)理論知識(shí)，可發(fā)現(xiàn)不同雷諾數(shù)下，低壓尾渦區(qū)在不斷變化。同時(shí)，基于理論知識(shí)對(duì)圓柱面進(jìn)行積分，可得到摩擦阻力和壓差阻力的具體分配隨雷諾數(shù)的變化結(jié)論。在對(duì)總阻力進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，總阻力是振蕩的，通過(guò)流場(chǎng)信息顯示，這是由于圓柱后尾渦交替甩出，形成了卡門渦街。在進(jìn)行阻力優(yōu)化時(shí)，可以理論知識(shí)為指引，在不同雷諾數(shù)下判斷哪個(gè)分力貢獻(xiàn)大，從而采取不同的減阻策略?？偟膩?lái)說(shuō)，在數(shù)值模擬教學(xué)中，要不斷強(qiáng)化基礎(chǔ)理論知識(shí)。學(xué)生掌握深厚的基礎(chǔ)理論知識(shí)后，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，尤其是挑戰(zhàn)性較大的多物理流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，能夠以理論知識(shí)為指引，透過(guò)CFD展示的基礎(chǔ)流動(dòng)現(xiàn)象看到問(wèn)題的本質(zhì)，進(jìn)而根據(jù)需要進(jìn)一步處理，可對(duì)CFD工具進(jìn)行二次開發(fā)，達(dá)到創(chuàng)新目的。

致謝

感謝美的集團(tuán)首席工程師游斌博士（流體力學(xué)教授級(jí)高工）、產(chǎn)品經(jīng)理馬列、流體技術(shù)專家蔡序杰博士對(duì)仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院的流體力學(xué)人才培養(yǎng)做出的積極貢獻(xiàn)和提出的寶貴建議。參考文獻(xiàn)：

[1]

國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年） [EB/OL]. （2010-07-29）[ 2021-12-25] .http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A01/s7048/201007/t20100729_171904.html.

[2]教育部. 教育部關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知[EB/OL]. （2018-08-27）[ 2021-12-25].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201809/t20180903_347079.html.

[3]新華社. 中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》[N/OL].人民日?qǐng)?bào)，2019-2-24[2021-12-26]http：//cpc.people.com.cn/n1/2019/0224/c419242-30898683.html.

[4]Chryssolouris G， Mavrikios D， Papakostas N， et al. Digital manufacturing： history， perspectives， and outlook[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2009， 223（5）： 451-462.

[5]Negahban A， Smith J S. Simulation for manufacturing system design and operation： literature review and analysis[J]. Journal of Manufacturing Systems， 2014， 33（2）： 241-261.

[6]Mourtzis D， Papakostas N， Mavrikios D， et al. The role of simulation in digital manufacturing： applications and outlook[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing， 2015， 28（1）： 3-24.

[7]張霖， 周龍飛. 制造中的建模仿真技術(shù)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2018， 30（6）： 1997-2012.

Research on talent training mode of digital modeling and simulation based on

industry orientation： a case of engineering fluid mechanics teaching

CHEN Xuebin， ZHUO Xianrong， LI Xuemei， LI Jincheng

（School of Urban and Rural Construction， Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225， P. R. China）

Abstract：

China’s Education Modernization 2035 focuses on the explicit problems and weak parts in education， and points out that it is necessary to strengthen the connection and integration of education and industrial development， and enrich and innovate curriculum forms. Digital modeling and simulation are the key content in the training of information technology ability， and the cultivation quality is of great significance to the teaching reform in universities. At present， application-oriented universities can not well meet the needs of enterprises in the cultivation of digital modeling and simulation. This requires universities to carry out industry-oriented teaching reform in curriculum contents. Engineering fluid mechanics is a school-level excellent course in Zhongkai University of Agriculture and Engineering， which plays an important role in improving the quality of talent cultivation. The teaching team actively uses modern information technology by introducing a three-level teaching method with computational fluid dynamics （CFD） simulation. The curriculum reform lays a foundation for further improving the adaptability of courses to industry needs by leading students to operate various engineering applications from simple cases to complex cases.

Key words：

engineering fluid mechanics; curriculum reform; digital modeling and simulation; industry-oriented

（責(zé)任編輯 鄧 云）