構建CFD技術平臺培養能源動力類本科生的實踐與創新能力

張師帥，郭照立，彭玉成，張曉青，明廷臻

摘要：針對能源動力類本科生在學習CFD技術課程中存在的問題，提出構建CFD技術平臺的設想，并從組建教學團隊，組織教師編寫教材、建設軟件平臺以及引導學生參與科研實踐等四個方面進行實踐。本文介紹了作者在構建CFD技術平臺和利用CFD技術平臺培養能源動力類學生的實踐與創新能力過程中積累的一些經驗。

關鍵詞：CFD技術；教學改革；創新實踐；能力培養

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0064-02

一、現狀及存在的問題

隨著制造技術的進步和發展，人們對產品的性能提出了更高的要求。一方面，要求產品品質高、價格低，且具有創新性；另一方面要求產品設計開發及生產周期短，以節約人力、物力和財力。國內外研究表明：CFD技術是解決這一要求的最好途徑。實際上，CFD技術是解決工程中復雜流動和傳熱問題的一種有效手段，同時也是一門新型的獨立學科。讓廣大設計人員學習掌握CFD技術，是提高其設計水平的具體途徑。目前，國內有多所高校為本科生開設CFD技術課程，集中講授20世紀直至本世紀CFD技術方面的最新成就，具有理論性和實踐性的雙重特點。我們在近五年的教學過程中深深體會到：學生要學習掌握CFD技術，一方面要學好CFD技術的基本原理，另一方面還要進行大量的自主實踐。更重要的是，要在自主實踐過程中培養大學生的創新能力。而在目前的教學中，大多強化基本原理的講授，缺少對實際問題的分析和處理，從而造成大學生解決生產實際問題能力的欠缺。針對這種現象，我們認為構建CFD技術平臺，提高大學生的實踐與創新能力具有重要的現實意義。

二、構建CFD技術平臺

基于CFD技術課程教學中發現的問題，我們提出構建CFD技術平臺。具體內容包括：組建教學團隊，組織教師編寫教材、建設軟件平臺以及引導學生參與科研實踐等四個方面。對于組建教學團隊，這是構建CFD技術平臺最為重要的一件事情。通過各學科方向教師自愿報名，教研室推薦，學院公開選拔的方式，組建一支高水平、高素質的教學團隊。這樣就可以確保承當CFD技術課程的教學工作的各位教師是學院各個學科專業方向的優秀教師。因為大家知道，只有高水平高素質的教師，才能更好地引導和培養學生的實踐與創新能力。對于教材的編寫，現有的關于計算流體動力學方面的教材有很多種，但大多以介紹基本原理和計算理論為主，缺乏相關軟件的應用及實例的介紹，不能滿足學生自主學習的需要，不利于培養學生的實踐與創新能力。對此，教學團隊需要重新制定CFD技術課程大綱，廣泛收集國內外CFD技術的最新科技成果，編寫反映科研與教學相結合的特色，重點、難點突出，并具有自身特色的教材。對于軟件平臺的建設，教學團隊應根據能源動力類各專業方向所使用的CFD軟件情況，從眾多商用CFD軟件中挑選出適合能源動力類本科生學習和使用的軟件，同時建設一個可容納30人以上的計算機機房，并通過局域網絡連接建立一個交互式的軟件平臺，供廣大學生進行自主學習和自主實踐。軟件平臺由學生實行自主維護、自主管理，教學團隊只需安排任課教師不定期通過軟件平臺引導和指導學生實踐創新。對于科研實踐，教學團隊需要安排任課教師組織優秀學生參與到科研實踐中來，讓學生通過科研實踐的鍛煉，提高自身的實踐與創新能力。讓學生參與基礎研究，可以從深度方面提高學生對所學知識的理解能力，為培養學生的原始創新能力作鋪墊、打基礎；讓學生參與應用研究，則可以從廣度方面提高學生對所學知識的應用能力，為今后在實踐中進行技術創新奠定基礎。

三、利用CFD技術平臺培養大學生的實踐與創新能力

目前，教學團隊已經成立，分別由來自五個學科方向的、具有一定教學經驗的優秀教師組成，他們集中代表能源動力各學科的發展動向。教學團隊定期召開教學會議，對構建CFD技術平臺和培養學生實踐與創新能力過程中出現的各方面問題進行研討，大家共同協商，尋找解決方案。與此同時，教學團隊已經編寫了一本適用于能源動力類本科生的教材《計算流體動力學及其應用》，該教材最大的特點是理論與實踐并重。該教材不但講述CFD技術的基本理論，而且還提供了大量的CFD技術應用實例，幫助學生進行自主實踐。該教材已于2011年1月由華中科技大學出版社正式出版發行。在編寫教材的同時，教學團隊還利用學院現有的計算機機房（擁有50臺電腦），建立了一個CFD技術軟件平臺，該平臺擁有多種CFD軟件，如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，現已成為廣大學生自主學習和自主實踐CFD技術的優良場所。教學團隊根據學生的需求，安排任課教師不定期地通過軟件平臺為學生解惑答疑，引導學生實踐創新。與此同時，教學團隊還組織優秀學生參與到科研實踐中來，培養學生的實踐與創新能力。比如，引導學生將CFD技術應用到大學生科技創新項目中，優化設計葉片翼型，模擬計算小型垂直軸風力機的氣動性能，使得風力機輸出功率和效率大為提升。同時，該項目榮獲2010年第三屆全國大學生節能減排科技創新作品一等獎。再比如，學生在教師指導下進行自主創新，應用CFD軟件對水力渦輪結構進行優化，使原來的水輪機組效率提高1%，每年增加的直接經濟效益達數百萬元之多。還有，學生在教師的引導下研究格子Boltzmann算法，將之與IP算法、DSMC算法對比，分析不同算法之間的優劣，對格子Boltzmann算法進行改進。具體成果體現在，學生以第一作者在能源動力學科領域國際頂級期刊上發表學術論文2篇。

創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。大學生不僅需要扎實掌握專業知識，更要具有較強的創新意識和創新能力。目前，高等學校在大學生創新能力培養方面還有待加強，為此，本文提出了通過構建CFD技術平臺培養學生實踐與創新能力，并給出了實施過程中的一些具體措施和經驗。

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基金項目：本文為華中科技大學2010年校教學研究基金項目的階段性成果

作者簡介：張師帥（1970-），副教授，為“CFD技術課程”的主講教師。