項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法在空氣動(dòng)力學(xué)課程中的應(yīng)用探索

張偉

【摘 要】針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)課程中傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問(wèn)題，提出了實(shí)際項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式。在空氣動(dòng)力學(xué)方向相關(guān)課程的教學(xué)中，以計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬為主要手段，結(jié)合相關(guān)工程項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，以完成實(shí)際工程項(xiàng)目來(lái)促進(jìn)教學(xué)水平的提高，以培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際學(xué)理論，在實(shí)踐中體驗(yàn)和學(xué)習(xí)理論，在應(yīng)用中形成技術(shù)應(yīng)用能力，以提高學(xué)生的崗位核心能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；空氣動(dòng)力學(xué)；教學(xué)

0 前言

空氣動(dòng)力學(xué)是工科院校中力學(xué)類、航空航天類、飛行器設(shè)計(jì)類等專業(yè)的專業(yè)必修課。它是研究空氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科，在生活、環(huán)保、科學(xué)技術(shù)及工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)科經(jīng)歷了幾個(gè)世紀(jì)的演變，如今形成了實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論解析和數(shù)值模擬方法三足鼎立的局面。

計(jì)算流體力學(xué)（簡(jiǎn)稱為CFD）是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門(mén)學(xué)科，它通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在時(shí)間和空間上定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解，從而達(dá)到對(duì)物理問(wèn)題研究的目的。它是流體力學(xué)的一個(gè)分支，用于求解固定或變化幾何形狀空間內(nèi)的流體的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量方程以及相關(guān)的其它方程，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得某種流體在特定條件下的有關(guān)數(shù)據(jù)。CFD作為一種研究工具，它可以形象的展示流場(chǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從機(jī)理的角度解釋相應(yīng)流動(dòng)的特點(diǎn)。

總之，CFD在現(xiàn)代生活和生產(chǎn)中的很多方面正在發(fā)揮著巨大的作用，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)工作者的工作方式已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響。針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)，本文探索了以CFD技術(shù)為手段，結(jié)合工程項(xiàng)目來(lái)促進(jìn)教學(xué)的教學(xué)方式。

1 教學(xué)改革的必要性

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)院校將空氣動(dòng)力學(xué)作為本科階段的必修課，目前空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)科體系教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，有必要增加一部分CFD教學(xué)的內(nèi)容。多年以來(lái)，空氣動(dòng)力學(xué)本科教學(xué)內(nèi)容主要是經(jīng)典的流體力學(xué)理論和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析方法，且偏重于理論分析和對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容比較抽象和單一，不能反映當(dāng)前空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)，不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。同時(shí)，整個(gè)流體力學(xué)課程在建立了基本控制方程后，就開(kāi)始轉(zhuǎn)而從一些特殊的流動(dòng)出發(fā)，采用根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化的方式，先建立物理模型，再得到數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到我們?cè)跁?shū)中經(jīng)常看到的很多“理論”，比如不可壓無(wú)旋流、旋渦動(dòng)力學(xué)、水波動(dòng)力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等等，甚至理論中還包括理論，比如不可壓無(wú)旋流中還有自由流線理論，等等。形成一個(gè)類似于俄羅斯套娃的學(xué)科結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)容易給人一種支離破碎的印象。如果在空氣力學(xué)課程后續(xù)學(xué)期增加一些CFD的內(nèi)容，會(huì)使得學(xué)生對(duì)方程描述的重要性有個(gè)很好的認(rèn)識(shí)。因?yàn)榉匠堂枋鲋皇且徊糠郑€必須要求解后才能得到各種物理量的分布，從而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的分析。而且，CFD課程也能和實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行很好的配套，比如層流到湍流的轉(zhuǎn)淚實(shí)驗(yàn)，彎管中的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)等，借助于CFD技術(shù)中的圖片、動(dòng)畫(huà)來(lái)展示流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，有利于培養(yǎng)學(xué)生產(chǎn)生數(shù)值模擬工作的興趣，激發(fā)學(xué)生的積極性。

另一方面，畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科教學(xué)中的重要一環(huán)，也是最后一環(huán)。畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的之一就是讓學(xué)生們綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各種知識(shí)，進(jìn)行一次完整的科研訓(xùn)練，以提高學(xué)生們獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為以后從事科研工作打下一定的基礎(chǔ)。現(xiàn)在，畢業(yè)設(shè)計(jì)中數(shù)值模擬的題目越來(lái)越多，而學(xué)生們沒(méi)有接觸過(guò)數(shù)值模擬，往往都是從畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)才開(kāi)始了解CFD的相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)相應(yīng)的軟件，這無(wú)疑會(huì)影響到畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度，為了提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度和題目的完成質(zhì)量，有必要在大學(xué)的培養(yǎng)階段講授相關(guān)的CFD知識(shí)。

基于此，國(guó)內(nèi)外部分院校在本科階段已經(jīng)開(kāi)設(shè)了CFD相關(guān)課程，如斯坦福、中科大等知名院校。由于CFD基礎(chǔ)理論知識(shí)比較復(fù)雜，且本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中關(guān)于數(shù)值模擬的題目大都是商業(yè)軟件的應(yīng)用計(jì)算，而且學(xué)生們沒(méi)有相關(guān)計(jì)算方法課程的基礎(chǔ)，所以在本科階段的CFD課程應(yīng)以軟件的應(yīng)用為主。

2 教學(xué)改革的方法與內(nèi)容

空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)方向相關(guān)課程包括空氣動(dòng)力學(xué)、風(fēng)工程、計(jì)算流體力學(xué)、飛行器設(shè)計(jì)等。在該系列課程的教學(xué)中，始終以計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬為主要手段，以完成“風(fēng)能發(fā)電在建筑中的應(yīng)用”等相關(guān)項(xiàng)目為目標(biāo)，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，并培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐交融結(jié)合，解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。整個(gè)過(guò)程主要分為學(xué)科基礎(chǔ)驗(yàn)證性項(xiàng)目、應(yīng)用型工程項(xiàng)目和綜合性科研項(xiàng)目三個(gè)階段：

第一階段：以理論教學(xué)為主的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)（如空氣動(dòng)力學(xué)、風(fēng)工程等課程）學(xué)習(xí)階段，重點(diǎn)是夯實(shí)基礎(chǔ)，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，提升學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和技能素養(yǎng)。

第二階段：寬口徑的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)（如計(jì)算流體力學(xué)、風(fēng)工程應(yīng)用軟件等課程）學(xué)習(xí)階段，注重專業(yè)理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生掌握專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)理論和基本實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，全面拓展學(xué)生的相互協(xié)作及各方面的綜合素質(zhì)。

第三階段：結(jié)合“風(fēng)能發(fā)電在建筑中的應(yīng)用”相關(guān)項(xiàng)目，采用項(xiàng)目教學(xué)手段進(jìn)行專業(yè)理論與實(shí)踐的密切結(jié)合，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，注重學(xué)生的實(shí)踐能力和個(gè)性發(fā)展，創(chuàng)新意識(shí)與綜合素質(zhì)的全面提高。

在教學(xué)過(guò)程的不同階段，所完成的內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)有所區(qū)別。如第一階段，通過(guò)教師的指導(dǎo)，以學(xué)科實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目為主要內(nèi)容，使學(xué)生通過(guò)數(shù)值模擬的手段熟悉并加深理解相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握基本的完成任務(wù)的科學(xué)方法。完成的項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括“NACA系列翼型的氣動(dòng)性能的數(shù)值計(jì)算”、“二維不同形狀鈍體繞流卡門(mén)渦街的數(shù)值模擬”等；第二階段，通過(guò)教師的指導(dǎo)，以專業(yè)實(shí)踐為主要內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，完成一些專業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目。項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括“某垂直軸風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能的數(shù)值計(jì)算”、“某高層建筑繞流流場(chǎng)的數(shù)值風(fēng)洞模擬”等。第三階段，學(xué)生參與教師科研項(xiàng)目研究過(guò)程中，以接觸到課程以外的綜合性科研課題或新問(wèn)題，整理項(xiàng)目資料及各種計(jì)算數(shù)據(jù)、形成一份研究報(bào)告，并最終以論文的形式發(fā)表。項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括“集成垂直軸風(fēng)機(jī)的高層高層建筑繞流流場(chǎng)的數(shù)值模擬”、“增強(qiáng)型垂直軸風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能的優(yōu)化與設(shè)計(jì)”等。

3 教學(xué)效果

采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法，在教學(xué)過(guò)程發(fā)現(xiàn)中有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）采用數(shù)值模擬的手段，結(jié)合學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證項(xiàng)目，通過(guò)數(shù)值模擬方法的可視化后處理技術(shù)，使學(xué)生加深理解了相關(guān)專業(yè)相對(duì)枯燥的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。

（2）項(xiàng)目?jī)?nèi)容由淺入深，從基礎(chǔ)知識(shí)到專業(yè)知識(shí)均有涉及，使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)有全面的掌握。

（3）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法超越了單純的專業(yè)知識(shí)掌握，立足于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)、以學(xué)生的自主性探索性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，采用科學(xué)研究及實(shí)踐的方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，能夠激發(fā)和提升他們協(xié)作、創(chuàng)新、探索的精神，解決了在傳統(tǒng)教育下學(xué)生理論知識(shí)有余，而實(shí)際動(dòng)手能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的弊端。

以上的觀點(diǎn)及做法是個(gè)人及相關(guān)同事在多年的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)改革提出的一些膚淺看法。在已經(jīng)實(shí)踐的過(guò)程中看出，該方法能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力，有良好的教學(xué)效果。

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[責(zé)任編輯：王楠]