應用型本科“計算流體力學”課程改革探索

胡坤

摘要：總結分析了當前計算流體力學課程教學的弊端，在教學內容、教學方法以及考核措施上提出對于應用型本科計算流體力學課程應當以工程應用為目標，減少理論課時的觀點，同時提出以工程案例啟發方式實施理論教學，以項目驅動方式實施上機實踐的課程教學方法；提出以課程大作業方式替代傳統閉卷考試的考核方式；有利于提高學生利用計算流體力學處理實際工程問題的能力。

關鍵詞：計算流體力學；課程改革；應用型本科；項目驅動

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）22-0123-02

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一門集成了流體力學、計算數學與計算機科學的交叉學科。計算流體力學的基本思想為[1]：通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含流體流動和傳熱等相關物理現象做出系統的分析。隨著計算機技術的發展，計算流體力學在各行各業得到了廣泛的應用。

《計算流體力學》課程開設的主要目的在于使學生掌握流動及傳熱問題數值模擬的基本理論與建模思路、掌握常用商用CFD軟件的使用方法，能夠利用計算流體力學方法解決實際研究問題[2]。課程內容涉及了流體力學理論、數值計算理論、計算機程序設計以及計算軟件的工程應用等。課程理論內容較多，學生學習起來較為吃力，常處于被動學習狀態，因此需要改進教學策略，培養學生學習興趣，改被動學習為主動學習[2]。同時該課程還與實際應用聯系緊密，如何將理論與工程實際相結合，培養學生解決實際工程問題的能力，也是本課程教學中需要探討的問題。經過多年在教學過程中的改革和摸索，下面淺談一下我們在《計算流體力學》課程改革方面的一些探索。

一、計算流體力學課程內容

計算流體力學包含內容甚廣，從總體上講，可按照不同的應用領域分為兩個主要方向：

1.將計算流體力學自身作為對象的課程體系。該體系的研究對象為計算流體力學本身，主要以流體力學數學物理模型模型構建、數值離散方法、高性能數值計算算法開發為主要內容，側重點為計算流體力學理論及其實現方法。

2.以計算流體力學應用為主的課程體系。此體系以如何更好地將計算流體力學方法應用于工程作為研究對象，主要以應用技能為課程目標，側重點為現實物理問題的簡化建模、利用計算機程序解決物理問題以及對計算結果的科學解釋等。

對于應用型本科《計算流體力學》課程來講，應當更多地關注計算流體力學在工程中的應用，將計算流體力學作為一項解決工程問題的工具，培養學生在利用該工具解決實際工程中的流體問題的能力[3]。

二、原有教學方法的弊端

西南石油大學機械工程專業較早開設了《計算流體力學》課程，培養了多屆學生，積累了一些寶貴的教學經驗。然而，該課程教學方式仍不夠成熟，存在一些弊端，教學效果受到影響。這些弊端主要表現為：

1.教學內容偏于理論。在教學過程中，當前的教學內容還延續中傳統的計算流體力學的基本內容，即：流體流動控制方程的推導、離散方法及線性方程的解法等，在課程講解過程中，仍以有限差分法、有限體積法及這些數值算法的收斂性、穩定性、計算精度等方面作為主要的講解對象，教授過程中涉及到大量的理論推導及數學理論的應用。在教學過程中，學生們普遍反映教學內容難懂難學，枯燥乏味。同時大量的理論教學還影響了上機教學時間。

2.工程實踐能力轉化不足。當前教學計劃中雖然搭配了16個課時的上機教學，但仍顯不足。經過多次的上機練習，部分學生能夠掌握利用計算流體動力學方法解決工程問題的一般流程，但是大部分學生仍然不具備解決新問題的能力。在上機練習過程中，學生按照教師提供的上機指導書中的計算模型操作完成，而對于計算中非常重要的如計算區域創建、網格劃分、數值計算模型選擇、邊界條件、初始條件及計算控制參數等缺乏自主的思考。針對上述問題，迫切需要對課程進行教學改革，提出新的教學理念，利用合理的教學方式，提高教學質量。

三、課程改革措施

計算流體力學課程改革主要從三方面進行。

1.教學內容改革。以計算流體力學的工程應用為主線，采用案例教學的方式培養學生利用計算流體力學方法解決工程實際問題的能力。具體改革內容包括：（1）減少理論推導，強化物理問題的分析。對于如流動控制方程的推導、各種數值離散方法的推導以及離散方法的斂散性證明等內容不作為重點講授內容。強化對于物理現象的理論分析及利用計算流體力學方法解決工程問題的能力，將計算流體力學所涉及的物理現象其分為4個專題：①基本流動問題。②傳熱問題。③多相流問題。④組分輸運問題。（2）完善上機內容。修改上機實驗指導書，確保指導書中的上機案例的完整性，每一個案例均包含計算流體力學方法解決工程問題的所有過程，這些過程為：①工程問題的物理表達及簡化。②流體計算域創建。③計算網格劃分。④計算模型選擇。⑤計算后處理。

2.教學方法改革。在明確了教學內容之后，剩下的問題就在于“如何教”上[4]。對于面向工程實踐的計算流體力學課程體系，區別于以前理論為主的課程體系以課堂教學為主上機為輔的教學方式，提出以下的教學方法改革措施：（1）以工程案例啟發方式進行理論教學。面向工程實踐的計算流體力學課程體系包含少量的理論教學內容。在教學組織過程中，理論教學內容始終貫穿“以工程應用為主”的指導思想，盡量弱化理論推導過程，重點講解理論公式的應用方式以及在應用過程中應當注意的內容。（2）以項目驅動方式進行上機教學。通過對之前的上機模式進行改革，采用以項目驅動的方式進行上機教學。教師在上機教學中可以將3—4名學生分為一個討論小組，為每個小組布置不同的課題，讓學生們在認真研究和理解文獻的基礎上，找出具體的切入點深入研究，并在課堂上分批次地匯報各自小組的研究內容，包括物理問題的簡化，數學模型的建立，具體的求解過程及參數設置，以及結果的詳細分析及討論。

3.考核方式改革。傳統的計算流體力學考試為閉卷考試，最終考核成績為卷面成績占比70%，上機成績占比30%，很難看到創新的教學改革手段體現在學生身上的效果，因此，提出對原有的考核方式進行改革，不再實施閉卷考試，改為以最終課程大作業為成績考核對象。選擇有代表性的工程問題作為結課大作業，學生以提交結課報告及答辯的形式完成課程考核。考核內容及成績為：在100分的總成績中，結課報告占70分。其中，對物理問題的抽象簡化及物理模型的選擇是否全面、準確占30分；報告的邏輯結構是否清晰占20分，文獻檢索內容占20分，論文報告要求內容翔實、全面；答辯過程中語言表達占20分。以上課程考核措施的制定，都是以調動學生學習計算流體力學課程的積極性為首要前提，旨在提高他們的解決實際工程問題的能力。

四、總結

本文針對應用型本科《計算流體力學》課程教學改革方式進行了探討，總結了現有的教學方式方法存在的弊端，并在此基礎上提出對于應用型本科計算流體力學課程應當以工程應用為目標，減少理論課時的觀點，同時提出以工程案例啟發方式實施理論教學，以項目驅動方式實施上機實踐的課程教學方法；提出以課程大作業方式替代傳統閉卷考試的考核方式，有利于提高學生處理工程問題的能力。

參考文獻：

[1]蔣光彪，等.CFD軟件及源程序輔助工程流體力學課程教學的探索與實踐[J].高等建筑教育，2015，（05）：154-157.

[2]歐益宏，易蘭，齊勝，班貴振，杜揚，蔣新生，梁建軍.基于自主學習的研究生專業基礎課程教學策略探索——以“計算流體力學”為實踐[J].重慶交通大學學報：社會科學版，2014，14（1）：124-127.

[3]章大海，周昌靜.以學生為主體的計算流體力學課程教學思考_章大海[J].教書育人：高教論壇，2015，12（30）：78-79.

[4]王瑩，孫曉晶.CFD數值模擬在計算流體力學項目驅動實踐教學中的應用[J].教育教學論壇，2016，31（6）：146-147.

Exploration of Computational Fluid Dynamics Curriculum Reform to Application-oriented University

HU Kun

（School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

Abstract：Promote ideals computational fluid mechanics course should be aimed at the engineering application and reduce the theory based on analysis the disadvantages of the current teaching process.with the driving mode of project implementation of the practice of the course teaching methods；Put forward to replace traditional large assignments way request for examination of the appraisal way；To improve students the ability to deal with practical engineering problems by using computational fluid dynamics.

Key words：computational fluid dynamics；curriculum reform；application-oriented university；project driven