流體數值實驗教學軟件的初步構建

張殿新+武春彬+李憲莉+張蕊

摘 要 本文結合流體力學課程的特點，設計并構建了流體數值實驗平臺的教學軟件。流體數值實驗平臺分為基礎實驗、拓展實驗和工程實踐三部分。平臺采用文字、圖片、動畫、錄像、數值模擬和互動等形式，解決了流體力學課程過于抽象化、理論化的的問題，能夠激發學生對流體力學課程的興趣，増強學生對知識的理解，開闊學生的視野，提升學生的學習能力。

關鍵詞 流體數值實驗平臺 基礎實驗 拓展實驗 工程實踐

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.12.023

Abstract In this paper， the teaching software of Fluid Numerical Experiment Platform is developed according the characteristics of fluid mechanics. The platform is divided into basic experiment， expanding experiment and engineering practice. Many methods， such as text， images， animation， video， and numerical simulation were adopted to solve the problem that the course of fluid mechanics is too abstract and theoretical. This platform can arouse students' interest in the course of fluid mechanics， strengthen the students' understanding of basic knowledge， expand the scope of students' knowledge， and enhance the students' ability.

Keywords Fluid Numerical Experiment Platform； basic experiment； expanding experiment； engineering practice

0 引言

流體力學是力學的一個分支，是各高校的土木工程、能源環境、給排水、建筑設備、石油化工等專業普遍開設的專業基礎課程。它在航空、航天、水利、流體機械等領域都有廣泛的應用。該課程所涉及的基本理論對專業課的學習、課程設計以及畢業設計都具有非常重要的理論支撐和指導意義。[1-4]

流體力學是我校建筑環境與能源應用工程、能源動力工程和安全工程專業的基礎課程，也是給排水工程、環境工程和土木工程的專業的必修課程。我校流體力學課程經過多年的建設與發展，積累了大量的教學資料和教學經驗，成立了流體教研室，培養了一支專業化的教師隊伍，取得了一定的成果，2017年流體力學課程被評為校優秀課程。流體力學課題組經過多年的工作發現流體力學存在理論性強、概念抽象等特點，傳統理論教學和實驗教學已不能充分激發學生的興趣，流體數值實驗平臺針對傳統教學中的問題，采用圖像、聲音、動畫、錄像等多種形式呈現流體力學的理論和方法，以引起學生的好奇心，增強學生的求知欲。

1 流體教學中的關鍵問題

作者已經從事流體力學教學工作近十年，發現學生對認為流體力學晦澀難懂，十分枯燥，因此對流體力學教學中一些關鍵問題總結如下：

（1）研究對象抽象：研究對象不像其他力學一樣是一個固定不變的物體，而是看不見摸不著的氣體或形狀易變的液體，且描述流體特征的一些概念像流體質點、連續介質假設、流線等也比較抽象。

（2）研究方法新穎：由于研究對象的抽象性，研究流體常采用微元體法，微元體法是首先分析流體微團然后擴展到整個流體的理論，當本科生第一次接觸微元體法時很難一下子被理解。

（3）理論性強：流體力學是以高等數學、大學物理、工程力學等課程為基礎的，涉及數學的微積分方法、物理的基本定律等理論知識。如果學生前期基礎不好，那么他們接受相關知識會有一定困難。

（4）知識點引入方式抽象：通常人們接受知識的能力是從簡單到復雜，由具體到抽象，而流體力學知識點的引入通常從純粹數學角度展開，即從抽象到具體，使學生接受困難。

2 數值實驗平臺建設的意義

鑒于上述特點，如何激發學生的興趣，使抽象問題具體化成為流體力學教學的一個重要問題。傳統的流體力學分為理論教學和實驗教學兩部分：目前課堂教學通常采用多媒體結合板書，由于流體力學的內容抽象、理論性強，多媒體的運用效果對激發學生的興趣，增強學生對知識的進一步理解尤為關鍵；實驗教學通常先是教師講解，然后分組做實驗。由于實驗臺數的限制，學生需要分組進行實驗，每個學生不能操作到所有實驗環節；同時教師講解時學生也不能全角度觀察實驗操作；并且實驗教學受到學時的限制，實驗的內容不能過多。流體數值教學平臺可以彌補教學和實驗的不足，采用圖片、文字、動畫、錄像互動、數值模擬等具有視覺效果的形式，激發學生對課程的興趣，增加學生對知識的理解，突出教師的講解的重點，還可以進一步補充教學內容。

3 數值實驗平臺的建設

從狹義上講數值實驗就是將實際問題用數學方程來描述（控制方程、初始條件和邊界條件），再將流體區域離散化（前處理網格的離散），用數值解代替解析解（離散方程的求解），最后將解顯示出來（后處理數值解的顯示）。[5-8]這些過程都有專門的軟件可以進行，例如前處理軟件Gambit、icem-cfd等，求解方程得軟件fluent、start_CD等，后處理軟件techplot、Origin、fluent自帶的后處理軟件等。這些軟件解決了原來不能描述的部分問題，學習這些軟件不僅需要大量的時間，而且需要扎實的流體力學知識和數值模擬的思維方式，而本科生的學習時間和精力都十分有限，最終對學習流體力學課程學習效果并不十分明顯。為了能輔助本科生理解流體力學的課程，采用圖形、動畫、加少量模擬的方法不僅能激發他們的學習興趣，而且擴大他們的知識面。因此本文所提出的數值實驗是廣義上的數值實驗，即是以仿真形式，將圖片、動畫、視頻和簡單的數值模擬方法引入實驗平臺，以加強學生對基礎知識的理解，擴大本科生的知識面。endprint

3.1 數值實驗平臺的總體構架

根據流體力學的知識結構，設計數值實驗平臺的總體構架如圖1所示，將整個數值實驗平臺分為三部分：基礎實驗、拓展實驗和工程實踐?；A實驗分為與實驗課程配套的操作性實驗和針對課程的重點難點內容的演示性實驗。演示性實驗是對流體力學基礎知識以及基礎實驗的分解和加深，特別是對課程中的重點難點，通過一些動畫、錄像、圖片等把問題分層次講解，突出問題的本質。操作性實驗是與實驗課程配套的錄像、動畫，減少了教師在實驗課中的講解，從而利用多余的學時進行一些討論。拓展實驗是對課堂以外的理論、自然現象、生活小常識中的流體力學問題的介紹，還包括流體力學的歷史、人物介紹，豐富學生的知識。工程實踐是與教師的研究課題的對接，主要對實際工程、研究項目等的介紹。三部分相互聯系，相互促進：基礎實驗是對基礎知識的理解，是拓展實驗和工程實踐的基礎；拓展實驗是對基礎實驗的輔助和補充；工程實驗和拓展實驗是對基礎實驗的進一步應用（圖1）。

3.2 數值實驗平臺素材整理

數值實驗所需要的素材包括文字、表格、圖片、動畫、視頻、流程圖等多種形式，來源主要包括網絡、調研、交流、制作、照相、數值模擬等。因此素材收集是一項長期而繁瑣的事情，它主要來自教師長期教學經驗和成果的積累。目前我校從事流體力學教學工作的教師一共有7名，都是具有3年以上的教學經驗，經過長期的有意識的收集，已經形成一定的教學素材，但要豐富數值實驗平臺還需要進一步的積累。

素材僅僅是數值實驗平臺的一個組成單元，如何用素材來展現流體力學中每個知識點是一項重要工作，即素材的整理。如果說素材收集繁重，那么素材整理不僅繁重，而且非常復雜的工作，它需要設計者的條理性、理解力、想象力和創造力。首先要分清素材哪一類實驗，其次要分清屬于哪個知識點，再次對同一知識點的素材要怎樣組合才能更生動有趣的表現知識點的內容，而且突出要領，最后還要考慮怎樣互動形式能引起學生的興趣?？偨Y起來包括素材的分類、整合、制作、互動四部分工作。當然，不可能在每個知識點都這么多要求，整個平臺上要有精有略，分清層次。整個平臺的每一個模塊是按照設計—修正—補充—再修正的模式不斷進行的，直到模塊完善。

3.3 數值實驗平臺軟件集成

本文通過VB語言構建數值實驗平臺。VB語言是一種可視化的面向對象編程語言，它具有簡單上手、可移植性強、與windows兼容性好等特點。本文作者具有一定的編程經驗，能較好地運用VB語言開發界面程序。

編寫數值實驗平臺軟件就是利用VB語言的特點將整理好的素材用恰當的形式表現出來，主要涉及到VB語言與流體素材模塊之間的融合。需要編程者利用VB語言的優勢，采用對話框、按鈕、下拉菜單、flash播放器等VB軟件本身具有的部件充分且準確地表現出流體力學知識內容，并設計合理的互動環節，以增加軟件的趣味性。除此之外，在這部分增加一些美化的功能，會大大激發學生的興趣，讓學生在游戲中學習到知識。目前，這部分只是做了初步的工作，如圖2所示，要達到理想的效果還需要長期的工作。

4 結論

流體數值實驗平臺采用VB編程，將圖片、聲音、動畫、視頻等多種素材糅合到軟件當中，從多方面多角度展示流體力學的內容，以達到激發學生對課程的興趣，增強學生的求知欲，擴大學生的知識面，從而為后續的學習打下良好的基礎。流體數值實驗平臺應用以來，受到了廣大學生的喜愛，對重點難點知識的理解明顯增強，學生對流體力學課程的興趣明顯增加。學生的反饋信息表明，流體數值實驗平臺得到了學生的認可，但仍存在著一些不足，軟件還需要進一步完善，以達到與課堂教學的完美結合。

基金項目：本文系2015天津城建大學校級教改項目“與數值仿真實驗相結合的《流體力學》課程的教學改革”（項目編號：JG—YBZ—1524）、“CFD技術在流體力學教學中的應用研究”（項目編號：JG—YBZ—1540）和“以空調工程為核心的課程群整合與優化”（項目編號：JG—YBZ—1520）

參考文獻

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