工程教育專業認證為導向的計算流體動力學分析教學探索

王東祥+崔政偉+俞建峰

摘 要：為了進一步提升過程裝備與控制工程專業學生的教學質量，本文針對計算流體動力學課程的教學開展探索與實踐。以工程教育專業認證的三個核心理念為導向，結合本專業對該課程的需求，從教學制度、學生及教師授課三個方面分析了目前教學中存在的主要問題，結合相關高校的教學經驗以及學生的教學建議，提出了一些改善教學效果的具體措施及途徑，并進行了兩屆學生的教學實踐，教學質量有了顯著提升。

關鍵詞：計算流體動力學；過程裝備與控制工程；工程教育專業認證；課程改革

一、 引言

過程裝備與控制工程（簡稱“過控”）專業隸屬工學機械大類，以流程性物料（氣、液、粉體等）為加工對象，以改變物料狀態和性質為目的，涉及流動與傳熱、傳質等過程所需的全套裝備，在國民經濟中發揮著重要作用。江南大學過控專業結合工業4.0和中國制造2025的發展需求，依托學校在輕工食品行業的領先優勢，培養復合型、工程應用型高級專門人才。為了加快本專業的建設和發展，需進一步深化工程教育專業認證核心理念，以產出為導向、以學生為中心，持續改進，突出強調學生的學習成果、密切關注學生“應該得到什么”。本文基于工程教育專業認證的要求，以計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的教學出發，結合我校過控專業實際情況，分析本課程在教學過程中存在的問題，吸取相關高校的教學經驗，探索了提升教學效果的具體措施。

二、 教學中存在的問題

1. 教學制度方面

CFD上承高等數學、傳熱傳質學、流體力學，下承接過程設備設計、過程流體機械、過程裝備密封技術，服務于如換熱器、泵、風機、壓縮機、膨脹機、內燃機及汽輪機等典型過程設備。相比必修課程，CFD教學內容專業性高、知識更新快，涵蓋專業理論研究方向的前沿，教學質量仰賴于教師的平時積累。課程設置是否合理也影響到本課程的教學質量，學生容易出現流體力學、高等數學等相關基礎課程知識點掌握不扎實、銜接不緊密等情況；課程內容也可能存在重復而導致教學資源浪費。另外，考核方式也存在很大弊端，完成報告的考核方式并不十分嚴格。這些均在不同程度上影響了學生的積極性和學習效果。

2. 學生方面

經調研發現，相對于必修課，學生對選修課的選擇趨于盲目性，依靠感覺，對所選課程的授課內容缺乏了解，往往出現學習效果與心理預期不一致，產生混學分、避難就易等不良現象。部分同學認為選修課基本沒有學習壓力，容易通過且與畢業不掛鉤。CFD一般安排在大三下或大四上學期，正值學生考研和求職期，課堂已成為部分同學的考研自習室。考核方式也嚴重影響學生學習的積極性，目前主流的考核方式是完成報告，成績五級制，學生往往從網上查抄相關內容作為考核報告提交。雖然本校過控專業已試點一生一題，獨立完成，部分學生仍照搬他人或網絡內容。除此之外，各種移動終端對學生的誘惑力難以想象，特別是各種社交APP、手機游戲等已占據了學生的大部分時間，沒有將較多精力投入課程中。

3. 教師授課方面

CFD的典型特點是涵蓋很多相互關聯的基本概念和定律，涉及大量的數學知識和理論推導，理解和掌握難度較大。另外，因教學制度和學生本身因素的影響，學生往往認為計算流體動力學這門課程乏味、枯燥，學生對這些知識的理解和掌握程度本來就存在差異，如果課堂氣氛壓抑，學生無精打采，應付老師的要求，少發言甚至不發言，這樣很難提起學生的學習積極性和主動性，教學效果可想而知。CFD課程的工程實踐性很強，授課內容應該涉及大量的工程例子，但由于教學制度和學生表現的影響，有些教師照本宣科，教學內容不夠豐富；有些教師認為學生對于選修課只是簡單地涉獵，無需深入，課前準備不足，授課安排不合理，在教學內容和方法上沒有認真備課，教學態度不夠認真，引起負面效應。

三、 改善教學的措施

1. 授課內容

CFD開課時間一般為大三下或大四上學期，總學時32個，理論學時26個，主講內容為流體流動與傳熱問題的控制方程、空間及時間離散格式、湍流模型及其數值解法；上機實踐學時6個，結合FLUENT軟件介紹CFD軟件組成、原理及其在流場分析、傳熱以及多相流模擬等方面的最新應用。近兩屆學生增加了2學時的建模內容，培養學生抽象出物理模型的能力，如本屆學生的題目為“從塔設備受到風載荷作用或者管殼式換熱器殼程中流體的橫向流動抽象出一個物理模型”。值得欣慰的是，大部分同學均能意識到是圓柱繞流問題。考慮到學生選課的盲目性，需細化緒論的內容，如可以將工程實踐和生活中的實例作為引子與學生互動，讓學生體會到本門課程的知識應用無處不在，進而使學生對本課程的前世今生、架構、內容設置以及實際應用有明確的認識，激發學習興趣。

2. 教學方法

隨著當代信息技術的飛速發展和“互聯網+”時代的到來，教師應該引導學生學習和運用新技術強化學習，如手機、平板電腦等移動終端，對課堂教學進行補充和鞏固。借助于交互式的課程設計，激發學生學習的積極性，將內容通過PPT課件、動態圖片和仿真視頻結合，調動課堂氣氛，激發學生求知欲，注意課堂氣氛張弛有道，使教師教的主導作用和學生學的主體作用的發揮和諧統一。可采用如現場教學、課堂研討、課外大作業等靈活多變的教學模式和方法。最好在教室里設置手機、平板電腦等放置區，從根本上避免學生上課玩手機等現象。另外，可將教學內容以專題形式編排，由該領域經驗最為豐富的教師授課，教師人數控制在5人以內；也可請企業相關人員參與授課，從企業需求的角度來對學生傳達知識，或許學生學習的積極性更好。

3. 實踐環節

經過兩屆學生的調研發現，當學生完全能順利完成一個實際工程問題的數值分析時，理論知識的掌握程度也得到了鞏固和提高。約80%的學生建議增大實踐學時的占比，而基礎理論部分的學時可適當壓縮。在充分聽取了學生的建議，并與學生交流和探討后，本校過控專業將基礎理論部分壓縮至20學，實踐學時增加至12學時，增加了企業現場培訓環節。在其他課程的課程設計和畢業設計實踐中，引入了CFD輔助設計和優化，目前相關工作已經開展，學生積極性有所提高。例如，針對列管式換熱器的管束排布方法選擇中，學生通過CFD仿真對每種排布方法均有直觀的感受，更好地知道了學生的畢業設計。endprint

4. 考核方式

經調研發現，目前本課程主要以提交報告的形式考核，成績為五級制，平時成績占20%，報告成績占80%，但部分同學照搬他人或網絡上的內容，并沒有嚴肅認真地對待。試著采取以團隊的形式布置考核題目，每個同學負責一部分，相輔相成，這種方式今年已經展開，效果不錯，但考核題目的選擇仍有提升空間，可以選擇一些學生感興趣的話題，如高鐵等。另外，平時成績由20%提高至40%，報告成績占20%，CFD上機部分占比提升至40%，通過上機綜合考查學生對軟件的熟練程度，參考題目的完成時間和完成質量給分。而平時成績的考核也可作適當調整，如出勤10%、作業10%而課堂表現占比20%，其中課堂表現主要考查學生參與互動的積極性、是否從事與課題無關的活動等。

四、 結論

為了進一步提升過程裝備與控制工程專業學生的教學質量，本文以工程教育專業認證的核心理念為導向開展計算流體動力學課程的教學研究，從教學制度、學生以及教師授課三方面探討了目前教學可能存在的問題，提出了一些改善教學效果的具體措施，并進行了兩屆學生的教學實踐。結果表明：本文所提的方法具有一定的成效，教學效果和學生反響均有改善，但仍有提升的空間，隨著教授時間的增加，相信會更加合理。

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作者簡介：王東祥，崔政偉，俞建峰，江蘇省無錫市，江南大學機械工程學院。endprint