工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析教學(xué)探索

王東祥+崔政偉+俞建峰

摘 要：為了進(jìn)一步提升過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的教學(xué)質(zhì)量，本文針對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)開(kāi)展探索與實(shí)踐。以工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的三個(gè)核心理念為導(dǎo)向，結(jié)合本專(zhuān)業(yè)對(duì)該課程的需求，從教學(xué)制度、學(xué)生及教師授課三個(gè)方面分析了目前教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，結(jié)合相關(guān)高校的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及學(xué)生的教學(xué)建議，提出了一些改善教學(xué)效果的具體措施及途徑，并進(jìn)行了兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)質(zhì)量有了顯著提升。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；過(guò)程裝備與控制工程；工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證；課程改革

一、 引言

過(guò)程裝備與控制工程（簡(jiǎn)稱(chēng)“過(guò)控”）專(zhuān)業(yè)隸屬工學(xué)機(jī)械大類(lèi)，以流程性物料（氣、液、粉體等）為加工對(duì)象，以改變物料狀態(tài)和性質(zhì)為目的，涉及流動(dòng)與傳熱、傳質(zhì)等過(guò)程所需的全套裝備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。江南大學(xué)過(guò)控專(zhuān)業(yè)結(jié)合工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的發(fā)展需求，依托學(xué)校在輕工食品行業(yè)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)復(fù)合型、工程應(yīng)用型高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才。為了加快本專(zhuān)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，需進(jìn)一步深化工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證核心理念，以產(chǎn)出為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心，持續(xù)改進(jìn)，突出強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果、密切關(guān)注學(xué)生“應(yīng)該得到什么”。本文基于工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的教學(xué)出發(fā)，結(jié)合我校過(guò)控專(zhuān)業(yè)實(shí)際情況，分析本課程在教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，吸取相關(guān)高校的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索了提升教學(xué)效果的具體措施。

二、 教學(xué)中存在的問(wèn)題

1. 教學(xué)制度方面

CFD上承高等數(shù)學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)，下承接過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)、過(guò)程流體機(jī)械、過(guò)程裝備密封技術(shù)，服務(wù)于如換熱器、泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、內(nèi)燃機(jī)及汽輪機(jī)等典型過(guò)程設(shè)備。相比必修課程，CFD教學(xué)內(nèi)容專(zhuān)業(yè)性高、知識(shí)更新快，涵蓋專(zhuān)業(yè)理論研究方向的前沿，教學(xué)質(zhì)量仰賴(lài)于教師的平時(shí)積累。課程設(shè)置是否合理也影響到本課程的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生容易出現(xiàn)流體力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)課程知識(shí)點(diǎn)掌握不扎實(shí)、銜接不緊密等情況；課程內(nèi)容也可能存在重復(fù)而導(dǎo)致教學(xué)資源浪費(fèi)。另外，考核方式也存在很大弊端，完成報(bào)告的考核方式并不十分嚴(yán)格。這些均在不同程度上影響了學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效果。

2. 學(xué)生方面

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于必修課，學(xué)生對(duì)選修課的選擇趨于盲目性，依靠感覺(jué)，對(duì)所選課程的授課內(nèi)容缺乏了解，往往出現(xiàn)學(xué)習(xí)效果與心理預(yù)期不一致，產(chǎn)生混學(xué)分、避難就易等不良現(xiàn)象。部分同學(xué)認(rèn)為選修課基本沒(méi)有學(xué)習(xí)壓力，容易通過(guò)且與畢業(yè)不掛鉤。CFD一般安排在大三下或大四上學(xué)期，正值學(xué)生考研和求職期，課堂已成為部分同學(xué)的考研自習(xí)室。考核方式也嚴(yán)重影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，目前主流的考核方式是完成報(bào)告，成績(jī)五級(jí)制，學(xué)生往往從網(wǎng)上查抄相關(guān)內(nèi)容作為考核報(bào)告提交。雖然本校過(guò)控專(zhuān)業(yè)已試點(diǎn)一生一題，獨(dú)立完成，部分學(xué)生仍照搬他人或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容。除此之外，各種移動(dòng)終端對(duì)學(xué)生的誘惑力難以想象，特別是各種社交APP、手機(jī)游戲等已占據(jù)了學(xué)生的大部分時(shí)間，沒(méi)有將較多精力投入課程中。

3. 教師授課方面

CFD的典型特點(diǎn)是涵蓋很多相互關(guān)聯(lián)的基本概念和定律，涉及大量的數(shù)學(xué)知識(shí)和理論推導(dǎo)，理解和掌握難度較大。另外，因教學(xué)制度和學(xué)生本身因素的影響，學(xué)生往往認(rèn)為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)這門(mén)課程乏味、枯燥，學(xué)生對(duì)這些知識(shí)的理解和掌握程度本來(lái)就存在差異，如果課堂氣氛壓抑，學(xué)生無(wú)精打采，應(yīng)付老師的要求，少發(fā)言甚至不發(fā)言，這樣很難提起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，教學(xué)效果可想而知。CFD課程的工程實(shí)踐性很強(qiáng)，授課內(nèi)容應(yīng)該涉及大量的工程例子，但由于教學(xué)制度和學(xué)生表現(xiàn)的影響，有些教師照本宣科，教學(xué)內(nèi)容不夠豐富；有些教師認(rèn)為學(xué)生對(duì)于選修課只是簡(jiǎn)單地涉獵，無(wú)需深入，課前準(zhǔn)備不足，授課安排不合理，在教學(xué)內(nèi)容和方法上沒(méi)有認(rèn)真?zhèn)湔n，教學(xué)態(tài)度不夠認(rèn)真，引起負(fù)面效應(yīng)。

三、 改善教學(xué)的措施

1. 授課內(nèi)容

CFD開(kāi)課時(shí)間一般為大三下或大四上學(xué)期，總學(xué)時(shí)32個(gè)，理論學(xué)時(shí)26個(gè)，主講內(nèi)容為流體流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的控制方程、空間及時(shí)間離散格式、湍流模型及其數(shù)值解法；上機(jī)實(shí)踐學(xué)時(shí)6個(gè)，結(jié)合FLUENT軟件介紹CFD軟件組成、原理及其在流場(chǎng)分析、傳熱以及多相流模擬等方面的最新應(yīng)用。近兩屆學(xué)生增加了2學(xué)時(shí)的建模內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生抽象出物理模型的能力，如本屆學(xué)生的題目為“從塔設(shè)備受到風(fēng)載荷作用或者管殼式換熱器殼程中流體的橫向流動(dòng)抽象出一個(gè)物理模型”。值得欣慰的是，大部分同學(xué)均能意識(shí)到是圓柱繞流問(wèn)題。考慮到學(xué)生選課的盲目性，需細(xì)化緒論的內(nèi)容，如可以將工程實(shí)踐和生活中的實(shí)例作為引子與學(xué)生互動(dòng)，讓學(xué)生體會(huì)到本門(mén)課程的知識(shí)應(yīng)用無(wú)處不在，進(jìn)而使學(xué)生對(duì)本課程的前世今生、架構(gòu)、內(nèi)容設(shè)置以及實(shí)際應(yīng)用有明確的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2. 教學(xué)方法

隨著當(dāng)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用新技術(shù)強(qiáng)化學(xué)習(xí)，如手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端，對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充和鞏固。借助于交互式的課程設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，將內(nèi)容通過(guò)PPT課件、動(dòng)態(tài)圖片和仿真視頻結(jié)合，調(diào)動(dòng)課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生求知欲，注意課堂氣氛張弛有道，使教師教的主導(dǎo)作用和學(xué)生學(xué)的主體作用的發(fā)揮和諧統(tǒng)一。可采用如現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、課堂研討、課外大作業(yè)等靈活多變的教學(xué)模式和方法。最好在教室里設(shè)置手機(jī)、平板電腦等放置區(qū)，從根本上避免學(xué)生上課玩手機(jī)等現(xiàn)象。另外，可將教學(xué)內(nèi)容以專(zhuān)題形式編排，由該領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)最為豐富的教師授課，教師人數(shù)控制在5人以內(nèi)；也可請(qǐng)企業(yè)相關(guān)人員參與授課，從企業(yè)需求的角度來(lái)對(duì)學(xué)生傳達(dá)知識(shí)，或許學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性更好。

3. 實(shí)踐環(huán)節(jié)

經(jīng)過(guò)兩屆學(xué)生的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生完全能順利完成一個(gè)實(shí)際工程問(wèn)題的數(shù)值分析時(shí)，理論知識(shí)的掌握程度也得到了鞏固和提高。約80%的學(xué)生建議增大實(shí)踐學(xué)時(shí)的占比，而基礎(chǔ)理論部分的學(xué)時(shí)可適當(dāng)壓縮。在充分聽(tīng)取了學(xué)生的建議，并與學(xué)生交流和探討后，本校過(guò)控專(zhuān)業(yè)將基礎(chǔ)理論部分壓縮至20學(xué)，實(shí)踐學(xué)時(shí)增加至12學(xué)時(shí)，增加了企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)環(huán)節(jié)。在其他課程的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，引入了CFD輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化，目前相關(guān)工作已經(jīng)開(kāi)展，學(xué)生積極性有所提高。例如，針對(duì)列管式換熱器的管束排布方法選擇中，學(xué)生通過(guò)CFD仿真對(duì)每種排布方法均有直觀的感受，更好地知道了學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)。endprint

4. 考核方式

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前本課程主要以提交報(bào)告的形式考核，成績(jī)?yōu)槲寮?jí)制，平時(shí)成績(jī)占20%，報(bào)告成績(jī)占80%，但部分同學(xué)照搬他人或網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)容，并沒(méi)有嚴(yán)肅認(rèn)真地對(duì)待。試著采取以團(tuán)隊(duì)的形式布置考核題目，每個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)一部分，相輔相成，這種方式今年已經(jīng)展開(kāi)，效果不錯(cuò)，但考核題目的選擇仍有提升空間，可以選擇一些學(xué)生感興趣的話題，如高鐵等。另外，平時(shí)成績(jī)由20%提高至40%，報(bào)告成績(jī)占20%，CFD上機(jī)部分占比提升至40%，通過(guò)上機(jī)綜合考查學(xué)生對(duì)軟件的熟練程度，參考題目的完成時(shí)間和完成質(zhì)量給分。而平時(shí)成績(jī)的考核也可作適當(dāng)調(diào)整，如出勤10%、作業(yè)10%而課堂表現(xiàn)占比20%，其中課堂表現(xiàn)主要考查學(xué)生參與互動(dòng)的積極性、是否從事與課題無(wú)關(guān)的活動(dòng)等。

四、 結(jié)論

為了進(jìn)一步提升過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的教學(xué)質(zhì)量，本文以工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的核心理念為導(dǎo)向開(kāi)展計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)研究，從教學(xué)制度、學(xué)生以及教師授課三方面探討了目前教學(xué)可能存在的問(wèn)題，提出了一些改善教學(xué)效果的具體措施，并進(jìn)行了兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐。結(jié)果表明：本文所提的方法具有一定的成效，教學(xué)效果和學(xué)生反響均有改善，但仍有提升的空間，隨著教授時(shí)間的增加，相信會(huì)更加合理。

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作者簡(jiǎn)介：王東祥，崔政偉，俞建峰，江蘇省無(wú)錫市，江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。endprint