基于CFD的探究性學習在“工程流體力學”教學中的應用

唐群國 陳晶田 譚 瓊

[摘 要]課題組分析了“工程流體力學”教學中存在的主要問題以及將探究性學習引入“工程流體力學”教學的必要性和可行性，結合“工程流體力學”課程特點，制訂了基于計算流體力學（CFD）數值仿真技術的探究性學習的實施辦法，對探究性學習的效果做了分析。教學實踐表明，探究性學習在激發學生自主學習動力、鞏固對理論知識的理解掌握以及提高解決實際問題的能力方面都有積極作用。

[關鍵詞]探究性學習;工程流體力學;CFD

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）06-0007-03

2017年2月，為應對新經濟形態的挑戰，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，教育部發布了《教育部高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，通知指出：當前，國家推動創新驅動發展，實施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新。“新工科”建設要求高等學校的工科教育需要與時俱進，在教學理念、教學方法、教學手段上不斷創新，培養基礎扎實、富有創新精神、綜合素質高的人才。

針對“工程流體力學”教學中存在的以教師為中心的滿堂灌教學模式的弊端，我們結合多年的教學實踐，在教學中嘗試向“以學生為中心”的教學方式轉變，采用“部分翻轉課堂”及探究性學習方法，以提高教學效率和教學效益，關于“部分反轉課堂法”已另文介紹[1]。

一、“工程流體力學”教學中存在的問題

“工程流體力學”是機械、材料、航空航天、能源動力、輪機工程、環境工程、土木建筑、化工、生物工程等很多工科專業的重要理論基礎課。通過學習，學生應掌握工程流體力學的一般原理和規律，能夠利用工程流體力學的一般規律分析解決所在專業領域相關流體力學問題。“工程流體力學”不僅具有較強的理論性，還具有鮮明的實踐性，強調理論學習與工程實踐相結合。進入新世紀以來，國內高教領域在“工程流體力學”及相關課程的教學理念、課程體系、教學方法等方面做了許多有益的探索[2-5]。

隨著科學技術的進步，在流體力學研究領域取得了很多研究成果，特別是在計算工程流體力學（CFD）研究上有了長足發展并在工程實踐中獲得了廣泛應用。為了使理論教學緊跟時代發展，在教學中應及時汲取最新研究成果，豐富教學內容，使學生接觸學科發展的前沿。然而，目前國內針對工科本科生編寫的“工程流體力學”教材，盡管編者及版本各異，但主要內容多年來變化不大。除教學內容之外，筆者認為目前“工程流體力學”教學中尚存在以下問題：

（1）由于學科特點，課程理論性強，課堂教學不夠生動。“工程流體力學”研究的對象是液體與氣體，而常見的流體如水和空氣均無色透明，流動很多時候是“來無形，去無蹤”。由于流體不同于固體的特點，對流體運動的描述采用不同于固體力學的方法（Euler法），研究上主要采用微積分方法推導，過多的理論推導難免會讓學生感到枯燥乏味，導致學生對一些基本概念如跡線、脈線、流線、速度場、加速度場、壓力場、等壓線、紊流、渦旋的理解往往停留在定義上，缺乏直觀的感性認識。雖然借助可視化技術等實驗手段可以幫助學生觀察一些在特定條件下的流動現象，但是這些實驗裝置需要場地和設備等投入，并不是所有的教學單位都具備，而且現有可視化流動實驗裝置能夠演示的流場類型還非常有限，同時可視化演示方法一般采用物理的或化學的方法對原有流場進行干預，如在液體里加注氣泡等，因此呈現在眼前的流場并不能準確反映實際流場的真實面貌，對于復雜流場特別是非穩態流動還很難實現可視化演示。

（2）在培養學生解決實際問題的能力方面，現有的側重理論的課堂教學方式跟不上新技術發展的需要。隨著科技日新月異的發展，很多涉及流體的工程設計問題需要基于流場的精確計算，而需要研究解決的流場問題也日趨復雜，很難通過教材上提供的解析方法解決。因此，迫切需要在教授基本理論的基礎上，適當拓展教材知識體系，使學生接觸、了解并初步學會新的流場分析方法。遺憾的是，國內現有的“工程流體力學”教材基本上沒有涉及CFD較完整的介紹。事實上，當今CFD技術在很多工程技術領域已獲大量應用，相關流場數值計算分析軟件也已“飛入尋常百姓家”，成為工程技術人員不可或缺的有力工具。在高等教育比較發達的國家，如美國，“工程流體力學”的教材中通常都包含關于CFD內容的專門章節，而且在本科教學計劃中安排了若干課時的CFD仿真實驗環節。

（3）隨著信息技術特別是計算機技術的快速發展，很多學生在學習“工程流體力學”前已具備較好的計算機基礎及應用能力。如機械類專業的學生基本能熟練使用Matlab， AutoCAD，Solidworks，ProE等通用軟件，為學習CFD軟件打下了很好的基礎。

（4）隨著網絡信息技術的發展，有關流場數值計算仿真的研究成果越來越多地見諸網絡媒體，很多視頻利用CFD技術生動形象地模擬再現了復雜的流動過程，如高鐵行駛中氣體的流動、蜜蜂飛行過程中周圍空氣的流動、卡門渦列（Karman Vortex ）現象、超音速飛機音爆現象、水下爆炸引起的水擊過程、泄洪口開閘泄洪過程等。在教學過程中將這些讓人喜聞樂見、栩栩如生的視頻資料演示給學生時，無疑會激發學生對流體力學的興趣，對于幫助學生認識復雜的流動問題，深化對有關物理概念的理解將起到事半功倍的效果。

二、探究性學習在“工程流體力學”教學中的作用

傳統的“工程流體力學”教學以教師為中心，以課堂學習為主，學生在整個過程中基本處于被動地位，是“要我學”而不是“我要學”，學生按要求完成聽課、作業、考試等環節，教師授課和學生學習都圍繞著教材內容。這種封閉式的教學模式不利于培養學生的自主學習能力，不利于培養質疑精神，更不利于培養勇于探索的科學精神。相反，探究性學習是以問題為導向的開放式學習過程，不同于教材中的例題和習題，探究性學習要研究解決的問題主要來自于生活或工程實際，并沒有現成的答案。探究性學習以學生為中心，發現問題、提出問題、思考問題、解決問題，讓學生在分析解決實際問題的過程中加深對理論知識的學習理解，感受、認識知識的價值和力量，在學以致用的過程中獲得一定程度的成就感。

探究性學習是對課堂教學內容的拓展和補充，要探討的問題與所學知識密切相關，涉及“工程流體力學”的基本規律。在選擇探究性課題時，應鼓勵學生自主選題，選擇感興趣的流體問題。考慮到時間因素和學生所具有的知識水平情況，教師需對選題的復雜程度進行評估，原則上選題要對學生起到訓練的作用，但又不會因為問題過于復雜以致力不能及而耗費過多的時間精力，導致學生產生挫敗感。例如不推薦模型結構過于復雜的流動問題、設計多個物理場的流動問題及非穩態流動問題。選題來源可考慮：

（1）教材上列舉的一些流動問題，如平行平板間的壓差流動、剪切流動，彎管內的脫壁和二次流動，三通或四通管接頭內的混流，薄壁孔口或管嘴的出流，圓管層流，關于這些流動問題盡管教材上做了簡單介紹，但關于流動的具體情景、流場的結構（如流線分布等）一般最多給出示意性的說明，缺乏直觀生動的圖像資料來輔助說明。

（2）生活中一些看似熟悉但又不夠清楚的流動問題，如水庫泄洪時閘門附近的流動、汽車前進時空氣的繞流、消防水龍頭內的流動、發動機噴管內的流動等，這些問題貼近生活，學生應用CFD方法建模、計算分析后，不但會加深對力學規律的理解，也有助于培養細心觀察勤于思考的習慣。在了解了現象背后的力學規律后，也可引導學生進一步思考如何應用工程流體力學的知識對問題中的有關結構做設計優化，提高流體機械或設備的使用性能。

（3）結合專業學習方向提出一些問題。例如，對于機械專業的學生，可以結合后續專業課學習給出液壓系統和氣動系統的一些流動問題、內燃機設計中的一些典型流動問題：滑動軸承的潤滑、液壓泵吸油過程中的氣穴形成、縫隙內的流動、管道內的流動、各種結構形狀的液壓閥閥口流動等。

三、基于CFD的探究性學習實施的方法

根據探究性學習的目標要求，在符合教學大綱總體要求的前提下，我們對原有的教學計劃、教學內容及課程評價方法做出了相應的調整：

（1）在緒論部分選擇一些CFD的最新研究成果展示給學生，說明CFD強大的仿真計算能力，以及在科學研究中的作用，對CFD做簡要介紹。在講授運動學與動力學內容時，引入CFD仿真計算的例子，以演示流動中的流線分布、跡線分布、壓力場分布、速度場分布，幫助學生更好地理解流線等物理概念。

（2）關于CFD理論及方法的介紹。CFD研究包括理論研究和軟件開發兩方面。CFD的理論基礎比較復雜，涉及流體動力學方程（為偏微分方程）的數值求解理論，求解域的建模及離散化理論一般在研究生階段才會學習，如果完整講解需要課時較多，顯然不適合也不可能要求本科生全面學習掌握，因此重點是讓學生在了解計算原理的基礎上學會使用CFD的軟件工具，感興趣且學有余力的學生可以課后進一步查閱相關文獻資料。

在講授完“工程流體力學”基本原理后，介紹CFD流場仿真的主要方法步驟，以及常用的CFD軟件產品。CFD軟件產品有多種，學生比較容易獲得，目前在工程設計領域使用較多的有ANSYS。ANSYS為一大型計算仿真工具，包含應力場、流場、電磁場等各種物理場問題計算分析模塊。而用于流體問題研究的是Fluent模塊，該模塊與其他通用軟件如AutoCAD， SolidWorks等具有很好的兼容性，可以直接把在上述軟件中建立的流場幾何模型導入Fluent中，然后按順序完成網格劃分、邊界條件及初始條件設置、收斂精度設定、計算、計算結果的后處理及結果輸出等過程。此軟件人機交互性友好，計算結果的輸出呈現形式豐富，易于理解。實踐表明，大多數學生可以利用課后時間在兩周內初步掌握其使用方法，對于個別學習有困難的學生可以進行單獨輔導，或鼓勵同學之間互相學習，互相幫助。為了使初學者少走彎路，應該對使用CFD軟件時需注意的常見問題進行說明，如如何對實際流場結構合理簡化，網格類型、網格劃分數量與計算精度和計算速度的關系，邊界條件的物理意義及設置方法等。課堂上可通過1～2個例子演示仿真過程。

（3）在工程流體力學課程結束時，布置CFD仿真計算作業，題目主要由學生自由選擇感興趣的流動現象，也可以由教師給定。為了培養學生的團隊合作精神，將學生分組，3～5人為一組，每組完成一個課題研究。

（4）課題研究的成果交流。CFD仿真作業大約在2周內可完成，然后安排時間答辯。要求每個小組將所做的CFD仿真結果整理成研究報告，制作PPT，并指定一人做介紹，對提出的問題做出回答。通過這種集中報告交流，大家可以互相學習，獲得更多的對流動現象的認識理解。

（5）探究性學習的成績評定。將探究性學習作為課程學習的一部分，將成績按比例算入課程總成績，如10%。成績評定主要考慮任務完成情況、任務難度、研究報告及答辯情況等。

四、探究性學習的實施情況

按照以上思路，在2017和2018年，我們在機械設計制造及自動化專業卓越班的“工程流體力學”教學中開展了基于CFD的探究性學習，卓越班的學生總體上具有較扎實的知識基礎和較強的學習能力，兩次參與學習的學生共計62人，除1人未能按要求在規定時間內完成任務外，其他學生均給出了包括選題、建模、仿真計算、結果分析討論的較完整的探究學習報告，許多學生對這種不同以往的學習方式給予了積極的評價。限于篇幅，圖1給出了部分學生的探究學習成果，圖示為應用CFD方法對不同場景條件下用流線表達的流體速度場分布，與速度場類似，學生也給出了壓力場等仿真結果。

五、結語

概括起來，探究性學習對教學產生的主要作用有：

（1）一定程度上改變了以課堂為主的單一教學模式，增強了學生在學習中的主動性，盡管軟件學習和項目完成增加了一些時間投入，但學生普遍認為收獲很大，提高了自己自主學習和解決問題的能力。

（2）基于CFD的探究性學習，引入流體力學研究的新成果新方法，豐富和拓展了“工程流體力學”教學內容，突出學用結合，使流動現象“可視化”，學生不僅牢固掌握了“工程流體力學”的基本理論，而且為解決專業相關更為復雜的流體力學問題打下了較好的基礎。

（3）探究性學習的分組協作、學習CFD軟件過程中遇到困難時的互相幫助、成果交流分享和答辯環節一定程度上培養了學生的團隊合作精神、質疑和表達能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 唐群國，朱龍威，譚瓊.“部分翻轉課堂”在“工程流體力學”教學中的應用[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2017（12）：10-12.

[2] 李楠，張財紅.工程流體力學課程應用化教學改革研究[J].教學研究，2014（3）：92-95.

[3] 楊揚，張勤星，王利霞，等.工科流體力學教學方法與改革[J].大學教育，2015（5）：137-138.

[4] 張引弟，廖銳全，李元鳳，等.《工程流體力學》課程考核方式的教學改革與實踐[J].西南師范大學學報（自然科學版），2015（4）：139-143.

[5] 謝翠麗，倪玲英.計算流體力學在工程流體力學課程中的應用與實踐[J].力學與實踐，2017 （5）：503-505+495.

[責任編輯：鐘 嵐]