基于CFD 項目驅動的《空氣動力學》課程教學改革探究

劉 聰 任 強 溫瑞英 莊南劍 回 憶

（中國民航大學空中交通管理學院，中國 天津 300300）

0 引言

隨著我國民航運輸業的高速發展，對民航特色交通運輸和交通管理專業工程技術人才提出了更高的要求，在具備扎實的理論功底的同時，更需要有利用所學知識分析和解決復雜工程問題的能力。從工程教育理念出發， 為培養具備更強工程實踐能力的學生，應從教學方式、教學內容和考核方式等方面，對該專業課程的教育教學提出新的要求。

空氣動力學課程是交通運輸專業的一門主干專業基礎課程。在空氣動力學的教學和科研領域，存在理論分析、實驗測試和數值模擬三類主要方法。以教師為中心的理論分析、 推導和演示目前為空氣動力學授課過程的主要方法， 部門航空類院校中實驗教學也占有一定比重， 而基于計算流體力學 （Computational Fluid Dynamics，CFD）的數值模擬方法正被逐漸運用到工程流體力學、空氣動力學等課程的教育教學中[1-3]。另一方面，基于項目式學習（Project Based Learning，PBL）的教學模式在高等教育中也得到廣泛重視[4-6]。該教學模式以學生為中心，以問題為導向，以有效的研究子項目實施為手段，是注重小組項目實施過程的啟發性自主式教學方法。本文提出了項目驅動式的空氣動力學教學模式，對教學方式、教學內容和考核方式進行了改革探索，基于遠程CFD 的仿真平臺工具，以從知識重點和難點出發的項目為載體，在項目驅動式的教學中實現對學生工程思維意識的建立和強化。

1 課程現狀分析

該課程開設在第5 學期，共46 課時，主要講授內容為空氣動力學基礎、飛機的空氣動力、空氣動力學應用和飛機的穩定性與操縱性四個部分。 全部課時均為課堂教學的理論課學時，以教師講授為主要教學方式。最終考核成績由平時成績和卷面考試成績組成， 分別占比15%和85%。 根據空氣動力學課程特點，結合課程教學實踐發現，現階段該課程存在以下主要問題：

1.1 教學過程中學生的參與度較低

受制于學時和客觀條件，該課程以理論課講解方式呈現；該課程理論性強，概念抽象，有較多的理論推導和計算，公式和知識點繁多，公式所表征的物理意義較難理解。 傳統講授的教學方式，加之抽象的物理概念，難以激起學生學習興趣，學生無法積極參與到整個教學活動中。

1.2 教學內容上欠缺開放性、探索性項目

空氣動力學涉及的概念、公式和定理等，以及典型的流動現象和規律等，均以文字表述為主，無法給出學生直觀感受；實驗教學環節缺失，無法從實驗實操中加深對抽象概念和理論公式的理解。 因此，學生無法自主設計、開發和研究探索性問題。

1.3 教學效果需要多維度考核

現階段的考核方式仍為平時作業和閉卷考試。 平時作業以課后計算題為主，與考試考核內容較重疊，沒有開放性的、探究性的題目設置，不能考察和培養學生的學習遷移能力，不利于學生工程實踐能力的培養。

2 教學改革方案設計

針對現階段該課程存在的上述問題，本文提出了項目驅動式的空氣動力學教學模式，與理論教學方式互為補充。 搭建遠程的數值仿真平臺，為學生參與教學活動提供硬件支持；開發基于知識重難點的數值仿真實驗項目，增強學生對課程基礎知識的掌握，培養理論與實踐結合能力；鼓勵學生在此基礎上進行自主的開發設計，以開放式的項目報告作為考核的一項重要內容，激發學生的創新探索精神。

2.1 遠程CFD 仿真平臺的搭建

考慮到項目需要的計算量較大，學生自有筆記本計算能力有限； 同時為了方便對項目過程的管理，可以利用現有的服務器資源，搭建能夠滿足多個小組和多個項目同時獨立進行研究的遠程仿真平臺，供有限用戶的遠程操作和計算資源分配。

該平臺可實現學生在校園網環境和校外網絡環境登錄到遠程服務器， 并通過安裝在遠程服務器端的虛擬仿真軟件，進行相關學習項目的開展。數值仿真工具包括 ANSYS CFD 工具包，如 Fluent、CFX 等。學生用戶登錄后， 通過上傳下載工具將學生本地的項目相關數據上傳到服務器端； 同時能夠將服務器端的仿真數據下載到當地，便于數據的處理。

2.2 空氣動力學教學項目開發

依據交通運輸專業和交通管理專業教學大綱，從該課程重點和難點知識點出發，圍繞以下專題進行項目的設計和開發： 流體黏性和邊界層流動數值計算、伯努利方程驗證數值計算、 拉伐爾噴管數值計算、超音速激波/膨脹波數值計算、NACA 翼型氣動特性數值仿真、機翼平面形狀對氣動特性影響分析、后掠翼翼根翼尖效應數值實驗、超臨界翼型跨音速氣動特性仿真、翼尖小翼氣動特性分析、增升裝置增升原理仿真實驗。

針對每一個項目的開發，按三個步驟實施。 第一步為項目文檔的建設，包括三項內容：知識點理論文檔，包含此項目開展用到的理論知識，包括概念、定義和數學推導等；仿真實驗項目教學大綱，確立實驗教學的指導思想、教學目的，明確各實驗項目的具體教學內容和實驗要求；仿真實驗項目報告模板，用以確定每個項目提交報告的格式。

第二步為必選演示項目的建設，主要包括演示項目教案、演示項目算例、演示項目報告。此部分為學生針對各個專題的必選項目，演示項目教案，提供了進行數值仿真的具體操作步驟，包括軟件的打開、參數的設置、模型的選擇等；演示項目算例為針對某一項目的某一個工況的仿真過程文件；演示項目報告為針對某一項目某一工況，進行后處理的結果，并以項目報告形式予以呈現。 此部分，相當于給學生提供了標準的模板操作，方便學生快速入手。

第三步為自主設計項目的建設，主要包括自主設計項目方案、自主設計項目過程數據、自主設計項目報告。此部分內容為激發學生的擴散性思維和工程創新能力設置。 在演示項目的基礎上，學生分為若干小組，每組 3～4 人，自選 2～3 個感興趣專題項目，可在演示項目的基礎上進一步進行探索性研究，包括工況范圍的擴展（比如擴展雷諾數、馬赫數研究范圍）、研究模型的探索（比如新翼型的研究）等。學生可自定研究方案，進行多工況、多模型、多課題的研究。

2.3 考核方式的改革設計

現階段考核方式存在重理論輕實踐的弊端，以固定答案為判據的閉卷考試作為最主要考核方式，不利于對學生工程實踐能力和創新精神的促進和引導，有必要更新現有考核方式。增加項目學習成果作為最終成績的一部分， 按如下比例進行分配： 平時成績占10%，項目完成成績占20%，期末考試成績占70%。項目完成成績中，主要考察自主設計項目，以小組為單位考核，項目報告和小組匯報成績各占10%。 通過分組完成項目的方式， 既鍛煉了學生的團隊協作能力，又增強了學生的文字能力和表達能力。

3 結束語

在推進和深化工程教育改革背景下，高等教育需要培育具有扎實理論基礎和較強實踐能力的人才，這就對教學理念和教學模式提出了新的要求。本文結合民航特色交通運輸專業《空氣動力學》課程的現狀和存在的問題， 提出了基于項目驅動式的教學模式探索，以遠程CFD 仿真平臺為工具，結合課程重難點，以演示和自主項目為載體，鼓勵學生在工程實踐中培養工程思維和創新精神。基于項目驅動式的空氣動力學改革，是一個動態的循序漸進的過程，只有不斷地更新教學項目，更加貼近工程實踐場景，才能取得更好的教學效果。