理工科高校通識—綜合素養課程建設
——以CFD數值模擬實訓為例

孫槿靜 袁馨怡 陽 君 陳二云

（上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

現代大學的通識教育起始于19世紀初，就內容而言，通識教育是關于各個領域的知識和技能的教育[1]。在新一輪教育教學改革中，很多高校將通識教育作為深化教學改革，進行內涵建設的一項重要舉措[2]。目前，許多地方高校的通識教育主要是通過開設人文社科類課程，以滿足學生德智體美勞全面發展的人才培養目標，而跨學科或與專業融合的通識類課程數量嚴重不足[3]，有必要在立足加快工程教育改革創新，助推“厚基礎、寬口徑”的通識教育改革，開設面向理工科高校的通識—綜合類的課程建設[4]。

在通識課程不斷增多而師資相對缺乏的情況下，目前大班授課成了通識教育課程教學的主要模式，這使得教師課堂教學有很大的局限性，不利于對學生創新能力的提高[5]，也不利于學生在積累知識之外得到更多的啟發，其次大班授課導致實踐活動難以開展，師生互動較少，學生難以得到真正的鍛煉，使得課程教育效果不佳。

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）是近代流體力學，數值數學和計算機科學結合的產物，是一門具有強大生命力的交叉科學。它克服了實驗測量和理論分析的某些缺點，且具有成本低、耗時短的優勢，易于獲得流場中的數據，在動力、化工、環境、機械、建筑、醫學、航空、航天等工程技術中有著十分廣泛的應用。因此，培養既有扎實的英語基礎知識又熟悉CFD實踐操作的應用型人才非常必要[6]。除了講解演示軟件操作技巧外，本課程還將緊密結合實驗室資源，通過實驗室演示讓學生更好地理解CFD及基本原理及思路，同時通過實驗室的實例實驗進一步驗證數值仿真的結果正確性，讓學生在學習計算流體力學知識的同時“不忘實踐是檢驗真理的唯一標準”。

1 教學內容的選擇及過程組織

CFD是一門具有強大生命力的交叉科學，同時也是一個緊跟社會發展的一門學科，更新極其快的一門學科。以常用的商用CFD軟件為例，十年前，NUMECA還能占據半壁江山，現在已經百家爭鳴，Ansys Fluent、CFX、STAR-CCM、Comsol、OpenFOAM等等都是市場上常用的CFD軟件。本課程對課程大綱及教學內容進行了重新編寫，將課程框架改的更加開放，采用靈活采用多種計算軟件完成計算案例。

課程內容主要包括計算流體力學的基本概述、基礎知識、常用商用軟件介紹、計算域基礎與實例、網格基礎與實例、求解器基礎與實例及后處理基礎與實例七個部分（共計32學時，2學分）。其中在對學生進行CFD計算操作的過程中穿插目前國內外工業界較為常用的相關軟件，包括但不限于幾何構建類軟件（CATIA,Solidworks,ProE,UG）、網格生成軟件（ICEM,Pointwsie,Autogrid），數值計算軟件（Ansys Fluent,Ansys CFX,Star-CCM+,Openfoam,AnsysWorkbench）以及后處理分析軟件（CFD-Post,Tecplot,FieldView）等。

不再僅僅介紹一個常用的CFD軟件，通過整個CFD計算流程的講解讓學生對工業界常用的三維建模軟件、網格劃分軟件、CFD商用軟件及流場后處理軟件都會有個初步的認識，拓寬學生的專業視野。由于CFD的特點，需要實時更新CFD的最新算法、模型等，才能保持課程的前沿性，該如何實現是對我們課程建設來說是一個挑戰，因此我們也會在相關環節介紹一些最新的，如在網格生成環節除了講解如何使用常用的商用軟件ANSYSICEM，還介紹目前較新的動網格技術（Dynamic Mesh）。在講解如何使用求解器計算的過程中，除了常用商用CFD軟件，如Fluent、CFX等的實例講解，還介紹了基于粒子和具有完整拉格朗日函數的無網格方法CFD軟件XFLOW。在對計算結果進行分析的時候，我們也在原有的CFD-Post的基礎上增加了目前主流的、專業流場后處理軟件Tecplot、Ansys EnSight及FieldView的應用講解。

同時建立實驗案例庫，里面包含經典的流體力學實驗（如圓柱繞流、翼型擾流等）的視頻及實驗邊界條件。在完成整個基礎授課后，安排同學們在課程的實驗案例庫中選取想要計算的案例，用課程上講過介紹過的建模、計算分析軟件進行建模計算及分析，最后與實驗結果進行對比驗證自己的結果，進一步讓學生明白“實踐是檢驗真理的唯一標準”，在先進的CFD所算出的結果只有與實驗結果對比驗證才能知道其可行性。同時，所有課程授課將以全英語方式開展。

課程考核方面，主要包括以下內容：（1）強調流體力學的基本概念、基本理論和基本方法的學習和應用：考試時由題庫隨機選擇一種計算流體力學工程問題進行數值仿真。（2）結合平時表現：采用激勵機制，鼓勵學生參與互動，多問問題，認真完成作業。（3）英語實用能力：要求學生在教學的各個環節均使用英語，提供英語實用能力。

2 教學方法的改革與教學手段的創新

本課程將采用理論教學、實驗教學及上機實踐教學相結合的多元化教學模式，讓學生循序漸進地進入本課程的學習狀態，理解CFD及基本原理及思路。授課過程中，通過大量的工程實例來講解計算域基礎、網格基礎、求解器基礎及后處理基礎，來加深學生對CFD應用的理解和提高他們對CFD軟件的應用的熟練度。同時，為了提高學生的積極性，組建workgroup，采用微課制作及翻轉課堂的形式，讓學生有更多的自主學習及自主思考討論的空間。此外，教學團隊還將充分利用相關實驗資源，為學生直觀展示相關算例的實驗結果，使學生能夠正確認識仿真模擬與實驗之間的聯系。

結合CFD數值模擬實訓這門交叉學科課程的特點，建立與其他課程的互通性，能夠形成專業對話，應該打破學科壁壘，統一以學生核心素養培育為基礎，既強調學生綜合品質培養，使學生通過跨學科學習獲得不同的思考視角[7][8]。

3 教學實施過程中可能存在的問題及解決方法

教學過程中可能會存在以下問題，如：（1）由于CFD的特點，需要實時更新CFD的最新算法、模型等，才能保持課程的前沿性，該如何實現是對我們課程建設來說是一個挑戰。（2）更多實驗案例的引入，多種軟件自由選擇的進行計算，對于學生及老師都是一個挑戰。

針對上述所面臨的問題，本文擬從以下幾個方面提出應對措施，以解決建模實訓課程建設中所存在的問題。

（1）采用教研結合，加強師生交流討論。為了保持課程內容的前沿性，在授課過程中還要實時更新授課內容。鼓勵科研教學一線青年教師從事本課程的教學，教師的科研方向與CFD息息相關，從事的科研緊跟CFD的前沿發展，因此可以很好教研結合，保證教學內容的前沿性。同時，加強課程網站建設，在網站的建設中加入交流討論板塊，方便交流及討論最新的CFD熱點知識。

（2）數值與實驗測量相結合，更好地理解CFD基本原理及思路。理工科高校學生大學四年期間學校及學院公共實驗中心會安排學生在大學四年間參與學習一些專業基礎實驗的設置及測量，可參考學生所做實驗，挑選典型案例，由課程教師指導學校，如何從所做實驗中提取可用于CFD數值計算的邊界條件、模型及工況，并結合實驗演示和CFD數值計算結果讓學生對比分析其數值求解結果與實驗符合情況，并能夠結合數值模型提取分析計算誤差來源及其可靠性。

總而言之，隨著計算機的發展，CFD數值模擬在理工科高校學生深造及就業過程中均有著廣泛的應用，我們應該面向全校學生有效建立起這門通識—綜合素養類課程，積極發揮該門課程所具備的優勢，使得理工科高校學生在掌握有利專業類工具的基礎上更具有核心競爭力。