“雙一流”建設(shè)背景下氣體動力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

趙寧波，鄭洪濤，石云姣

（哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

2017—2018 年，教育部、財(cái)政部、國家發(fā)展改革委相繼印發(fā)《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)實(shí)施辦法（暫行）》[1]、《關(guān)于公布世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)高校及建設(shè)學(xué)科名單的通知》[2]、《關(guān)于高等學(xué)校加快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》的通知[3]，標(biāo)志著我國高等教育邁入了新的創(chuàng)新發(fā)展階段。其中，加強(qiáng)能源動力類相關(guān)學(xué)科和專業(yè)建設(shè)、培養(yǎng)能源動力領(lǐng)域卓越拔尖人才是持續(xù)深化“雙一流”建設(shè)的重要舉措之一，也是推進(jìn)我國能源動力產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施的關(guān)鍵任務(wù)。

氣體動力學(xué)作為國內(nèi)高等院校能源動力類本科專業(yè)的核心課程之一，主要講授連續(xù)介質(zhì)假設(shè)條件下的氣體運(yùn)動規(guī)律和參數(shù)狀態(tài)特征[4]，其基本知識對學(xué)生后續(xù)從事能源動力系統(tǒng)氣動方面的學(xué)習(xí)與工作起著極其重要的作用。由于在辦學(xué)特色、學(xué)科與專業(yè)培養(yǎng)方面有一定差異，各高校開設(shè)氣體動力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容存在較大不同[5]。例如，哈爾濱工程大學(xué)的能源動力類本科專業(yè)涉及內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、熱能工程三個方向，其氣體動力學(xué)課程是以可壓縮氣體的內(nèi)流為主線，重點(diǎn)講授一元定常等熵流、有摩擦和熱交換的一元流動、激波和膨脹波理論等內(nèi)容，既是本科生課程流體力學(xué)的拓展延伸，又是研究生課程高等流體力學(xué)的重要基礎(chǔ)。因此，提高氣體動力學(xué)授課效果必將對“雙一流”建設(shè)背景下能源動力類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用。

針對氣體動力學(xué)課程在教學(xué)中面臨的主要問題和挑戰(zhàn)，本文分析了將CFD 軟件引入課堂教學(xué)的益處，探討了“厚植基礎(chǔ)理論推導(dǎo)，強(qiáng)化CFD 實(shí)例問題講解，緊密結(jié)合工程應(yīng)用”的教學(xué)改革舉措與實(shí)踐效果。

一、氣體動力學(xué)課程教學(xué)面臨的主要問題

（一）抽象概念多，理解難度大

作為流體力學(xué)的一個重要分支，氣體動力學(xué)重點(diǎn)是對熱力學(xué)相關(guān)的氣體運(yùn)動規(guī)律、參數(shù)狀態(tài)特征及其與周圍介質(zhì)之間的相互作用進(jìn)行分析。這就需要學(xué)生不僅能夠熟練掌握工程熱力學(xué)的相關(guān)知識（例如熵、熱力學(xué)第一定律等），還要對流體力學(xué)中的一些概念和知識點(diǎn)有清晰的認(rèn)識（尤其是不可壓縮流體的特征、規(guī)律及判據(jù)等）[6]。與流體力學(xué)中常見的液體不同，氣體處于低速流動條件下時視為不可壓縮流動，而在高速流動（例如馬赫數(shù)大于0.3）時屬于可壓縮流動。正是由于氣體的這種可壓縮效應(yīng)及其引發(fā)的系列熱力狀態(tài)變化規(guī)律，許多學(xué)生在相關(guān)知識點(diǎn)學(xué)習(xí)過程中容易將流體力學(xué)中的一些抽象概念和現(xiàn)象混淆。此外，由于氣體動力學(xué)中講述的許多現(xiàn)象（小擾動波、激波、膨脹波等）出現(xiàn)于極端條件下，不容易通過簡單的可視化實(shí)驗(yàn)觀測得到。例如，在講授激波相關(guān)內(nèi)容時，傳統(tǒng)意義上更多是介紹激波為一種氣體受到強(qiáng)烈壓縮后產(chǎn)生的強(qiáng)間斷面，但是學(xué)生在以往學(xué)習(xí)中對于超聲速氣流沒有直觀的認(rèn)知，也沒有接觸過類似強(qiáng)間斷面的概念，使得許多學(xué)生很難從根本上理解這些現(xiàn)象，有時則對該課程產(chǎn)生一定的畏懼感，被認(rèn)為是最難學(xué)的課程之一。

（二）公式推導(dǎo)多，理論要求高

為使學(xué)生能夠更加清楚地掌握變截面、有摩擦、加熱等條件下的氣動參數(shù)變化規(guī)律，避免出現(xiàn)“知其表象，而不知其理”的“填鴨式”教學(xué)現(xiàn)象，在課堂講授過程中需要從每一類問題的基本假設(shè)條件出發(fā)，根據(jù)不同條件下的連續(xù)性方程、理想氣體狀態(tài)方程、能量方程、動量方程特征，對相關(guān)公式進(jìn)行仔細(xì)推導(dǎo)。例如，在講解范諾方程和瑞利方程時，往往會引入熱力學(xué)熵方程的推導(dǎo)過程。這就要求學(xué)生不僅能夠?qū)Ω鱾€方程的使用條件、各項(xiàng)參數(shù)代表的意義、不同狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)、簡化和變換關(guān)系等熟練掌握[7]，還需要具有一定的數(shù)理基礎(chǔ)知識，更重要的是需要學(xué)生在課前做好充分預(yù)習(xí)、課上認(rèn)真做好筆記、課后做好及時復(fù)習(xí)，否則難以梳理形成清晰的邏輯思維，掌握繁瑣的公式推導(dǎo)過程，以至于部分學(xué)生出現(xiàn)自暴自棄心理，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果，也十分不利于學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（三）理論性較強(qiáng)，與實(shí)際結(jié)合難

作為一門基礎(chǔ)性較強(qiáng)的理論課，氣體動力學(xué)的授課效果與學(xué)時成正相關(guān)。以哈爾濱工程大學(xué)為例，氣體動力學(xué)課上講授僅有32 學(xué)時，這使得教師在課堂上更加側(cè)重于對相關(guān)概念的講述、公式的推導(dǎo)及典型習(xí)題的分析，難以留出足夠充分的時間講授大量的應(yīng)用實(shí)例，導(dǎo)致部分學(xué)生只會做概念清晰、背景簡單明了的習(xí)題，而對稍有變通或具有一定實(shí)際應(yīng)用背景的習(xí)題一籌莫展、無從下手。例如，對于習(xí)題“子彈以一定速度在槍膛內(nèi)運(yùn)動，假定未受擾動空氣的壓力為101 kPa，溫度為25 ℃，若子彈前正激波的速度為子彈速度的兩倍，則子彈的速度是多少？”，測驗(yàn)結(jié)果表明，約1/6 的學(xué)生無法快速明確解題的思路和關(guān)鍵步驟，約1/5 的學(xué)生不能對相關(guān)公式靈活運(yùn)用。經(jīng)與學(xué)生探討，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生在學(xué)習(xí)氣體動力學(xué)時，受其大量枯燥理論、繁瑣公式的“負(fù)面影響”，往往只是死記硬背相關(guān)關(guān)系式與性質(zhì)，致使其無法將所學(xué)理論知識應(yīng)用于實(shí)際問題分析。

二、CFD 技術(shù)引入氣體動力學(xué)課程教學(xué)的益處

計(jì)算流體動力學(xué)（ComputationalFluid Dynamics，CFD）是通過計(jì)算機(jī)對相關(guān)條件下的系列方程進(jìn)行求解計(jì)算，以獲得復(fù)雜流動過程中的參數(shù)分布和變化，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)后處理和圖像顯示，將求解結(jié)果用云圖或流線的形式展示出來，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)問題的直觀分析和深入研究。基于這一優(yōu)勢，CFD 技術(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于各類課程的教學(xué)中[8-10]。結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)中的大量實(shí)踐結(jié)果，CFD 技術(shù)引入氣體動力學(xué)教學(xué)的益處主要體現(xiàn)在如下三個方面。

（一）抽象概念直觀化，提高理解力

通過利用計(jì)算機(jī)對給定邊界條件下的流動問題進(jìn)行數(shù)值求解，并利用后處理軟件將看不見、摸不到和難以理解的流線分布、激波特征等直觀形象地展現(xiàn)出來，使學(xué)生對抽象概念的認(rèn)知和理解更加深刻，也可加強(qiáng)相關(guān)理論知識與實(shí)際現(xiàn)象的聯(lián)系。此外，學(xué)生還可以根據(jù)個人興趣，通過CFD 十分方便地探究不同邊界條件下的氣體流動參數(shù)變化規(guī)律，不僅包括定性的分析，還可以通過快速讀取出不同位置的參數(shù)進(jìn)行定量研究，大幅提高學(xué)習(xí)的積極性。

（二）代替部分實(shí)驗(yàn)，節(jié)約教學(xué)資源

如前所述，氣體動力學(xué)中的諸多現(xiàn)象（尤其是對于激波、膨脹波等）難以通過簡單實(shí)驗(yàn)測量得到，甚至部分實(shí)驗(yàn)對安全性要求極高，使得開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)存在一定的限制。相比較實(shí)驗(yàn)研究，CFD 數(shù)值計(jì)算所需要的前期準(zhǔn)備工作相對較少，僅通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行適當(dāng)建模、網(wǎng)格劃分、模型選擇、邊界條件設(shè)置和數(shù)值求解運(yùn)算[11]，即可得到相關(guān)結(jié)果。另外，CFD 目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于研究生學(xué)習(xí)和科研中，大量的實(shí)例資源可以為課堂授課提供充分的素材，大大節(jié)省了教學(xué)資源。

（三）利于加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)際問題的分析能力

利用CFD 軟件進(jìn)行實(shí)際問題分析并非簡單的“流程式”操作，而是需要結(jié)合擬研究的問題相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行。例如，在對摩擦流問題進(jìn)行仿真分析時需要充分考慮近壁面網(wǎng)格的處理，在進(jìn)行與激波相關(guān)的計(jì)算時必須對湍流模型和求解方法選取的合理性進(jìn)行評估。這就要求學(xué)生在進(jìn)行CFD 操作之前，需要將實(shí)際工程問題與基礎(chǔ)理論知識進(jìn)行有機(jī)關(guān)聯(lián)，以此提高了學(xué)生分析實(shí)際工程應(yīng)用問題的能力，讓課程中學(xué)到的知識不被快速遺忘。此外，值得指出的是，近年來隨著研究生招生數(shù)量的不斷增長，越來越多的本科生選擇讀碩、讀博進(jìn)行深造，若能夠在本科階段對CFD 進(jìn)行適當(dāng)了解和學(xué)習(xí)，可為其后續(xù)工作和研究奠定基礎(chǔ)。

CFD 作為一種輔助教學(xué)工具，理論上可以從多個層面提高氣體動力學(xué)的授課質(zhì)量，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力。然而，在具體實(shí)踐過程中，需要注意如下幾方面的問題。一是在本科階段（尤其是大三上學(xué)期），能夠靈活運(yùn)行CFD 開展相關(guān)問題研究的同學(xué)相對較少，所以不宜引入十分復(fù)雜的CFD 實(shí)例進(jìn)行教學(xué)，避免學(xué)生將大量時間用于CFD 軟件學(xué)習(xí)而少許時間用于理論學(xué)習(xí)。二是要向?qū)W生傳遞正確的“價值觀”，CFD 軟件僅是用于學(xué)習(xí)氣體動力學(xué)課程的輔助工具，其所得結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于多個方面，避免學(xué)生產(chǎn)生“唯CFD”的錯誤理念。

三、氣體動力學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐

針對氣體動力學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)過程中面臨的抽象概念多、知識點(diǎn)深奧、基礎(chǔ)公式推導(dǎo)量大等問題，充分考慮將CFD 軟件引入課堂教學(xué)的利弊，提出了“厚植基礎(chǔ)理論推導(dǎo)，強(qiáng)化CFD 實(shí)例問題講解，緊密結(jié)合工程應(yīng)用”的教學(xué)模式，如圖1 所示。

圖1 氣體動力學(xué)課程改革思路

（一）厚植基礎(chǔ)理論推導(dǎo)，加強(qiáng)互動環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

為解決氣體動力學(xué)課程學(xué)習(xí)中公式推導(dǎo)多、理論性強(qiáng)的問題，在傳統(tǒng)教學(xué)大綱基礎(chǔ)上，對課程內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，將現(xiàn)有的“一元定常等熵流”“有摩擦和熱交換的一元流動”“激波理論”“二元可壓縮勢流”四部分內(nèi)容歸納調(diào)整為“可壓縮氣體基礎(chǔ)理論”“變截面、有摩擦和熱交換的一元管內(nèi)流動”“激波理論”“膨脹波理論”。此外，為便于學(xué)生能夠更好理解各章節(jié)之間的相關(guān)性，采用“啟發(fā)式”授課方式對知識點(diǎn)進(jìn)行分類、對比講解。例如，對于“變截面、有摩擦和熱交換的一元管內(nèi)流動”部分，首先講授三類問題的實(shí)際應(yīng)用背景和基本特征，其次講授各類問題對應(yīng)的基本方程及其適用性，最后講授各類問題條件下的參數(shù)變化規(guī)律。值得注意的是，很多方程都是在一定約束或者條件下推導(dǎo)得到的，因此要著重注意方程建立的基本原理和適用條件。實(shí)踐效果表明，采用這種方法能夠讓學(xué)生更加有效地理解變截面、有摩擦和熱交換管內(nèi)流動的基本特點(diǎn)，同時也便于學(xué)生在對比中掌握相關(guān)公式、方程的用途和推導(dǎo)過程。進(jìn)一步的，為及時了解學(xué)生對基本概念和知識點(diǎn)的掌握情況，在每一節(jié)課的最后5 分鐘填寫“課堂難點(diǎn)”卡，教師根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果將會在下一節(jié)上課時集中講述（共性難點(diǎn)）或單獨(dú)回應(yīng)（離散難點(diǎn)）。實(shí)踐效果表明，采取這種措施可以大幅增強(qiáng)教師和學(xué)生之間的互動性，有效增加學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的重視程度和參與度，便于教師及時合理調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。

（二）強(qiáng)化CFD 實(shí)例問題講解，提高教學(xué)直觀性

針對氣體動力學(xué)中許多概念過于抽象，且難以通過簡單公式進(jìn)行推導(dǎo)求解的問題，借助CFD 技術(shù)增強(qiáng)對現(xiàn)象的認(rèn)知，顯著提高理論教學(xué)的直觀性。例如，在講授“變截面、有摩擦和熱交換的一元管內(nèi)流動”部分時，通過引入簡單結(jié)構(gòu)的CFD 實(shí)例，讓學(xué)生理解摩擦流動中的邊界層效應(yīng)和加熱流動中的熱邊界層現(xiàn)象，通過將其與變截面管流的相關(guān)特征進(jìn)行有機(jī)集合，使學(xué)生便于牢記不同來流條件下管道不同位置處參數(shù)的變化規(guī)律。在講授正激波和斜激波的相關(guān)知識點(diǎn)時，通過引入科研項(xiàng)目的一些CFD 實(shí)例（例如超燃沖壓發(fā)動機(jī)、激波管實(shí)驗(yàn)臺等），詳細(xì)闡明不同類型激波的產(chǎn)生條件，通過云圖直觀展示激波的結(jié)構(gòu)特征以及激波前后參數(shù)的變化規(guī)律，使學(xué)生對激波的性質(zhì)有更深刻理解。

（三）緊密結(jié)合工程應(yīng)用，增設(shè)案例研討

為提高學(xué)生利用氣體動力學(xué)基本知識分析工程實(shí)際應(yīng)用問題的能力，教師在第一節(jié)課公布“案例庫”（包括“擴(kuò)壓器的巧妙設(shè)計(jì)”“神奇的音障”“身邊的激波”等），學(xué)生可根據(jù)自己的興趣隨機(jī)自由或組隊(duì)選題。在整個課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生結(jié)合自己的選題和教師的授課內(nèi)容，及時收集和閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料，并通過適當(dāng)?shù)睦碚撏茖?dǎo)、CFD 仿真模擬（一般復(fù)雜度不高）等方式，整理歸納出合理的規(guī)律性結(jié)論，形成大作業(yè)。在課程最后一節(jié)課，適當(dāng)選取完成質(zhì)量較高的大作業(yè)開展案例研討，并將其計(jì)入課程考核辦法（見表1）。實(shí)踐效果表明，通過案例分析和研討，可以督促學(xué)生對所學(xué)的氣體動力學(xué)相關(guān)內(nèi)容及時進(jìn)行復(fù)習(xí)、思考，將學(xué)與做進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，大幅提高課程的教學(xué)效果。

表1 氣體動力學(xué)課程考核辦法

四、結(jié)束語

為推動“雙一流”建設(shè)背景下的本科生氣體動力學(xué)課程建設(shè)，本文梳理了該課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的典型問題，剖析了CFD 技術(shù)引入教學(xué)的益處，在此基礎(chǔ)上從教學(xué)內(nèi)容梳理、教學(xué)手段多樣化、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)等方面探討了課程改革的思路和成效，為提高學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化教師的課堂教學(xué)成效，厚植利用理論知識解決應(yīng)用實(shí)際問題的理念提供參考。