AI技術(shù)助力“流體力學(xué)”課程教學(xué)提質(zhì)增效的研究與實(shí)踐

[基金項(xiàng)目］2023年度浙江省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目“沿海平原高速水路智能調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究”（LZJWZ23E090009）

[作者簡介]（1989—），女，浙江紹興人，博士，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院研究員，主要從事城市排水管網(wǎng)水動(dòng)力特性研究；（1986—），男，湖南岳陽人，博士，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究員，主要從事計(jì)算機(jī)視覺及其在混合現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用研究；（1982—），男，湖南耒陽人，博士，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院研究員（通信作者），主要從事城市供排水管網(wǎng)的模擬和優(yōu)化調(diào)度與控制研究。

[中圖分類號(hào)]G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A [文章編號(hào)]1674-9324（2025）31-0125-04 [收稿日期］2024-06-10

當(dāng)今人工智能（AI）技術(shù)正在以驚人的速度不斷突破和發(fā)展。2022年11月，美國人工智能研究公司OpenAI發(fā)布了一款名為ChatGPT的聊天機(jī)器人，它能夠通過學(xué)習(xí)和理解人類的語言來進(jìn)行對(duì)話，完成文案、代碼等復(fù)雜的文本任務(wù)。以ChatGPT為代表的大型語言模型（LLM），以其強(qiáng)大的語言理解和生成能力大幅擴(kuò)展了AI的應(yīng)用場(chǎng)景，標(biāo)志著AI的發(fā)展進(jìn)人了一個(gè)新高度。AI技術(shù)正在深刻地改變著我們的生活、工作和社會(huì)結(jié)構(gòu)。在這樣的背景下，AI賦能課程教學(xué)已經(jīng)成為大學(xué)教育教學(xué)新范式的研究熱點(diǎn)。“流體力學(xué)”是水利水電工程、航空航天工程等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，課程內(nèi)容較為抽象、理論性強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難免覺得枯燥難懂。如何提升課程教學(xué)趣味性、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，是眾多教師不斷探索的課題。本文以“流體力學(xué)”課程教學(xué)為例，闡述AI技術(shù)助力高校課程教學(xué)提質(zhì)增效的典型路徑，以期為相關(guān)的教育教學(xué)改革提供參考。

一、AI技術(shù)在高校教學(xué)中的整體應(yīng)用現(xiàn)狀

AI技術(shù)已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)高校教育教學(xué)發(fā)展的新變量[1]。AI技術(shù)強(qiáng)大的分析和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力能夠基于數(shù)據(jù)為教學(xué)決策提供支持，并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況制訂個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案。此外，AI技術(shù)豐富的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)可以提升學(xué)習(xí)趣味性，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。美國學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心大力資助 AI⁺ 教育相關(guān)研究，探索AI賦能教與學(xué)的新型規(guī)律與實(shí)踐路徑。美國學(xué)校網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《基礎(chǔ)教育創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力報(bào)告（2024）：挑戰(zhàn)、趨勢(shì)、技術(shù)工具》認(rèn)為，生成式人工智能改變了學(xué)生學(xué)習(xí)方式和內(nèi)容，驅(qū)動(dòng)了教育領(lǐng)域變革。

我國早在2017年7月發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》便提到了“ AI⁺ 教育”的發(fā)展問題。2018年1月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于全面深化新時(shí)代教師隊(duì)伍建設(shè)改革的意見》（以下簡稱《意見》），要求教師主動(dòng)適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革，積極有效開展教育教學(xué)。為貫徹落實(shí)《意見》，深入推進(jìn)人工智能等新技術(shù)與教師隊(duì)伍建設(shè)的融合，2018年8月，教育部開展人工智能助推教師隊(duì)伍建設(shè)行動(dòng)試點(diǎn)工作，以滿足深化教師隊(duì)伍建設(shè)改革、推動(dòng)智能教育、實(shí)施教育信息化

2.0行動(dòng)計(jì)劃等要求。2019年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》提出加快信息化時(shí)代教育變革，涵蓋了建設(shè)一體化智能化教學(xué)、管理與服務(wù)平臺(tái)，推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革，創(chuàng)新教育服務(wù)業(yè)態(tài)，建立數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制，推進(jìn)教育治理方式變革等多個(gè)方面。

我國各大高校積極探索AI技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用。清華大學(xué)基于“千億參數(shù)多模態(tài)大模型GLM”研發(fā)了多個(gè)AI助教系統(tǒng)，并已初步投入使用。該系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)支持、智能評(píng)估和意見反饋。北京師范大學(xué)設(shè)計(jì)了智能育人助理，利用AI任務(wù)導(dǎo)向型對(duì)話系統(tǒng)技術(shù)和基于知識(shí)圖譜的推理技術(shù)，基于不同教學(xué)數(shù)據(jù)定義知識(shí)模式，通過自然語言交互進(jìn)行知識(shí)的獲取和融合[2]。西安交通大學(xué)在大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)教育的體系化改革中，融人人工智能等新一代信息技術(shù)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生“計(jì)算思維”能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)差異化的賦能教育，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向[3]。

在當(dāng)前AI技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，高校教育教學(xué)變革面臨的一大思考就是，如何更好地利用AI技術(shù)，將以教師、教材為中心的傳統(tǒng)教學(xué)方式，轉(zhuǎn)型到以學(xué)生為中心的新型教學(xué)模式，在引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識(shí)、深化理解各項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、認(rèn)識(shí)問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐和探索精神的優(yōu)秀人才。

二、AI技術(shù)在“流體力學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用場(chǎng)景探索

“流體力學(xué)”是水利、土木、環(huán)境類等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，包含流體力學(xué)的基本概念、基本理論、基本計(jì)算方法和基本實(shí)驗(yàn)技能。本節(jié)將對(duì)AI技術(shù)在“流體力學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行探索，為教學(xué)改革和創(chuàng)新提供思路和方法。

（一）基于AI的教學(xué)素材制作

相比于先前的搜索引擎，以科大訊飛、Chat-GLM、文心一言等為代表的生成式AI模型具有更好的語言理解能力[4，能夠高效、準(zhǔn)確地完成指令和需求。采用AI技術(shù)能夠有效幫助教師提升課件和教案等材料的制作效率，呈現(xiàn)出更為豐富的課堂內(nèi)容。以訊飛智文為例，其AIPPT功能能夠基于輸入的主題、核心信息及聽眾層次等需求自動(dòng)生成PPT的大綱和內(nèi)容。對(duì)于“流體力學(xué)”課程資料制作，可以向訊飛智文輸人課程教學(xué)大綱和重要知識(shí)點(diǎn)智能形成PPT初稿，然后結(jié)合教師本人的授課思路和邏輯對(duì)內(nèi)容進(jìn)行修改潤色，由此大幅縮減課程PPT制作所需的時(shí)間。

AI技術(shù)具備強(qiáng)大的數(shù)字信息檢索能力，這使得它能夠高效地搜索和篩選出課程所需的案例素材，如流體力學(xué)的發(fā)展歷史故事、學(xué)科杰出人物的事跡介紹、我國典型的工程案例等。此外，AI技術(shù)能夠生成多種類型的素材，包括文本、圖像、音頻、視頻等，滿足“流體力學(xué)”課程中不同知識(shí)內(nèi)容的教學(xué)需求。這些案例和多媒體素材的補(bǔ)充能夠激起學(xué)生對(duì)課程的興趣，進(jìn)一步開闊學(xué)生的視野，并引導(dǎo)學(xué)生積極思考，培養(yǎng)專業(yè)知識(shí)扎實(shí)、具有情懷的創(chuàng)新型人才。除此之外，“流體力學(xué)”課程內(nèi)容中還有一些概念和現(xiàn)象都是動(dòng)態(tài)的，理解起來較為抽象，如流體在管道中突然關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的壓力波（水錘效應(yīng)）流體渦旋的運(yùn)動(dòng)以及湍流現(xiàn)象等?；贏I的流體力學(xué)計(jì)算可以高效地生成流體流動(dòng)的3D可視化虛擬模型，幫助學(xué)生直觀地理解復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。

（二）基于AI的課堂互動(dòng)

AI技術(shù)在“流體力學(xué)”課堂互動(dòng)中高效助力可以通過以下三種途徑展開。第一，分析師生的面部表情、語言和課堂行為來評(píng)估他們的參與度和情感狀態(tài)，對(duì)課堂狀態(tài)進(jìn)行感知和記錄，并依此給出課堂教學(xué)建議并調(diào)整教學(xué)策略。第二，AI技術(shù)能夠?qū)Α傲黧w力學(xué)”課程中的問題進(jìn)行快速近似求解，并實(shí)現(xiàn)結(jié)果可視化，有助于提升學(xué)生對(duì)流體力學(xué)概念和公式的認(rèn)知。例如，讓學(xué)生向求解算法中輸入流體力學(xué)公式中的所需參數(shù)值，實(shí)時(shí)計(jì)算模擬流速、壓力分布、渦旋等流體現(xiàn)象，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的消化和理解。第三，通過建設(shè)以AI驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化交互式學(xué)習(xí)平臺(tái)，可以將學(xué)習(xí)變?yōu)橐粋€(gè)動(dòng)態(tài)的互動(dòng)過程。

總之，采用AI技術(shù)，強(qiáng)化“流體力學(xué)”課堂互動(dòng)，給學(xué)生提供及時(shí)的反饋和深入淺出的知識(shí)解釋，增強(qiáng)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的參與感和實(shí)踐能力，能夠有效提高教學(xué)質(zhì)量。

（三）AI智能助教

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)活動(dòng)中，教師與學(xué)生往往是一對(duì)多的關(guān)系，這樣的情形使得教師難以記住每名學(xué)生的學(xué)情和特點(diǎn)，因材施教的針對(duì)性不足。

比如，“流體力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，這使得一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程遇到問題時(shí)容易產(chǎn)生畏難與逃避的心理，而知識(shí)是環(huán)環(huán)相扣的，問題的積累會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)進(jìn)度受阻，影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。采用AI充當(dāng)課堂助教，以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和分析能力精確掌握每名學(xué)生的學(xué)習(xí)畫像，進(jìn)而提供個(gè)性化的知識(shí)講解，能夠有效緩解這個(gè)問題。

AI智能助教的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，以文本或語音的形式與學(xué)生進(jìn)行交互，可以回答學(xué)生多次的質(zhì)疑和追問；第二，支持多種語言交互，幫助非母語學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，也能夠高效地翻譯國外經(jīng)典的流體力學(xué)書籍文獻(xiàn)，為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)資源；第三，AI所提供的解答不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，也不會(huì)因?yàn)槠诨蛘咧饔^性有所變化。除了答疑解惑，AI技術(shù)還可以根據(jù)課堂表現(xiàn)、作業(yè)和測(cè)驗(yàn)分?jǐn)?shù)等綜合分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，智能生成學(xué)生的學(xué)情管理檔案。基于此，可以在教學(xué)過程中安排定期的評(píng)估和反饋環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)材料和難度，制訂更適合的授課計(jì)劃確保學(xué)生始終處于最佳學(xué)習(xí)狀態(tài)。

（四）AI在“流體力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的“流體力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴于在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)操作和教師講解的方式。隨著智能時(shí)代的到來，開展基于AI的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是利用AI助力“流體力學(xué)”課程教學(xué)提質(zhì)增效的重要環(huán)節(jié)。在AI技術(shù)的支持下，“流體力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在形式和內(nèi)容上能夠有多元化的創(chuàng)新和突破，不再拘泥于簡單地在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)完成教學(xué)。比如，通過AI技術(shù)構(gòu)建虛擬平臺(tái)，讓實(shí)驗(yàn)仿真走進(jìn)課堂，通過可視化的互動(dòng)技術(shù)降低傳統(tǒng)“流體力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)仿真模擬的操作難度，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程進(jìn)行探索，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，豐富實(shí)驗(yàn)課程的形式。此外，相較于物理實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真技術(shù)可以大幅拓展實(shí)驗(yàn)條件，有效控制變量精度，促使學(xué)生更全面地掌握實(shí)驗(yàn)原理，加深對(duì)基本理論知識(shí)的理解。

三、AI技術(shù)助力“流體力學(xué)”課程的教學(xué)實(shí)踐

本次教學(xué)實(shí)踐在28人的小班中進(jìn)行，以“流體力學(xué)”課程中圓柱繞流卡門渦街的講授為例，介紹AI技術(shù)在“流體力學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用。本次實(shí)踐主要以物理實(shí)驗(yàn) +AI 虛擬仿真的教學(xué)方式進(jìn)行，具體路徑闡述如下。

首先，以虎門大橋“跳舞”事件為例，引人圓柱繞流卡門渦街的問題。據(jù)報(bào)道，2020年5月，廣東虎門大橋懸索橋橋面發(fā)生明顯振動(dòng)，影響交通安全。經(jīng)專家組判斷，虎門大橋懸索橋振動(dòng)主要原因是沿橋跨邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置的“水馬”在風(fēng)場(chǎng)中產(chǎn)生了橋梁渦振現(xiàn)象。渦激振動(dòng)是風(fēng)經(jīng)過物體后，在物體背后產(chǎn)生周期性的旋渦脫落，由此對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性強(qiáng)迫力的過程，從而引出與之相關(guān)的流體力學(xué)經(jīng)典現(xiàn)象之一一卡門渦街。

其次，播放卡門渦街的物理實(shí)驗(yàn)視頻，向?qū)W生展示不同來流速度下實(shí)驗(yàn)中觀察到的流態(tài)。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，結(jié)合圓柱繞流流動(dòng)圖解與邊界層理論分析，向?qū)W生闡釋卡門渦街產(chǎn)生的基本原因以及影響因素。此外，向?qū)W生講述更多的類似現(xiàn)象，比如美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋崩塌事件、渦街流量計(jì)工作機(jī)理以及風(fēng)弦琴發(fā)聲原理等，以進(jìn)一步夯實(shí)學(xué)生對(duì)卡門渦街的理解。

最后，采用AI中的PINN算法建立圓柱繞流經(jīng)典算例。物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（physics-informedneuralnetworks，簡稱PINN）是一種結(jié)合了深度學(xué)習(xí)和物理原理的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。PINN算法的求解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型，在課堂上進(jìn)行模型計(jì)算完全可行。在本次課程實(shí)踐中，向?qū)W生提供基于PINN的多工況圓柱繞流流場(chǎng)計(jì)算代碼，在講解各個(gè)參數(shù)在代碼中的輸人方式之后，引導(dǎo)學(xué)生在電腦上自行運(yùn)行PINN算法，短時(shí)間內(nèi)便可獲取圓柱繞流生成的卡門渦街仿真結(jié)果。通過變換來流條件，學(xué)生可全面了解不同程度的邊界層分離現(xiàn)象。物理實(shí)驗(yàn)與AI虛擬仿真技術(shù)相融合的授課方式，不僅大幅增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了課堂討論的活躍度，而且顯著強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收理解，提高了授課質(zhì)量。

四、AI技術(shù)應(yīng)用局限性分析

當(dāng)前，AI技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用展現(xiàn)了諸多優(yōu)點(diǎn)，顯著提升了教學(xué)質(zhì)量和效果，突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式的諸多局限。但是AI技術(shù)的應(yīng)用仍然存在一定的局限性，需要關(guān)注和解決，主要包括：在數(shù)據(jù)隱私與安全方面，AI技術(shù)收集和使用大量學(xué)生數(shù)據(jù)，可能帶來隱私和安全問題，如果數(shù)據(jù)管理不當(dāng)，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露或?yàn)E用；在技術(shù)壁壘與成本方面，AI技術(shù)的實(shí)施和維護(hù)需要較高的成本和技術(shù)支持，對(duì)于資源有限的學(xué)校和地區(qū)來說，可能缺乏必要的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)人員，難以負(fù)擔(dān)；在學(xué)習(xí)模式的限制方面，雖然AI可以提供豐富的資源，但某些課程和技能的學(xué)習(xí)仍然需要親身實(shí)踐和人際交流合作，AI無法完全替代傳統(tǒng)的教學(xué)方法。

結(jié)語

在當(dāng)前時(shí)代背景下，AI技術(shù)助力課程教學(xué)提質(zhì)增效是國內(nèi)外高校教育教學(xué)改革的關(guān)注熱點(diǎn)。國家政策大力支持打造AI賦能的新型教學(xué)新范式。本文圍繞高?！傲黧w力學(xué)”課程教學(xué)，闡述了AI技術(shù)的應(yīng)用效果：它能夠提升教學(xué)素材的制作效率；能夠?qū)⒊橄蟮睦碚摳拍羁梢暬?、直觀化，強(qiáng)化課堂互動(dòng)；能夠充當(dāng)課堂助教，精確掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)畫像，提供個(gè)性化的知識(shí)講解；能夠拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍，增強(qiáng)教學(xué)趣味。具體地，本文以“流體力學(xué)”課程中圓柱繞流卡門渦街的講授為例，介紹了AI技術(shù)在“流體力學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐表明，借助AI技術(shù)，采用物理實(shí)驗(yàn) +AI 虛擬仿真的教學(xué)方式，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，顯著提高授課質(zhì)量。但是，AI技術(shù)也存在一定的局限性，需要全面考慮，合理應(yīng)用。

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Research and Practice of ApplyingAI Technology to Improving the Teaching ofFluid Mechanics MA Yi-yia，ZHOUXiao-weib，ZHENGFei-fei， ZHANG Yana （a. College of Civil Engineering and Architecture，b. College of Computer Science and Technology， Zhejiang University，Hangzhou， Zhejiang 31oo58， China）

Abstract： Application of artificial intelligence （AI） to teaching has become a popular research topic among universities.This paper firstintroduces the overallapplicationofAI technology inthe teaching ofuniversities，and thenanalyzes itsapplicationinthepreparationof teaching materials，enhancementofteacher-students’interactions， after-classassistant，and experiment teaching regardingfluidmechanicscourses.Finall，theteaching practice with AI technology for Karmanvortex street is takenasan example，which wascarriedout inthe modeof“physical experiment + AI virtual simulation”.With the helpofAI technology，thismethod is verified thatitcan enhance students’enthusiasm for learning，strengthen knowledge absorption and understanding，and improve teaching quality and efficiency.

Key words： AI technology; Fluid Mechanics; teaching reform; improvement of teaching quality and efficiency