项目驱动式教学方法在空气动力学课程中的应用探索

张伟

【摘 要】针对空气动力学课程中传统教学模式存在的问题，提出了实际项目驱动的教学模式。在空气动力学方向相关课程的教学中，以计算流体力学的数值模拟为主要手段，结合相关工程项目进行教学实践，以完成实际工程项目来促进教学水平的提高，以培养学生联系实际学理论，在实践中体验和学习理论，在应用中形成技术应用能力，以提高学生的岗位核心能力和创新能力。

【关键词】项目驱动；空气动力学；教学

0 前言

空气动力学是工科院校中力学类、航空航天类、飞行器设计类等专业的专业必修课。它是研究空气运动规律及其应用的学科，在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。空气动力学学科经历了几个世纪的演变，如今形成了实验测试、理论解析和数值模拟方法三足鼎立的局面。

计算流体力学（简称为CFD）是建立在经典流体力学与数值计算方法基础之上的一门学科，它通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它是流体力学的一个分支，用于求解固定或变化几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程，并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD作为一种研究工具，它可以形象的展示流场的内部结构，从机理的角度解释相应流动的特点。

总之，CFD在现代生活和生产中的很多方面正在发挥着巨大的作用，对空气动力学工作者的工作方式已经产生了巨大的影响。针对空气动力学课程的教学，本文探索了以CFD技术为手段，结合工程项目来促进教学的教学方式。

1 教学改革的必要性

目前，国内大多数院校将空气动力学作为本科阶段的必修课，目前空气动力学学科体系教学中存在的一些问题，有必要增加一部分CFD教学的内容。多年以来，空气动力学本科教学内容主要是经典的流体力学理论和传统的实验分析方法，且偏重于理论分析和对理论进行验证性实验，教学内容比较抽象和单一，不能反映当前空气动力学学科发展的趋势，不利于提高学生的学习能力和培养学生的创新能力。同时，整个流体力学课程在建立了基本控制方程后，就开始转而从一些特殊的流动出发，采用根据流动特点进行简化的方式，先建立物理模型，再得到数学模型，进而得到我们在书中经常看到的很多“理论”，比如不可压无旋流、旋涡动力学、水波动力学、气体动力学等等，甚至理论中还包括理论，比如不可压无旋流中还有自由流线理论，等等。形成一个类似于俄罗斯套娃的学科结构，这种结构容易给人一种支离破碎的印象。如果在空气力学课程后续学期增加一些CFD的内容，会使得学生对方程描述的重要性有个很好的认识。因为方程描述只是一部分，还必须要求解后才能得到各种物理量的分布，从而对问题进行相应的分析。而且，CFD课程也能和实验课程进行很好的配套，比如层流到湍流的转淚实验，弯管中的流动实验等，借助于CFD技术中的图片、动画来展示流场结构，有利于培养学生产生数值模拟工作的兴趣，激发学生的积极性。

另一方面，毕业设计是本科教学中的重要一环，也是最后一环。毕业设计的目的之一就是让学生们综合运用以前所学的各种知识，进行一次完整的科研训练，以提高学生们独立分析和解决实际问题的能力，为以后从事科研工作打下一定的基础。现在，毕业设计中数值模拟的题目越来越多，而学生们没有接触过数值模拟，往往都是从毕业设计开始时才开始了解CFD的相关知识，学习相应的软件，这无疑会影响到毕业设计的进度，为了提高毕业设计的进度和题目的完成质量，有必要在大学的培养阶段讲授相关的CFD知识。

基于此，国内外部分院校在本科阶段已经开设了CFD相关课程，如斯坦福、中科大等知名院校。由于CFD基础理论知识比较复杂，且本科毕业设计中关于数值模拟的题目大都是商业软件的应用计算，而且学生们没有相关计算方法课程的基础，所以在本科阶段的CFD课程应以软件的应用为主。

2 教学改革的方法与内容

空气动力学专业方向相关课程包括空气动力学、风工程、计算流体力学、飞行器设计等。在该系列课程的教学中，始终以计算流体力学的数值模拟为主要手段，以完成“风能发电在建筑中的应用”等相关项目为目标，以促进学生对课程基础知识的掌握，并培养学生理论与实践交融结合，解决实际工程问题的能力。整个过程主要分为学科基础验证性项目、应用型工程项目和综合性科研项目三个阶段：

第一阶段：以理论教学为主的专业基础知识（如空气动力学、风工程等课程）学习阶段，重点是夯实基础，改变学生的学习方式，提升学生的专业知识和技能素养。

第二阶段：宽口径的专业技术基础知识（如计算流体力学、风工程应用软件等课程）学习阶段，注重专业理论与实践相结合，使学生掌握专业技术基础理论和基本实践动手能力培养学生分析问题和解决实际问题的能力，全面拓展学生的相互协作及各方面的综合素质。

第三阶段：结合“风能发电在建筑中的应用”相关项目，采用项目教学手段进行专业理论与实践的密切结合，完成毕业设计的内容，注重学生的实践能力和个性发展，创新意识与综合素质的全面提高。

在教学过程的不同阶段，所完成的内容的侧重点应有所区别。如第一阶段，通过教师的指导，以学科实验性项目为主要内容，使学生通过数值模拟的手段熟悉并加深理解相关专业基础知识，掌握基本的完成任务的科学方法。完成的项目内容包括“NACA系列翼型的气动性能的数值计算”、“二维不同形状钝体绕流卡门涡街的数值模拟”等；第二阶段，通过教师的指导，以专业实践为主要内容，结合实际工程项目，完成一些专业应用项目。项目内容包括“某垂直轴风机的气动性能的数值计算”、“某高层建筑绕流流场的数值风洞模拟”等。第三阶段，学生参与教师科研项目研究过程中，以接触到课程以外的综合性科研课题或新问题，整理项目资料及各种计算数据、形成一份研究报告，并最终以论文的形式发表。项目内容包括“集成垂直轴风机的高层高层建筑绕流流场的数值模拟”、“增强型垂直轴风机的气动性能的优化与设计”等。

3 教学效果

采用项目驱动式的教学方法，在教学过程发现中有以下优势：

（1）采用数值模拟的手段，结合学科知识点的实验性验证项目，通过数值模拟方法的可视化后处理技术，使学生加深理解了相关专业相对枯燥的基础知识点。

（2）项目内容由浅入深，从基础知识到专业知识均有涉及，使学生对相关知识有全面的掌握。

（3）项目驱动的教学方法超越了单纯的专业知识掌握，立足于学生学习能力的培养、以学生的自主性探索性学习为基础，采用科学研究及实践的方法，充分调动学生的学习积极性和主动性，培养学生的自学能力以及分析问题和解决问题的能力，能够激发和提升他们协作、创新、探索的精神，解决了在传统教育下学生理论知识有余，而实际动手能力和实践经验不足的弊端。

以上的观点及做法是个人及相关同事在多年的教学过程中，对空气动力学教学改革提出的一些肤浅看法。在已经实践的过程中看出，该方法能激发学生自主学习的能力，提高学生工程应用能力，有良好的教学效果。

【参考文献】

[1]徐雅斌.项目驱动教学模式的研究与实践[J].辽宁工业大学学报，2011，13：125-130.

[2]付焕森.基于工程应用型人才培养的项目驱动教学与研究[J].大众科技，2012，

14：127-129.

[责任编辑：王楠]