应用型本科“计算流体力学”课程改革探索

胡坤

摘要：总结分析了当前计算流体力学课程教学的弊端，在教学内容、教学方法以及考核措施上提出对于应用型本科计算流体力学课程应当以工程应用为目标，减少理论课时的观点，同时提出以工程案例启发方式实施理论教学，以项目驱动方式实施上机实践的课程教学方法；提出以课程大作业方式替代传统闭卷考试的考核方式；有利于提高学生利用计算流体力学处理实际工程问题的能力。

关键词：计算流体力学；课程改革；应用型本科；项目驱动

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）22-0123-02

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一门集成了流体力学、计算数学与计算机科学的交叉学科。计算流体力学的基本思想为[1]：通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和传热等相关物理现象做出系统的分析。随着计算机技术的发展，计算流体力学在各行各业得到了广泛的应用。

《计算流体力学》课程开设的主要目的在于使学生掌握流动及传热问题数值模拟的基本理论与建模思路、掌握常用商用CFD软件的使用方法，能够利用计算流体力学方法解决实际研究问题[2]。课程内容涉及了流体力学理论、数值计算理论、计算机程序设计以及计算软件的工程应用等。课程理论内容较多，学生学习起来较为吃力，常处于被动学习状态，因此需要改进教学策略，培养学生学习兴趣，改被动学习为主动学习[2]。同时该课程还与实际应用联系紧密，如何将理论与工程实际相结合，培养学生解决实际工程问题的能力，也是本课程教学中需要探讨的问题。经过多年在教学过程中的改革和摸索，下面浅谈一下我们在《计算流体力学》课程改革方面的一些探索。

一、计算流体力学课程内容

计算流体力学包含内容甚广，从总体上讲，可按照不同的应用领域分为两个主要方向：

1.将计算流体力学自身作为对象的课程体系。该体系的研究对象为计算流体力学本身，主要以流体力学数学物理模型模型构建、数值离散方法、高性能数值计算算法开发为主要内容，侧重点为计算流体力学理论及其实现方法。

2.以計算流体力学应用为主的课程体系。此体系以如何更好地将计算流体力学方法应用于工程作为研究对象，主要以应用技能为课程目标，侧重点为现实物理问题的简化建模、利用计算机程序解决物理问题以及对计算结果的科学解释等。

对于应用型本科《计算流体力学》课程来讲，应当更多地关注计算流体力学在工程中的应用，将计算流体力学作为一项解决工程问题的工具，培养学生在利用该工具解决实际工程中的流体问题的能力[3]。

二、原有教学方法的弊端

西南石油大学机械工程专业较早开设了《计算流体力学》课程，培养了多届学生，积累了一些宝贵的教学经验。然而，该课程教学方式仍不够成熟，存在一些弊端，教学效果受到影响。这些弊端主要表现为：

1.教学内容偏于理论。在教学过程中，当前的教学内容还延续中传统的计算流体力学的基本内容，即：流体流动控制方程的推导、离散方法及线性方程的解法等，在课程讲解过程中，仍以有限差分法、有限体积法及这些数值算法的收敛性、稳定性、计算精度等方面作为主要的讲解对象，教授过程中涉及到大量的理论推导及数学理论的应用。在教学过程中，学生们普遍反映教学内容难懂难学，枯燥乏味。同时大量的理论教学还影响了上机教学时间。

2.工程实践能力转化不足。当前教学计划中虽然搭配了16个课时的上机教学，但仍显不足。经过多次的上机练习，部分学生能够掌握利用计算流体动力学方法解决工程问题的一般流程，但是大部分学生仍然不具备解决新问题的能力。在上机练习过程中，学生按照教师提供的上机指导书中的计算模型操作完成，而对于计算中非常重要的如计算区域创建、网格划分、数值计算模型选择、边界条件、初始条件及计算控制参数等缺乏自主的思考。针对上述问题，迫切需要对课程进行教学改革，提出新的教学理念，利用合理的教学方式，提高教学质量。

三、课程改革措施

计算流体力学课程改革主要从三方面进行。

1.教学内容改革。以计算流体力学的工程应用为主线，采用案例教学的方式培养学生利用计算流体力学方法解决工程实际问题的能力。具体改革内容包括：（1）减少理论推导，强化物理问题的分析。对于如流动控制方程的推导、各种数值离散方法的推导以及离散方法的敛散性证明等内容不作为重点讲授内容。强化对于物理现象的理论分析及利用计算流体力学方法解决工程问题的能力，将计算流体力学所涉及的物理现象其分为4个专题：①基本流动问题。②传热问题。③多相流问题。④组分输运问题。（2）完善上机内容。修改上机实验指导书，确保指导书中的上机案例的完整性，每一个案例均包含计算流体力学方法解决工程问题的所有过程，这些过程为：①工程问题的物理表达及简化。②流体计算域创建。③计算网格划分。④计算模型选择。⑤计算后处理。

2.教学方法改革。在明确了教学内容之后，剩下的问题就在于“如何教”上[4]。对于面向工程实践的计算流体力学课程体系，区别于以前理论为主的课程体系以课堂教学为主上机为辅的教学方式，提出以下的教学方法改革措施：（1）以工程案例启发方式进行理论教学。面向工程实践的计算流体力学课程体系包含少量的理论教学内容。在教学组织过程中，理论教学内容始终贯穿“以工程应用为主”的指导思想，尽量弱化理论推导过程，重点讲解理论公式的应用方式以及在应用过程中应当注意的内容。（2）以项目驱动方式进行上机教学。通过对之前的上机模式进行改革，采用以项目驱动的方式进行上机教学。教师在上机教学中可以将3—4名学生分为一个讨论小组，为每个小组布置不同的课题，让学生们在认真研究和理解文献的基础上，找出具体的切入点深入研究，并在课堂上分批次地汇报各自小组的研究内容，包括物理问题的简化，数学模型的建立，具体的求解过程及参数设置，以及结果的详细分析及讨论。

3.考核方式改革。传统的计算流体力学考试为闭卷考试，最终考核成绩为卷面成绩占比70%，上机成绩占比30%，很难看到创新的教学改革手段体现在学生身上的效果，因此，提出对原有的考核方式进行改革，不再实施闭卷考试，改为以最终课程大作业为成绩考核对象。选择有代表性的工程问题作为结课大作业，学生以提交结课报告及答辩的形式完成课程考核。考核内容及成绩为：在100分的总成绩中，结课报告占70分。其中，对物理问题的抽象简化及物理模型的选择是否全面、准确占30分；报告的逻辑结构是否清晰占20分，文献检索内容占20分，论文报告要求内容翔实、全面；答辩过程中语言表达占20分。以上课程考核措施的制定，都是以调动学生学习计算流体力学课程的积极性为首要前提，旨在提高他们的解决实际工程问题的能力。

四、总结

本文针对应用型本科《计算流体力学》课程教学改革方式进行了探讨，总结了现有的教学方式方法存在的弊端，并在此基础上提出对于应用型本科计算流体力学课程应当以工程应用为目标，减少理论课时的观点，同时提出以工程案例启发方式实施理论教学，以项目驱动方式实施上机实践的课程教学方法；提出以课程大作业方式替代传统闭卷考试的考核方式，有利于提高学生处理工程问题的能力。

参考文献：

[1]蒋光彪，等.CFD软件及源程序辅助工程流体力学课程教学的探索与实践[J].高等建筑教育，2015，（05）：154-157.

[2]歐益宏，易兰，齐胜，班贵振，杜扬，蒋新生，梁建军.基于自主学习的研究生专业基础课程教学策略探索——以“计算流体力学”为实践[J].重庆交通大学学报：社会科学版，2014，14（1）：124-127.

[3]章大海，周昌静.以学生为主体的计算流体力学课程教学思考_章大海[J].教书育人：高教论坛，2015，12（30）：78-79.

[4]王莹，孙晓晶.CFD数值模拟在计算流体力学项目驱动实践教学中的应用[J].教育教学论坛，2016，31（6）：146-147.

Exploration of Computational Fluid Dynamics Curriculum Reform to Application-oriented University

HU Kun

（School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

Abstract：Promote ideals computational fluid mechanics course should be aimed at the engineering application and reduce the theory based on analysis the disadvantages of the current teaching process.with the driving mode of project implementation of the practice of the course teaching methods；Put forward to replace traditional large assignments way request for examination of the appraisal way；To improve students the ability to deal with practical engineering problems by using computational fluid dynamics.

Key words：computational fluid dynamics；curriculum reform；application-oriented university；project driven