流体数值实验教学软件的初步构建

张殿新+武春彬+李宪莉+张蕊

摘 要 本文结合流体力学课程的特点，设计并构建了流体数值实验平台的教学软件。流体数值实验平臺分为基础实验、拓展实验和工程实践三部分。平台采用文字、图片、动画、录像、数值模拟和互动等形式，解决了流体力学课程过于抽象化、理论化的的问题，能够激发学生对流体力学课程的兴趣，増强学生对知识的理解，开阔学生的视野，提升学生的学习能力。

关键词 流体数值实验平台 基础实验 拓展实验 工程实践

中图分类号：G434 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.12.023

Abstract In this paper， the teaching software of Fluid Numerical Experiment Platform is developed according the characteristics of fluid mechanics. The platform is divided into basic experiment， expanding experiment and engineering practice. Many methods， such as text， images， animation， video， and numerical simulation were adopted to solve the problem that the course of fluid mechanics is too abstract and theoretical. This platform can arouse students' interest in the course of fluid mechanics， strengthen the students' understanding of basic knowledge， expand the scope of students' knowledge， and enhance the students' ability.

Keywords Fluid Numerical Experiment Platform； basic experiment； expanding experiment； engineering practice

0 引言

流体力学是力学的一个分支，是各高校的土木工程、能源环境、给排水、建筑设备、石油化工等专业普遍开设的专业基础课程。它在航空、航天、水利、流体机械等领域都有广泛的应用。该课程所涉及的基本理论对专业课的学习、课程设计以及毕业设计都具有非常重要的理论支撑和指导意义。[1-4]

流体力学是我校建筑环境与能源应用工程、能源动力工程和安全工程专业的基础课程，也是给排水工程、环境工程和土木工程的专业的必修课程。我校流体力学课程经过多年的建设与发展，积累了大量的教学资料和教学经验，成立了流体教研室，培养了一支专业化的教师队伍，取得了一定的成果，2017年流体力学课程被评为校优秀课程。流体力学课题组经过多年的工作发现流体力学存在理论性强、概念抽象等特点，传统理论教学和实验教学已不能充分激发学生的兴趣，流体数值实验平台针对传统教学中的问题，采用图像、声音、动画、录像等多种形式呈现流体力学的理论和方法，以引起学生的好奇心，增强学生的求知欲。

1 流体教学中的关键问题

作者已经从事流体力学教学工作近十年，发现学生对认为流体力学晦涩难懂，十分枯燥，因此对流体力学教学中一些关键问题总结如下：

（1）研究对象抽象：研究对象不像其他力学一样是一个固定不变的物体，而是看不见摸不着的气体或形状易变的液体，且描述流体特征的一些概念像流体质点、连续介质假设、流线等也比较抽象。

（2）研究方法新颖：由于研究对象的抽象性，研究流体常采用微元体法，微元体法是首先分析流体微团然后扩展到整个流体的理论，当本科生第一次接触微元体法时很难一下子被理解。

（3）理论性强：流体力学是以高等数学、大学物理、工程力学等课程为基础的，涉及数学的微积分方法、物理的基本定律等理论知识。如果学生前期基础不好，那么他们接受相关知识会有一定困难。

（4）知识点引入方式抽象：通常人们接受知识的能力是从简单到复杂，由具体到抽象，而流体力学知识点的引入通常从纯粹数学角度展开，即从抽象到具体，使学生接受困难。

2 数值实验平台建设的意义

鉴于上述特点，如何激发学生的兴趣，使抽象问题具体化成为流体力学教学的一个重要问题。传统的流体力学分为理论教学和实验教学两部分：目前课堂教学通常采用多媒体结合板书，由于流体力学的内容抽象、理论性强，多媒体的运用效果对激发学生的兴趣，增强学生对知识的进一步理解尤为关键；实验教学通常先是教师讲解，然后分组做实验。由于实验台数的限制，学生需要分组进行实验，每个学生不能操作到所有实验环节；同时教师讲解时学生也不能全角度观察实验操作；并且实验教学受到学时的限制，实验的内容不能过多。流体数值教学平台可以弥补教学和实验的不足，采用图片、文字、动画、录像互动、数值模拟等具有视觉效果的形式，激发学生对课程的兴趣，增加学生对知识的理解，突出教师的讲解的重点，还可以进一步补充教学内容。

3 数值实验平台的建设

从狭义上讲数值实验就是将实际问题用数学方程来描述（控制方程、初始条件和边界条件），再将流体区域离散化（前处理网格的离散），用数值解代替解析解（离散方程的求解），最后将解显示出来（后处理数值解的显示）。[5-8]这些过程都有专门的软件可以进行，例如前处理软件Gambit、icem-cfd等，求解方程得软件fluent、start_CD等，后处理软件techplot、Origin、fluent自带的后处理软件等。这些软件解决了原来不能描述的部分问题，学习这些软件不仅需要大量的时间，而且需要扎实的流体力学知识和数值模拟的思维方式，而本科生的学习时间和精力都十分有限，最终对学习流体力学课程学习效果并不十分明显。为了能辅助本科生理解流体力学的课程，采用图形、动画、加少量模拟的方法不仅能激发他们的学习兴趣，而且扩大他们的知识面。因此本文所提出的数值实验是广义上的数值实验，即是以仿真形式，将图片、动画、视频和简单的数值模拟方法引入实验平台，以加强学生对基础知识的理解，扩大本科生的知识面。endprint

3.1 数值实验平台的总体构架

根据流体力学的知识结构，设计数值实验平台的总体构架如图1所示，将整个数值实验平台分为三部分：基础实验、拓展实验和工程实践。基础实验分为与实验课程配套的操作性实验和针对课程的重点难点内容的演示性实验。演示性实验是对流体力学基础知识以及基础实验的分解和加深，特别是对课程中的重点难点，通过一些动画、录像、图片等把问题分层次讲解，突出问题的本质。操作性实验是与实验课程配套的录像、动画，减少了教师在实验课中的讲解，从而利用多余的学时进行一些讨论。拓展实验是对课堂以外的理论、自然现象、生活小常识中的流体力学问题的介绍，还包括流体力学的历史、人物介绍，丰富学生的知识。工程实践是与教师的研究课题的对接，主要对实际工程、研究项目等的介绍。三部分相互联系，相互促进：基础实验是对基础知识的理解，是拓展实验和工程实践的基础；拓展实验是对基础实验的辅助和补充；工程实验和拓展实验是对基础实验的进一步应用（图1）。

3.2 数值实验平台素材整理

数值实验所需要的素材包括文字、表格、图片、动画、视频、流程图等多种形式，来源主要包括网络、调研、交流、制作、照相、数值模拟等。因此素材收集是一项长期而繁琐的事情，它主要来自教师长期教学经验和成果的积累。目前我校从事流体力学教学工作的教师一共有7名，都是具有3年以上的教学经验，经过长期的有意识的收集，已经形成一定的教学素材，但要丰富数值实验平台还需要进一步的积累。

素材仅仅是数值实验平台的一个组成单元，如何用素材来展现流体力学中每个知识点是一项重要工作，即素材的整理。如果说素材收集繁重，那么素材整理不仅繁重，而且非常复杂的工作，它需要设计者的条理性、理解力、想象力和创造力。首先要分清素材哪一类实验，其次要分清属于哪个知识点，再次对同一知识点的素材要怎样组合才能更生动有趣的表现知识点的内容，而且突出要领，最后还要考虑怎样互动形式能引起学生的兴趣。总结起来包括素材的分类、整合、制作、互动四部分工作。当然，不可能在每个知识点都这么多要求，整个平台上要有精有略，分清层次。整个平台的每一个模块是按照设计—修正—补充—再修正的模式不断进行的，直到模块完善。

3.3 数值实验平台软件集成

本文通过VB语言构建数值实验平台。VB语言是一种可视化的面向对象编程语言，它具有简单上手、可移植性强、与windows兼容性好等特点。本文作者具有一定的编程经验，能较好地运用VB语言开发界面程序。

编写数值实验平台软件就是利用VB语言的特点将整理好的素材用恰当的形式表现出来，主要涉及到VB语言与流体素材模块之间的融合。需要编程者利用VB语言的优势，采用对话框、按钮、下拉菜单、flash播放器等VB软件本身具有的部件充分且准确地表现出流体力学知识内容，并设计合理的互动环节，以增加软件的趣味性。除此之外，在这部分增加一些美化的功能，会大大激发学生的兴趣，让学生在游戏中学习到知识。目前，这部分只是做了初步的工作，如图2所示，要达到理想的效果还需要长期的工作。

4 结论

流体数值实验平台采用VB编程，将图片、声音、动画、视频等多种素材糅合到软件当中，从多方面多角度展示流体力学的内容，以达到激发学生对课程的兴趣，增强学生的求知欲，扩大学生的知识面，从而为后续的学习打下良好的基础。流体数值实验平台应用以来，受到了广大学生的喜爱，对重点难点知识的理解明显增强，学生对流体力学课程的兴趣明显增加。学生的反馈信息表明，流体数值实验平台得到了学生的认可，但仍存在着一些不足，软件还需要进一步完善，以达到与课堂教学的完美结合。

基金项目：本文系2015天津城建大学校级教改项目“与数值仿真实验相结合的《流体力学》课程的教学改革”（项目编号：JG—YBZ—1524）、“CFD技术在流体力学教学中的应用研究”（项目编号：JG—YBZ—1540）和“以空调工程为核心的课程群整合与优化”（项目编号：JG—YBZ—1520）

参考文献

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[2] 刘凯，曾文，刘爱虢.流体力学课程中引入CFD的探讨与实践[J].当代教育实践与教学研究：电子刊，2015（12）：58-58.

[3] 王晓英，王贞涛，闻建龙.多层次互动教学模式的探索与实践[J].力学与实践，2015.37（4）：541-543.

[4] 周玉，曹锐，范伟.流体力学的工程化教学改革探索[J].產业与科技论坛，2016.15（13）：198-19.

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