能源与动力工程专业多物理场仿真案例建设与实践

丁林　宋天　吴春梅

摘 要：虚拟仿真教学在新工科建设中具有重要地位，案例教学是仿真教学的重要手段之一。本文对能源与动力工程专业多物理场仿真教学案例建设过程进行了总结，建设形成了知识面覆盖广、专业特色突出的案例素材库，给出了能源与动力工程专业仿真案例教学建议和方法。多物理场仿真案例的建设既能满足学生教学需要，又能满足工程实践要求，使能源动力类课程教学内容体系与实际联系更加密切，有效培养学生的实践创新能力。

关键词：仿真教学; 案例建设; 能源与动力工程

中图分类号：G64      文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2021）3-176-002

伴随着信息技术的飞速发展，虚拟仿真教学受到高等教育工作者的广泛关注和应用。虚拟仿真贯通了课程及对象的认识、选择、建模、运算、整理和分析的整个过程，在认识对象、手段及结果上与传统的实验教学存在着显著差异[1]。能源与动力工程这一普通高等学校本科专业，是以工程热物理相关理论为基础，面向能源转化利用及动力系统领域的专业[2]。能源与动力工程专业教学重点面向各种能源的基础理论及应用技术，而动量传递、传热、传质以及导电过程几乎是每一种能源应用所必然涉及的物理过程。值得注意的是，虚拟仿真过程中可以综合考虑现实世界存在的多方面的影响因素，多物理场耦合通过仿真工具也更容易实现，有助于学生对于多物理场的认识和学习。为了使学生系统掌握使用工程软件针对学习和应用过程中遇到的各种工程问题进行数值建模和分析优化设计的技能，采用典型案例分析，将理论与实际相结合，对于学生从事能源学科领域的操作和分析工作具有重要的意义。目前高校的教学方式主要是多媒体课件结合板书教学，另外辅以实验教学进行授课。大量实践证明，采用案例进行授课能有效提高学生对知识理论的理解，提高和培养学生的创造思维能力[3-5]。采用案例法不仅能够建立起理论与实际的桥梁，还能加强学生动手能力，帮助学生树立牢固的工程意识。另外，通过案例教学加深了学生对知识点的印象，提高学生分析和解决问题的能力，最终提高整个课程的教学效果[6]。为了能在能源与动力工程专业学生中开展案例教学，前期的仿真教学案例构建和建设工作显得尤为必要，构建案例和实施案例教学是两个相辅相成的过程。因此，构建多物理场仿真教学案例就是为了进一步满足《工程热力学》《传热学》《工程流体力学》《燃烧学》等能源与动力工程专业课程的教学需求。

一、能源动力类案例建设与教学意义

建设面向能源与动力工程专业的多物理场仿真教学案例，既能满足能源动力类专业学生教学需要，又能满足当代大学生教育过程中工程实践的要求。使能源动力类课程教学内容体系与实际系统联系更加密切，使学生学习目的更为明确，更有系统针对性;教学过程循序渐进，不断深入实际，提高学生参与热情和积极性;以实践为导向、学生为主体，培养创新型人才，提升学生沟通能力、批判性思维、创新能力、团队合作能力。

1.满足能源与动力工程专业学生案例教学的需要

案例教学法比传统教学方法具有诸多优势，有利于激发学生学习的兴趣与热情，有利于培养学生的实践能力，有利于培养学生的创新意识，有利于培养学生的团队协作精神。在能源与动力工程专业课程教学过程中，教师要开展案例教学活动必须储备一定数量和质量的案例素材，实施案例教学离不开优秀案例的建设。而且案例的选择必须紧密结合专业课程。

2.提高能源与动力工程专业学生的职业技能

能源与动力工程专业有很多实践性的课程，目的在于缩短人才培养时间，提高人才培养效率，促进学生在校期间学习和掌握能源与动力工程领域的职业技能，增强学生在人才市场中的岗位竞争力。案例教学正是实现该目标的最主要和最有效的途径。

3.开发能源与动力工程专业学生的创新思维

构建面向能源与动力工程专业的多物理场仿真教学案例，不仅能训练学生职业技能，培养具有熟练职业技能的合格人才，而且還能帮助学生理解专业知识，提高学生应用所学基础理论知识去发现问题、分析问题和解决问题的能力。另外，构建体现能源与动力工程特色的案例，不仅能为学生提供大量的具有特色的仿真分析资料，促进学生计算方法和手段的改进，而且还有利于开发学生的创新思维和创新能力。

二、案例建设方案与组成

通过案例资料收集、技术交流、理论分析和设计优化等，提炼和总结案例所涉及的工程问题，设计并建立动力工程与先进能源技术多物理场仿真过程中解决问题的思路，用于能源与动力工程专业学生实践能力的培养。选择具有代表性的课程案例，对涉及动力工程与先进能源技术的多物理场仿真教学内容进行重组，采取知识点—单一课程案例—综合案例的顺序，内容重点包括面向仿真基础的几何结构编辑、网格技术、离散方法、方程求解等，也包括与能源与动力工程专业紧密结合的内容，主要是传质仿真、传热仿真、导电仿真及多物理场综合仿真等部分。经过总结能源动力类专业课程的内容和特点，其中具有代表性的知识点案例、单一课程案例和综合案例需要具备以下特点。

1.案例素材具有代表性且覆盖面广。所有案例都是基于多年仿真研究精心挑选出来的，所选实例基本覆盖了能源与动力工程专业涉及的物理场的耦合。案例素材均考虑多个物理场之间的相互作用，能使学生更好地理解多物理场的耦合，涵盖流动、传质、传热、导电、声场等多个物理场，实现学科交叉。

2.所选案例结合重庆大学能源与动力工程专业在该领域的突出特色，不仅注重动力工程专业知识的掌握，也注重基础物理理论及计算方法的应用，使任课教师在课程教学时能够根据案例素材简单准确地达到教学目的。同时，案例建设与教学强调学习的实践性，让学生在实践中体验提高获取信息、加工信息、处理信息的能力。

对于知识点案例，以三维综合建模及网格的划分实例为例，为学生讲解几何结构的编辑，这也是仿真教学的基础。对于单一课程案例，比如可以设置针对《传热学》的热交换器中的热传导和热对流模拟、水杯中的自然对流等具体案例，促进学生了解单个物理场仿真问题。针对综合案例，需综合考虑能源与动力工程专业学生的大多数课程知识点，可设置包括管壳式换热器、燃料电池仿真等极具能源特色的案例。

三、案例教学内容及实践

案例教学重视理论与实践相结合，采用课堂参与、小组研讨、案例教学、合作学习、模拟教学等方式。在案例教学各个环节，教师需要结合课程知识、学生兴趣与案例亟需解决的问题;以学生的需求和兴趣为出发点，发展学生的自主学习素养，发挥学生的创造思维;让学生主动收集信息，筛选信息，提出问题，教他们如何研究，如何获得一些必要的解决问题的技能;教师一般不给学生结论性的东西，而是要求学生充分利用手中的资源自主学习;教会他们如何管理好自己的时间;在遇到问题时，鼓励学生努力寻找解决问题的办法，为自己的研究提出下一步的决策;鼓励和支持团队合作。案例教学采用理论结合实例的方式，案例实现结构模块化，引导学生根据具体案例分析、掌握建模的思路、步骤、要点，培养学生发现问题、提出问题、分析问题与解决问题的能力;案例讲解采用文字结合插图的方式，提供大量的操作插图，大大降低了操作失误率，节约了学习时间，提高学生学习效率。动力工程与先进能源技术多物理场仿真案例教学涵盖的主题主要包括以下6个部分：（1）物理问题的数学模型：包括连续介质、流体动力学、固体动力学、声波、电磁、状态方程及定解条件等。（2）几何建模与网格生成技术：结合案例分析结构化网格、非结构化网格、动网格、复杂计算区域的处理方法等。（3）常见数值算法：以具体案例，讲述有限差分、有限体积、有限元等常见数值方法。（4）动力工程领域单物理场仿真：以热传导、热对流、热辐射为例，结合综合案例实现单物理场仿真。（5）弱耦合的多物理场问题：实际科研或者工程问题多表现为多个物理场相互影响、共同作用，部分情况下物理场间的联系较为松散。针对该情况，以微电阻梁等案例实现弱耦合多物理场问题的仿真求解。（6）强耦合的多物理场问题：以综合案例为基础，讨论多物理场强耦合问题的共同点和挑战，多物理场的相互作用，有的通过材料属性变化体现，有的通过求解域几何变化体现，有的通过自适应性质的边界条件的变化而体现，结合案例学习多物理场强耦合的仿真及计算。

动力工程与先进能源技术多物理场仿真教学结合理论和实践，通过课程案例分析与工程科学相结合。通过案例学习，让学生理解数值仿真技术的真谛，明白这些理论知识应该如何与实际相结合。进一步，使学生能够领悟经验丰富的数值仿真工程师会如何思考问题，慢慢吸收这些经验为自己所用。

四、结论

案例建设是一项复杂的系统工程，它由一系列紧密衔接的工作环节组成。建设面向能源与动力工程专业的多物理场仿真教学案例，既能满足能源动力类专业学生教学需要，又能满足当代大学生教育过程中工程实践的要求。案例素材具有代表性且覆盖面广，突出能源与动力工程专业特色，注重动力工程专业知识的掌握的同时，也注重基础理论及计算方法的应用。通过案例教学，使能源动力类课程教学内容体系与实际系统联系更加密切，学生学习目的更为明确，培养创新型人才，提升学生沟通能力、创新能力和团队合作能力，最终提高整个课程的教学效果。

基金项目：重庆市教育教学改革项目（No.yjg183009）

参考文献：

[1]谭惠灵，郭庆，韩景倜.虚拟仿真实验教学建设的认识论思考[J]中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2020（12）：17-19

[2]教育部高等學校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准（上）：高等教育出版社，2018：293-297

[3]张新平，冯晓敏.重思案例教学的知识观、师生观与教学观[J]高等教育研究，2015，36（11）：64-68

[4]李寒梅.案例教学在教师教育课堂教学中的观察与启示[J]中国大学教学，2013（06）：70-72

[5]何菁，丛杭青.工程伦理案例教学的价值设计——兼论场景叙事法的课堂引入[J]高等工程教育研究，2019（02）：188-193+200

[6]罗灿，成立.基于案例教学法的教学探索与研究[J]科教导刊（下旬刊），2020（11）：93-94+129