理工科高校通识—综合素养课程建设——以CFD数值模拟实训为例

孙槿静 袁馨怡 阳 君 陈二云

（上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093）

现代大学的通识教育起始于19世纪初，就内容而言，通识教育是关于各个领域的知识和技能的教育[1]。在新一轮教育教学改革中，很多高校将通识教育作为深化教学改革，进行内涵建设的一项重要举措[2]。目前，许多地方高校的通识教育主要是通过开设人文社科类课程，以满足学生德智体美劳全面发展的人才培养目标，而跨学科或与专业融合的通识类课程数量严重不足[3]，有必要在立足加快工程教育改革创新，助推“厚基础、宽口径”的通识教育改革，开设面向理工科高校的通识—综合类的课程建设[4]。

在通识课程不断增多而师资相对缺乏的情况下，目前大班授课成了通识教育课程教学的主要模式，这使得教师课堂教学有很大的局限性，不利于对学生创新能力的提高[5]，也不利于学生在积累知识之外得到更多的启发，其次大班授课导致实践活动难以开展，师生互动较少，学生难以得到真正的锻炼，使得课程教育效果不佳。

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉科学。它克服了实验测量和理论分析的某些缺点，且具有成本低、耗时短的优势，易于获得流场中的数据，在动力、化工、环境、机械、建筑、医学、航空、航天等工程技术中有着十分广泛的应用。因此，培养既有扎实的英语基础知识又熟悉CFD实践操作的应用型人才非常必要[6]。除了讲解演示软件操作技巧外，本课程还将紧密结合实验室资源，通过实验室演示让学生更好地理解CFD及基本原理及思路，同时通过实验室的实例实验进一步验证数值仿真的结果正确性，让学生在学习计算流体力学知识的同时“不忘实践是检验真理的唯一标准”。

1 教学内容的选择及过程组织

CFD是一门具有强大生命力的交叉科学，同时也是一个紧跟社会发展的一门学科，更新极其快的一门学科。以常用的商用CFD软件为例，十年前，NUMECA还能占据半壁江山，现在已经百家争鸣，Ansys Fluent、CFX、STAR-CCM、Comsol、OpenFOAM等等都是市场上常用的CFD软件。本课程对课程大纲及教学内容进行了重新编写，将课程框架改的更加开放，采用灵活采用多种计算软件完成计算案例。

课程内容主要包括计算流体力学的基本概述、基础知识、常用商用软件介绍、计算域基础与实例、网格基础与实例、求解器基础与实例及后处理基础与实例七个部分（共计32学时，2学分）。其中在对学生进行CFD计算操作的过程中穿插目前国内外工业界较为常用的相关软件，包括但不限于几何构建类软件（CATIA,Solidworks,ProE,UG）、网格生成软件（ICEM,Pointwsie,Autogrid），数值计算软件（Ansys Fluent,Ansys CFX,Star-CCM+,Openfoam,AnsysWorkbench）以及后处理分析软件（CFD-Post,Tecplot,FieldView）等。

不再仅仅介绍一个常用的CFD软件，通过整个CFD计算流程的讲解让学生对工业界常用的三维建模软件、网格划分软件、CFD商用软件及流场后处理软件都会有个初步的认识，拓宽学生的专业视野。由于CFD的特点，需要实时更新CFD的最新算法、模型等，才能保持课程的前沿性，该如何实现是对我们课程建设来说是一个挑战，因此我们也会在相关环节介绍一些最新的，如在网格生成环节除了讲解如何使用常用的商用软件ANSYSICEM，还介绍目前较新的动网格技术（Dynamic Mesh）。在讲解如何使用求解器计算的过程中，除了常用商用CFD软件，如Fluent、CFX等的实例讲解，还介绍了基于粒子和具有完整拉格朗日函数的无网格方法CFD软件XFLOW。在对计算结果进行分析的时候，我们也在原有的CFD-Post的基础上增加了目前主流的、专业流场后处理软件Tecplot、Ansys EnSight及FieldView的应用讲解。

同时建立实验案例库，里面包含经典的流体力学实验（如圆柱绕流、翼型扰流等）的视频及实验边界条件。在完成整个基础授课后，安排同学们在课程的实验案例库中选取想要计算的案例，用课程上讲过介绍过的建模、计算分析软件进行建模计算及分析，最后与实验结果进行对比验证自己的结果，进一步让学生明白“实践是检验真理的唯一标准”，在先进的CFD所算出的结果只有与实验结果对比验证才能知道其可行性。同时，所有课程授课将以全英语方式开展。

课程考核方面，主要包括以下内容：（1）强调流体力学的基本概念、基本理论和基本方法的学习和应用：考试时由题库随机选择一种计算流体力学工程问题进行数值仿真。（2）结合平时表现：采用激励机制，鼓励学生参与互动，多问问题，认真完成作业。（3）英语实用能力：要求学生在教学的各个环节均使用英语，提供英语实用能力。

2 教学方法的改革与教学手段的创新

本课程将采用理论教学、实验教学及上机实践教学相结合的多元化教学模式，让学生循序渐进地进入本课程的学习状态，理解CFD及基本原理及思路。授课过程中，通过大量的工程实例来讲解计算域基础、网格基础、求解器基础及后处理基础，来加深学生对CFD应用的理解和提高他们对CFD软件的应用的熟练度。同时，为了提高学生的积极性，组建workgroup，采用微课制作及翻转课堂的形式，让学生有更多的自主学习及自主思考讨论的空间。此外，教学团队还将充分利用相关实验资源，为学生直观展示相关算例的实验结果，使学生能够正确认识仿真模拟与实验之间的联系。

结合CFD数值模拟实训这门交叉学科课程的特点，建立与其他课程的互通性，能够形成专业对话，应该打破学科壁垒，统一以学生核心素养培育为基础，既强调学生综合品质培养，使学生通过跨学科学习获得不同的思考视角[7][8]。

3 教学实施过程中可能存在的问题及解决方法

教学过程中可能会存在以下问题，如：（1）由于CFD的特点，需要实时更新CFD的最新算法、模型等，才能保持课程的前沿性，该如何实现是对我们课程建设来说是一个挑战。（2）更多实验案例的引入，多种软件自由选择的进行计算，对于学生及老师都是一个挑战。

针对上述所面临的问题，本文拟从以下几个方面提出应对措施，以解决建模实训课程建设中所存在的问题。

（1）采用教研结合，加强师生交流讨论。为了保持课程内容的前沿性，在授课过程中还要实时更新授课内容。鼓励科研教学一线青年教师从事本课程的教学，教师的科研方向与CFD息息相关，从事的科研紧跟CFD的前沿发展，因此可以很好教研结合，保证教学内容的前沿性。同时，加强课程网站建设，在网站的建设中加入交流讨论板块，方便交流及讨论最新的CFD热点知识。

（2）数值与实验测量相结合，更好地理解CFD基本原理及思路。理工科高校学生大学四年期间学校及学院公共实验中心会安排学生在大学四年间参与学习一些专业基础实验的设置及测量，可参考学生所做实验，挑选典型案例，由课程教师指导学校，如何从所做实验中提取可用于CFD数值计算的边界条件、模型及工况，并结合实验演示和CFD数值计算结果让学生对比分析其数值求解结果与实验符合情况，并能够结合数值模型提取分析计算误差来源及其可靠性。

总而言之，随着计算机的发展，CFD数值模拟在理工科高校学生深造及就业过程中均有着广泛的应用，我们应该面向全校学生有效建立起这门通识—综合素养类课程，积极发挥该门课程所具备的优势，使得理工科高校学生在掌握有利专业类工具的基础上更具有核心竞争力。