构建CFD技术平台培养能源动力类本科生的实践与创新能力

张师帅，郭照立，彭玉成，张晓青，明廷臻

摘要：针对能源动力类本科生在学习CFD技术课程中存在的问题，提出构建CFD技术平台的设想，并从组建教学团队，组织教师编写教材、建设软件平台以及引导学生参与科研实践等四个方面进行实践。本文介绍了作者在构建CFD技术平台和利用CFD技术平台培养能源动力类学生的实践与创新能力过程中积累的一些经验。

关键词：CFD技术；教学改革；创新实践；能力培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0064-02

一、现状及存在的问题

随着制造技术的进步和发展，人们对产品的性能提出了更高的要求。一方面，要求产品品质高、价格低，且具有创新性；另一方面要求产品设计开发及生产周期短，以节约人力、物力和财力。国内外研究表明：CFD技术是解决这一要求的最好途径。实际上，CFD技术是解决工程中复杂流动和传热问题的一种有效手段，同时也是一门新型的独立学科。让广大设计人员学习掌握CFD技术，是提高其设计水平的具体途径。目前，国内有多所高校为本科生开设CFD技术课程，集中讲授20世纪直至本世纪CFD技术方面的最新成就，具有理论性和实践性的双重特点。我们在近五年的教学过程中深深体会到：学生要学习掌握CFD技术，一方面要学好CFD技术的基本原理，另一方面还要进行大量的自主实践。更重要的是，要在自主实践过程中培养大学生的创新能力。而在目前的教学中，大多强化基本原理的讲授，缺少对实际问题的分析和处理，从而造成大学生解决生产实际问题能力的欠缺。针对这种现象，我们认为构建CFD技术平台，提高大学生的实践与创新能力具有重要的现实意义。

二、构建CFD技术平台

基于CFD技术课程教学中发现的问题，我们提出构建CFD技术平台。具体内容包括：组建教学团队，组织教师编写教材、建设软件平台以及引导学生参与科研实践等四个方面。对于组建教学团队，这是构建CFD技术平台最为重要的一件事情。通过各学科方向教师自愿报名，教研室推荐，学院公开选拔的方式，组建一支高水平、高素质的教学团队。这样就可以确保承当CFD技术课程的教学工作的各位教师是学院各个学科专业方向的优秀教师。因为大家知道，只有高水平高素质的教师，才能更好地引导和培养学生的实践与创新能力。对于教材的编写，现有的关于计算流体动力学方面的教材有很多种，但大多以介绍基本原理和计算理论为主，缺乏相关软件的应用及实例的介绍，不能满足学生自主学习的需要，不利于培养学生的实践与创新能力。对此，教学团队需要重新制定CFD技术课程大纲，广泛收集国内外CFD技术的最新科技成果，编写反映科研与教学相结合的特色，重点、难点突出，并具有自身特色的教材。对于软件平台的建设，教学团队应根据能源动力类各专业方向所使用的CFD软件情况，从众多商用CFD软件中挑选出适合能源动力类本科生学习和使用的软件，同时建设一个可容纳30人以上的计算机机房，并通过局域网络连接建立一个交互式的软件平台，供广大学生进行自主学习和自主实践。软件平台由学生实行自主维护、自主管理，教学团队只需安排任课教师不定期通过软件平台引导和指导学生实践创新。对于科研实践，教学团队需要安排任课教师组织优秀学生参与到科研实践中来，让学生通过科研实践的锻炼，提高自身的实践与创新能力。让学生参与基础研究，可以从深度方面提高学生对所学知识的理解能力，为培养学生的原始创新能力作铺垫、打基础；让学生参与应用研究，则可以从广度方面提高学生对所学知识的应用能力，为今后在实践中进行技术创新奠定基础。

三、利用CFD技术平台培养大学生的实践与创新能力

目前，教学团队已经成立，分别由来自五个学科方向的、具有一定教学经验的优秀教师组成，他们集中代表能源动力各学科的发展动向。教学团队定期召开教学会议，对构建CFD技术平台和培养学生实践与创新能力过程中出现的各方面问题进行研讨，大家共同协商，寻找解决方案。与此同时，教学团队已经编写了一本适用于能源动力类本科生的教材《计算流体动力学及其应用》，该教材最大的特点是理论与实践并重。该教材不但讲述CFD技术的基本理论，而且还提供了大量的CFD技术应用实例，帮助学生进行自主实践。该教材已于2011年1月由华中科技大学出版社正式出版发行。在编写教材的同时，教学团队还利用学院现有的计算机机房（拥有50台电脑），建立了一个CFD技术软件平台，该平台拥有多种CFD软件，如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，现已成为广大学生自主学习和自主实践CFD技术的优良场所。教学团队根据学生的需求，安排任课教师不定期地通过软件平台为学生解惑答疑，引导学生实践创新。与此同时，教学团队还组织优秀学生参与到科研实践中来，培养学生的实践与创新能力。比如，引导学生将CFD技术应用到大学生科技创新项目中，优化设计叶片翼型，模拟计算小型垂直轴风力机的气动性能，使得风力机输出功率和效率大为提升。同时，该项目荣获2010年第三届全国大学生节能减排科技创新作品一等奖。再比如，学生在教师指导下进行自主创新，应用CFD软件对水力涡轮结构进行优化，使原来的水轮机组效率提高1%，每年增加的直接经济效益达数百万元之多。还有，学生在教师的引导下研究格子Boltzmann算法，将之与IP算法、DSMC算法对比，分析不同算法之间的优劣，对格子Boltzmann算法进行改进。具体成果体现在，学生以第一作者在能源动力学科领域国际顶级期刊上发表学术论文2篇。

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。大学生不仅需要扎实掌握专业知识，更要具有较强的创新意识和创新能力。目前，高等学校在大学生创新能力培养方面还有待加强，为此，本文提出了通过构建CFD技术平台培养学生实践与创新能力，并给出了实施过程中的一些具体措施和经验。

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基金项目：本文为华中科技大学2010年校教学研究基金项目的阶段性成果

作者简介：张师帅（1970-），副教授，为“CFD技术课程”的主讲教师。