《流体网络理论》实验教学研究

高科

摘要：《流體网络理论》课程的教学一直偏重理论，在教学模式上往往停留在算法的计算过程上，使得学生很少能够懂得流体网络理论实则上是要存在程序设计思想，也就无从谈起培养学生分析和解决问题的能力了。为培养学生在学习过程中有编程思维能力，提出了将《流体网络理论》课程从理论走向实践，加深学生的学习能力，培养学生的编程习惯，同时提出了实验课程应以极值流和网络解算为课程内容主线，循序渐进的教学方法及交流平台的有效利用，使实验教学更有实效。

关键词：流体网络理论 实验教学 课程内容 教学方法

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1 引言

《流体网络理论》是矿井通风仿真系统的基础，为矿井通风与安全专业的必修课。而矿井通风与安全专业开设《流体网络理论》后，将直接进入《矿井通风仿真理论与实践》的学习，该课程以学习矿井通风仿真系统为主，重点掌握矿井通风仿真应用，导致学生缺乏开发矿井通风仿真软件的能力。通过作者的教学经验发现，课程大多以算法为主（例如搜素独立通路、网络解算算法、平衡图绘制及角联结构自动识别算法等），学生很少动手实践。课程学完后，学生编程水平和分析、解决实际问题的能力都没有得到提高。因此，为更好的学习课程，应重视和鼓励学生勤于动手和上机训练，养成良好的编程习惯，因此，开设实验教学环节也是必然的，同时，学生也已修习过《计算机基础》、《C语言程序设计》、《C++程序设计基础》等计算机语言课程，实验课程的开设也是水到渠成的。

2实验课程内容设计

从流体网络的矩形表示开始，到灵敏度的求解[1]，整个课程涉及的内容较多，算法也较多，如何筛选实验课程内容，最后能形成一套简单的通风仿真系统是重点研究内容。课程中的核心内容为极值流、网络解算、流体网络的平衡图及角联结构的算法。极值流和网络解算可以作为两条主线，流体网络的平衡图及角联结构的算法作为辅助，考虑时间及工作量的情况下，实验课程应以极值流和网络解算为主要内容。

2.1 极值流算法

城市自来水管的最大输送能力问题，最大供热能力问题，矿井最大供风能力问题以及最小供风量限制问题，矿井通风网络、城市供热、供水、供气网络的最小功率问题，矿井救避灾路线问题等等，都与极值流的计算有关。极值流算法有节点标号法、Edmonds-karp修正算法、独立通路法及通路法，独立通路法在最大复杂程度上占有优势。

图1 极值流算法涉及内容

2.2网络分流算法

矿井通风网络分流是流体网络理论的重要组成部分，该功能的开发可保障煤矿通风安全，防止矿井瓦斯、煤尘爆炸及煤层自燃火灾，提高现代化管理手段[2]。网络分流的研究极具一功多能的基础性应用价值，一套合理、规范、方便、专业的网络分流程序，可以使计算简单易行，大大节省人力物力[3]。因此，实验课程中实现网络分流算法的重要性是显而易见的，也是更需要学生的共同努力。

网络分流方法主要有四种：解析法、图解法、物理近似模拟法及数值方法。数值方法为现代研究网络分流的主流手段。从计算数学的角度看，数值方法又分为斜量法、迭代法和直接代入法。迭代法中的Cross算法虽然解算的精度和速度较Barczyk法差，但是算法简易，计算步骤也最简便。

Cross法的程序流程如图2所示，计算过程中除流量计算外，还涉及图的连通性判断、生成树的选择及基本回路的确定。

图2 Cross算法程序流程框图

3 实验课程教学探索

针对矿业类学生的特点，针对学校的软硬件条件，合理选用不同的教学方法，才能达到较好的实验教学效果。经过不断的探索总结发现，大多学生并非缺少学习主动性，也并非不想学，而是很多时候，实验课上多有盲从，方法不得当，学生的学习兴趣在几次实验劳而无功的情况下会慢慢丧失，因此针对《流体网络理论》课程的特点及教学大纲的要求，教学方法主要掌握以下两个方面：

（1）实验课程内容应由浅入深

实验课程内容顺应极值流和网络解算两条主线，同时涉及图的连通性判断、排序、深度优先搜索法确定通路、生成树选择、基本回路确定算法，因此实验课程应从最基本的排序开始，循序渐进，最终能将前期所做工作加入到主线中去。

（2）提供学生与学生、学生与教师之间的交流平台

网络技术的成熟及普及，极大地延伸了教学空间，程序类实验课程不能仅仅依靠实验学时安排，还需占用学生更多的课余时间，而实验教学的课后辅导至关重要，可以通过网络平台来实现，现在选择较为广泛的方式主要有[4，5]：①通过QQ群可以达到讨论目的；②建设教师个人网站；③通过电子邮件[6]；④ Internet 上的留言板，例如作者跟学生通讯的主要方式为ys168.com网站，该网站可以进行资料的共享，也有留言板功能，可进行讨论相关问题。

4 结论

在《流体网络理论》的实验课程教学中，重点在于培养学生的编程能力和理论与实际结合能力，实验课程的加入将使学生可以深入掌握流体网络理论的知识，激发学生学习这门课程的兴趣。

参考文献

[1] 刘剑，贾进章，郑丹. 流体网络理论[M]. 北京： 煤炭工业出版社， 2002.

[2] 李艳昌，刘剑. 《流体网络理论》课程教学实践探讨[J]. 中国科教创新导刊， 2010， （19）： 40+42.

[3] 郭晓芳. 通风系统网络分流的计算机模拟与应用[D]. 青岛理工大学， 2005.

[4] 余威一，范玉风，岑岗. 微课教学交流平台的设计与构建[J]. 浙江科技学院学报， 2014， （05）： 363-367.

[5] 冷伟. 微博对教学交流和信息共享的支持性研究与应用[D]. 西南交通大学， 2012.

[6] 刘钧. C语言实验的改革探索[J]. 皖西学院学报， 2010， （02）： 69-71.