基于CFD的探究性学习在“工程流体力学”教学中的应用

唐群国 陈晶田 谭 琼

[摘 要]课题组分析了“工程流体力学”教学中存在的主要问题以及将探究性学习引入“工程流体力学”教学的必要性和可行性，结合“工程流体力学”课程特点，制订了基于计算流体力学（CFD）数值仿真技术的探究性学习的实施办法，对探究性学习的效果做了分析。教学实践表明，探究性学习在激发学生自主学习动力、巩固对理论知识的理解掌握以及提高解决实际问题的能力方面都有积极作用。

[关键词]探究性学习;工程流体力学;CFD

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）06-0007-03

2017年2月，为应对新经济形态的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，教育部发布了《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》，通知指出：当前，国家推动创新驱动发展，实施“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等重大战略，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新。“新工科”建设要求高等学校的工科教育需要与时俱进，在教学理念、教学方法、教学手段上不断创新，培养基础扎实、富有创新精神、综合素质高的人才。

针对“工程流体力学”教学中存在的以教师为中心的满堂灌教学模式的弊端，我们结合多年的教学实践，在教学中尝试向“以学生为中心”的教学方式转变，采用“部分翻转课堂”及探究性学习方法，以提高教学效率和教学效益，关于“部分反转课堂法”已另文介绍[1]。

一、“工程流体力学”教学中存在的问题

“工程流体力学”是机械、材料、航空航天、能源动力、轮机工程、环境工程、土木建筑、化工、生物工程等很多工科专业的重要理论基础课。通过学习，学生应掌握工程流体力学的一般原理和规律，能够利用工程流体力学的一般规律分析解决所在专业领域相关流体力学问题。“工程流体力学”不仅具有较强的理论性，还具有鲜明的实践性，强调理论学习与工程实践相结合。进入新世纪以来，国内高教领域在“工程流体力学”及相关课程的教学理念、课程体系、教学方法等方面做了许多有益的探索[2-5]。

随着科学技术的进步，在流体力学研究领域取得了很多研究成果，特别是在计算工程流体力学（CFD）研究上有了长足发展并在工程实践中获得了广泛应用。为了使理论教学紧跟时代发展，在教学中应及时汲取最新研究成果，丰富教学内容，使学生接触学科发展的前沿。然而，目前国内针对工科本科生编写的“工程流体力学”教材，尽管编者及版本各异，但主要内容多年来变化不大。除教学内容之外，笔者认为目前“工程流体力学”教学中尚存在以下问题：

（1）由于学科特点，课程理论性强，课堂教学不够生动。“工程流体力学”研究的对象是液体与气体，而常见的流体如水和空气均无色透明，流动很多时候是“来无形，去无踪”。由于流体不同于固体的特点，对流体运动的描述采用不同于固体力学的方法（Euler法），研究上主要采用微积分方法推导，过多的理论推导难免会让学生感到枯燥乏味，导致学生对一些基本概念如迹线、脉线、流线、速度场、加速度场、压力场、等压线、紊流、涡旋的理解往往停留在定义上，缺乏直观的感性认识。虽然借助可视化技术等实验手段可以帮助学生观察一些在特定条件下的流动现象，但是这些实验装置需要场地和设备等投入，并不是所有的教学单位都具備，而且现有可视化流动实验装置能够演示的流场类型还非常有限，同时可视化演示方法一般采用物理的或化学的方法对原有流场进行干预，如在液体里加注气泡等，因此呈现在眼前的流场并不能准确反映实际流场的真实面貌，对于复杂流场特别是非稳态流动还很难实现可视化演示。

（2）在培养学生解决实际问题的能力方面，现有的侧重理论的课堂教学方式跟不上新技术发展的需要。随着科技日新月异的发展，很多涉及流体的工程设计问题需要基于流场的精确计算，而需要研究解决的流场问题也日趋复杂，很难通过教材上提供的解析方法解决。因此，迫切需要在教授基本理论的基础上，适当拓展教材知识体系，使学生接触、了解并初步学会新的流场分析方法。遗憾的是，国内现有的“工程流体力学”教材基本上没有涉及CFD较完整的介绍。事实上，当今CFD技术在很多工程技术领域已获大量应用，相关流场数值计算分析软件也已“飞入寻常百姓家”，成为工程技术人员不可或缺的有力工具。在高等教育比较发达的国家，如美国，“工程流体力学”的教材中通常都包含关于CFD内容的专门章节，而且在本科教学计划中安排了若干课时的CFD仿真实验环节。

（3）随着信息技术特别是计算机技术的快速发展，很多学生在学习“工程流体力学”前已具备较好的计算机基础及应用能力。如机械类专业的学生基本能熟练使用Matlab， AutoCAD，Solidworks，ProE等通用软件，为学习CFD软件打下了很好的基础。

（4）随着网络信息技术的发展，有关流场数值计算仿真的研究成果越来越多地见诸网络媒体，很多视频利用CFD技术生动形象地模拟再现了复杂的流动过程，如高铁行驶中气体的流动、蜜蜂飞行过程中周围空气的流动、卡门涡列（Karman Vortex ）现象、超音速飞机音爆现象、水下爆炸引起的水击过程、泄洪口开闸泄洪过程等。在教学过程中将这些让人喜闻乐见、栩栩如生的视频资料演示给学生时，无疑会激发学生对流体力学的兴趣，对于帮助学生认识复杂的流动问题，深化对有关物理概念的理解将起到事半功倍的效果。

二、探究性学习在“工程流体力学”教学中的作用

传统的“工程流体力学”教学以教师为中心，以课堂学习为主，学生在整个过程中基本处于被动地位，是“要我学”而不是“我要学”，学生按要求完成听课、作业、考试等环节，教师授课和学生学习都围绕着教材内容。这种封闭式的教学模式不利于培养学生的自主学习能力，不利于培养质疑精神，更不利于培养勇于探索的科学精神。相反，探究性学习是以问题为导向的开放式学习过程，不同于教材中的例题和习题，探究性学习要研究解决的问题主要来自于生活或工程实际，并没有现成的答案。探究性学习以学生为中心，发现问题、提出问题、思考问题、解决问题，让学生在分析解决实际问题的过程中加深对理论知识的学习理解，感受、认识知识的价值和力量，在学以致用的过程中获得一定程度的成就感。

探究性学习是对课堂教学内容的拓展和补充，要探讨的问题与所学知识密切相关，涉及“工程流体力学”的基本规律。在选择探究性课题时，应鼓励学生自主选题，选择感兴趣的流体问题。考虑到时间因素和学生所具有的知识水平情况，教师需对选题的复杂程度进行评估，原则上选题要对学生起到训练的作用，但又不会因为问题过于复杂以致力不能及而耗费过多的时间精力，导致学生产生挫败感。例如不推荐模型结构过于复杂的流动问题、设计多个物理场的流动问题及非稳态流动问题。选题来源可考虑：

（1）教材上列举的一些流动问题，如平行平板间的压差流动、剪切流动，弯管内的脱壁和二次流动，三通或四通管接头内的混流，薄壁孔口或管嘴的出流，圆管层流，关于这些流动问题尽管教材上做了简单介绍，但关于流动的具体情景、流场的结构（如流线分布等）一般最多给出示意性的说明，缺乏直观生动的图像资料来辅助说明。

（2）生活中一些看似熟悉但又不够清楚的流动问题，如水库泄洪时闸门附近的流动、汽车前进时空气的绕流、消防水龙头内的流动、发动机喷管内的流动等，这些问题贴近生活，学生应用CFD方法建模、计算分析后，不但会加深对力学规律的理解，也有助于培养细心观察勤于思考的习惯。在了解了现象背后的力学规律后，也可引导学生进一步思考如何应用工程流体力学的知识对问题中的有关结构做设计优化，提高流体机械或设备的使用性能。

（3）结合专业学习方向提出一些问题。例如，对于机械专业的学生，可以结合后续专业课学习给出液压系统和气动系统的一些流动问题、内燃机设计中的一些典型流动问题：滑动轴承的润滑、液压泵吸油过程中的气穴形成、缝隙内的流动、管道内的流动、各种结构形状的液压阀阀口流动等。

三、基于CFD的探究性学习实施的方法

根据探究性学习的目标要求，在符合教学大纲总体要求的前提下，我们对原有的教学计划、教学内容及课程评价方法做出了相应的调整：

（1）在绪论部分选择一些CFD的最新研究成果展示给学生，说明CFD强大的仿真计算能力，以及在科学研究中的作用，对CFD做简要介绍。在讲授运动学与动力学内容时，引入CFD仿真计算的例子，以演示流动中的流线分布、迹线分布、压力场分布、速度场分布，帮助学生更好地理解流线等物理概念。

（2）关于CFD理论及方法的介绍。CFD研究包括理论研究和软件开发两方面。CFD的理论基础比较复杂，涉及流体动力学方程（为偏微分方程）的数值求解理论，求解域的建模及离散化理论一般在研究生阶段才会学习，如果完整讲解需要课时较多，显然不适合也不可能要求本科生全面学习掌握，因此重点是让学生在了解计算原理的基础上学会使用CFD的软件工具，感兴趣且学有余力的学生可以课后进一步查阅相关文献资料。

在讲授完“工程流体力学”基本原理后，介绍CFD流场仿真的主要方法步骤，以及常用的CFD软件产品。CFD软件产品有多种，学生比较容易获得，目前在工程设计领域使用较多的有ANSYS。ANSYS为一大型计算仿真工具，包含应力场、流场、电磁场等各种物理场问题计算分析模块。而用于流体问题研究的是Fluent模块，该模块与其他通用软件如AutoCAD， SolidWorks等具有很好的兼容性，可以直接把在上述软件中建立的流场几何模型导入Fluent中，然后按顺序完成网格划分、边界条件及初始条件设置、收敛精度设定、计算、计算结果的后处理及结果输出等过程。此软件人机交互性友好，计算结果的输出呈现形式丰富，易于理解。实践表明，大多数学生可以利用课后时间在两周内初步掌握其使用方法，对于个别学习有困难的学生可以进行单独辅导，或鼓励同学之间互相学习，互相帮助。为了使初学者少走弯路，应该对使用CFD软件时需注意的常见问题进行说明，如如何对实际流场结构合理简化，网格类型、网格划分数量与计算精度和计算速度的关系，边界条件的物理意义及设置方法等。课堂上可通过1～2个例子演示仿真过程。

（3）在工程流体力学课程结束时，布置CFD仿真计算作业，题目主要由学生自由选择感兴趣的流动现象，也可以由教师给定。为了培养学生的团队合作精神，将学生分组，3～5人为一组，每组完成一个课题研究。

（4）课题研究的成果交流。CFD仿真作业大约在2周内可完成，然后安排时间答辩。要求每个小组将所做的CFD仿真结果整理成研究报告，制作PPT，并指定一人做介绍，对提出的问题做出回答。通过这种集中报告交流，大家可以互相学习，获得更多的对流动现象的认识理解。

（5）探究性学习的成绩评定。将探究性学习作为课程学习的一部分，将成绩按比例算入课程总成绩，如10%。成绩评定主要考虑任务完成情况、任务难度、研究报告及答辩情况等。

四、探究性学习的实施情况

按照以上思路，在2017和2018年，我们在机械设计制造及自动化专业卓越班的“工程流体力学”教学中开展了基于CFD的探究性学习，卓越班的学生总体上具有较扎实的知识基础和较强的学习能力，两次参与学习的学生共计62人，除1人未能按要求在规定时间内完成任务外，其他学生均给出了包括选题、建模、仿真计算、结果分析讨论的较完整的探究学习报告，许多学生对这种不同以往的学习方式给予了积极的评价。限于篇幅，图1给出了部分学生的探究学习成果，图示为应用CFD方法對不同场景条件下用流线表达的流体速度场分布，与速度场类似，学生也给出了压力场等仿真结果。

五、结语

概括起来，探究性学习对教学产生的主要作用有：

（1）一定程度上改变了以课堂为主的单一教学模式，增强了学生在学习中的主动性，尽管软件学习和项目完成增加了一些时间投入，但学生普遍认为收获很大，提高了自己自主学习和解决问题的能力。

（2）基于CFD的探究性学习，引入流体力学研究的新成果新方法，丰富和拓展了“工程流体力学”教学内容，突出学用结合，使流动现象“可视化”，学生不仅牢固掌握了“工程流体力学”的基本理论，而且为解决专业相关更为复杂的流体力学问题打下了较好的基础。

（3）探究性学习的分组协作、学习CFD软件过程中遇到困难时的互相帮助、成果交流分享和答辩环节一定程度上培养了学生的团队合作精神、质疑和表达能力。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 唐群国，朱龙威，谭琼.“部分翻转课堂”在“工程流体力学”教学中的应用[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2017（12）：10-12.

[2] 李楠，张财红.工程流体力学课程应用化教学改革研究[J].教学研究，2014（3）：92-95.

[3] 杨扬，张勤星，王利霞，等.工科流体力学教学方法与改革[J].大学教育，2015（5）：137-138.

[4] 张引弟，廖锐全，李元凤，等.《工程流体力学》课程考核方式的教学改革与实践[J].西南师范大学学报（自然科学版），2015（4）：139-143.

[5] 谢翠丽，倪玲英.计算流体力学在工程流体力学课程中的应用与实践[J].力学与实践，2017 （5）：503-505+495.

[责任编辑：钟 岚]