基于CFD 项目驱动的《空气动力学》课程教学改革探究

刘 聪 任 强 温瑞英 庄南剑 回 忆

（中国民航大学空中交通管理学院，中国 天津 300300）

0 引言

随着我国民航运输业的高速发展，对民航特色交通运输和交通管理专业工程技术人才提出了更高的要求，在具备扎实的理论功底的同时，更需要有利用所学知识分析和解决复杂工程问题的能力。从工程教育理念出发， 为培养具备更强工程实践能力的学生，应从教学方式、教学内容和考核方式等方面，对该专业课程的教育教学提出新的要求。

空气动力学课程是交通运输专业的一门主干专业基础课程。在空气动力学的教学和科研领域，存在理论分析、实验测试和数值模拟三类主要方法。以教师为中心的理论分析、 推导和演示目前为空气动力学授课过程的主要方法， 部门航空类院校中实验教学也占有一定比重， 而基于计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics，CFD）的数值模拟方法正被逐渐运用到工程流体力学、空气动力学等课程的教育教学中[1-3]。另一方面，基于项目式学习（Project Based Learning，PBL）的教学模式在高等教育中也得到广泛重视[4-6]。该教学模式以学生为中心，以问题为导向，以有效的研究子项目实施为手段，是注重小组项目实施过程的启发性自主式教学方法。本文提出了项目驱动式的空气动力学教学模式，对教学方式、教学内容和考核方式进行了改革探索，基于远程CFD 的仿真平台工具，以从知识重点和难点出发的项目为载体，在项目驱动式的教学中实现对学生工程思维意识的建立和强化。

1 课程现状分析

该课程开设在第5 学期，共46 课时，主要讲授内容为空气动力学基础、飞机的空气动力、空气动力学应用和飞机的稳定性与操纵性四个部分。 全部课时均为课堂教学的理论课学时，以教师讲授为主要教学方式。最终考核成绩由平时成绩和卷面考试成绩组成， 分别占比15%和85%。 根据空气动力学课程特点，结合课程教学实践发现，现阶段该课程存在以下主要问题：

1.1 教学过程中学生的参与度较低

受制于学时和客观条件，该课程以理论课讲解方式呈现；该课程理论性强，概念抽象，有较多的理论推导和计算，公式和知识点繁多，公式所表征的物理意义较难理解。 传统讲授的教学方式，加之抽象的物理概念，难以激起学生学习兴趣，学生无法积极参与到整个教学活动中。

1.2 教学内容上欠缺开放性、探索性项目

空气动力学涉及的概念、公式和定理等，以及典型的流动现象和规律等，均以文字表述为主，无法给出学生直观感受；实验教学环节缺失，无法从实验实操中加深对抽象概念和理论公式的理解。 因此，学生无法自主设计、开发和研究探索性问题。

1.3 教学效果需要多维度考核

现阶段的考核方式仍为平时作业和闭卷考试。 平时作业以课后计算题为主，与考试考核内容较重叠，没有开放性的、探究性的题目设置，不能考察和培养学生的学习迁移能力，不利于学生工程实践能力的培养。

2 教学改革方案设计

针对现阶段该课程存在的上述问题，本文提出了项目驱动式的空气动力学教学模式，与理论教学方式互为补充。 搭建远程的数值仿真平台，为学生参与教学活动提供硬件支持；开发基于知识重难点的数值仿真实验项目，增强学生对课程基础知识的掌握，培养理论与实践结合能力；鼓励学生在此基础上进行自主的开发设计，以开放式的项目报告作为考核的一项重要内容，激发学生的创新探索精神。

2.1 远程CFD 仿真平台的搭建

考虑到项目需要的计算量较大，学生自有笔记本计算能力有限； 同时为了方便对项目过程的管理，可以利用现有的服务器资源，搭建能够满足多个小组和多个项目同时独立进行研究的远程仿真平台，供有限用户的远程操作和计算资源分配。

该平台可实现学生在校园网环境和校外网络环境登录到远程服务器， 并通过安装在远程服务器端的虚拟仿真软件，进行相关学习项目的开展。数值仿真工具包括 ANSYS CFD 工具包，如 Fluent、CFX 等。学生用户登录后， 通过上传下载工具将学生本地的项目相关数据上传到服务器端； 同时能够将服务器端的仿真数据下载到当地，便于数据的处理。

2.2 空气动力学教学项目开发

依据交通运输专业和交通管理专业教学大纲，从该课程重点和难点知识点出发，围绕以下专题进行项目的设计和开发： 流体黏性和边界层流动数值计算、伯努利方程验证数值计算、 拉伐尔喷管数值计算、超音速激波/膨胀波数值计算、NACA 翼型气动特性数值仿真、机翼平面形状对气动特性影响分析、后掠翼翼根翼尖效应数值实验、超临界翼型跨音速气动特性仿真、翼尖小翼气动特性分析、增升装置增升原理仿真实验。

针对每一个项目的开发，按三个步骤实施。 第一步为项目文档的建设，包括三项内容：知识点理论文档，包含此项目开展用到的理论知识，包括概念、定义和数学推导等；仿真实验项目教学大纲，确立实验教学的指导思想、教学目的，明确各实验项目的具体教学内容和实验要求；仿真实验项目报告模板，用以确定每个项目提交报告的格式。

第二步为必选演示项目的建设，主要包括演示项目教案、演示项目算例、演示项目报告。此部分为学生针对各个专题的必选项目，演示项目教案，提供了进行数值仿真的具体操作步骤，包括软件的打开、参数的设置、模型的选择等；演示项目算例为针对某一项目的某一个工况的仿真过程文件；演示项目报告为针对某一项目某一工况，进行后处理的结果，并以项目报告形式予以呈现。 此部分，相当于给学生提供了标准的模板操作，方便学生快速入手。

第三步为自主设计项目的建设，主要包括自主设计项目方案、自主设计项目过程数据、自主设计项目报告。此部分内容为激发学生的扩散性思维和工程创新能力设置。 在演示项目的基础上，学生分为若干小组，每组 3～4 人，自选 2～3 个感兴趣专题项目，可在演示项目的基础上进一步进行探索性研究，包括工况范围的扩展（比如扩展雷诺数、马赫数研究范围）、研究模型的探索（比如新翼型的研究）等。学生可自定研究方案，进行多工况、多模型、多课题的研究。

2.3 考核方式的改革设计

现阶段考核方式存在重理论轻实践的弊端，以固定答案为判据的闭卷考试作为最主要考核方式，不利于对学生工程实践能力和创新精神的促进和引导，有必要更新现有考核方式。增加项目学习成果作为最终成绩的一部分， 按如下比例进行分配： 平时成绩占10%，项目完成成绩占20%，期末考试成绩占70%。项目完成成绩中，主要考察自主设计项目，以小组为单位考核，项目报告和小组汇报成绩各占10%。 通过分组完成项目的方式， 既锻炼了学生的团队协作能力，又增强了学生的文字能力和表达能力。

3 结束语

在推进和深化工程教育改革背景下，高等教育需要培育具有扎实理论基础和较强实践能力的人才，这就对教学理念和教学模式提出了新的要求。本文结合民航特色交通运输专业《空气动力学》课程的现状和存在的问题， 提出了基于项目驱动式的教学模式探索，以远程CFD 仿真平台为工具，结合课程重难点，以演示和自主项目为载体，鼓励学生在工程实践中培养工程思维和创新精神。基于项目驱动式的空气动力学改革，是一个动态的循序渐进的过程，只有不断地更新教学项目，更加贴近工程实践场景，才能取得更好的教学效果。