结合仿真实践教学的工程流体力学类课程建设研究

杨柳 刘晓鹏 严清华 刘羽祚 杨军胜 熊烈强

摘 要：新工科背景下工程流体类课程教学改革能够满足工程教育改革的需求。文章针对当前工程流体力学类课程教学内容过于陈旧，工程流体力学类课程教学不够合理的情况，提出了创新工程流体力学课程内容，加强工程流体类课程教学师资队伍建设，注重工程流体类课程中的互动教育以及形成适合工程流体类课程的教学方法和课程评价等策略，结合实际情况阐述了如何推动工程流体类课程教学改革，以期促进新工科行动路线的发展。

关键词：工程流体;实践教学;课程教学;教学改革

工程流体力学是研究流体的机械运动规律及运用这些规律解决工程实际意义的一门学科。从远古的治水工程，18世纪造船、航海兴起，20世纪航空技术的发展，到现在生物技术、环境科学的飞速进步，都渗透着流体力学的相关理论。在强调交叉学科对科学进步具有重大意义的今天，工程流体力学成为大部分工科学生的必修基础课程，主要涉及的专业有机械、能源动力、航空航天、化工、石油等。

流体力学课程由于其抽象、难懂的特点，应用的数学知识较多，早期的课程教学主要以理论讲解与推到为主，大部分学生对学习工程流体力学都有某种程度的畏惧感。因此为提高教学质量，教育界同行在纷纷抛弃以往的黑板式教学模式，取而代之以CAI为主要手段的课堂教学的同时依然在不断的进行着各种各样的教学改革探索。然而这些教学手段、方法依然无法真正意义上的摆脱“灌注”式教学模式。由于课时量的压缩，教师虽然大量采用多媒体技术用于课堂教学，但最后却在不同程度上沦为为放映师、播音员。从这个层面来看，追求以制作日益精美课件的多媒体教学模式似乎成了教学改革中一个越陷越深的误区。

工程流体力学仿真实践教学的发展伴随着计算机技术和仿真软件技术的不断发展，欧美等发达国家在仿真软件等方面起步较早，在应用领域相关成熟度较高，因此在仿真实践教学走在前列，针对仿真实践教学的方法上也在不断发展。近年来，伴随仿真技术的引进消化与创新，我国的计算机与仿真技术高速发展，计算流体力学技术作为一种数值方法，在流体机械中的应用越来越广泛，我国的流体仿真技术也逐步走向成熟。借助计算流体力学技术，可以得到流体机械内任意位置的流动细节，如速度、压力、能量损失、压力脉动、湍动量、旋涡等，从而在流体机械结构的设计和优化方面发挥了重要的作用，这样可以减少工程流体力学教学过程中空洞的理论教学，补充了部分参数实验中难以测试的技术问题，减少了實验教学的成本。目前，诸多国内企业和科研院所已经大量采用CFD技术进行生产实际分析，这些技术是产品开发的重要工具，要求工作人员掌握流体力学分析、计算及优化设计的能力。目前，计算流体力学技术的快速发展，促使一大批计算流体力学通用软件，如FLUENT、CFX、STAR-CD等系列CFD软件的普及，已迅速成为解决航空航天、汽车、动力机械、能源、化工、建筑、农业以及环境保护等领域工程问题的有效手段。

国内高等院校在机械等相关工科的本科生和研究生阶段都开设流体力学相关课程，针对工程教育专业要求，机械类、航空、油气等专业的本科生开设了工程流体力学基础的必修课程，结合计算流体力学仿真软件计算速度提升以及可视化等优点，在理论教学过程中可以引人流体仿真软件实践，逐步形成了让学生从理论和实践中深切体会到流体力学基础知识在生产实际中应用的重要作用，通过工程实例分析解决生产实际遇到的问题，可以充分调动学生的积极性。

一、课程改革内容

工程流体力学理论性较强，需要学生有较深厚的数学和力学基础知识，初学者比较难理解，难以有实际体验获得感，本项目基于此，重新建立在多媒体理论知识讲授教学的基础上结合实际上机仿真实践教学的手段，提升本科生的学习获得感，结合现阶段社会对仿真技术人才的需求，完成教学与学生能力的提升。

将流体仿真软件引入本科生工程流体力学课堂教学的教学方式拓宽了现有的传统意义上的多媒体技术教学手段。丰富多媒体的教学模式，同时继续深入探讨高等教育教学改革，提高教学质量的价值。这种教学方式必然要求专业教师具有深厚的计算流体力学的理论基础及熟练操作使用数值计算软件的能力，在实践教学应用中对每位专业教师提出了不断提升的要求。

二、流体类课程改革目标

流体类课程需要建立一套完整的基于工程流体力学类理论教学与仿真实践教学的教学实施方案，完成在多媒体理论知识讲授教学的基础上结合实际上机仿真教学的手段，提升本科生的学习获得感，解决流体基础问题能力。

三、课程改革拟解决的关键问题

针对工程流体力学理论教学学生获得感低，建立一套与工程流体力学类基础理论教学配套的可操作性的仿真实践教学方案，建设仿真教学案例库，同时建立适用于低学时量的仿真实践教学教学实施方案。

四、结语

流体力学类课程教学改革是新工科背景下提高学生的工程素养与实践能力的重要环节。新工科背景下高校工程流体类课程教学必须紧跟时代步伐，针对当前工程流体类课程存在的教学内容过于陈旧，课程教学不够合理等问题，立足新工科建设对流体机械行业人才的需求，通过创新工程流体类课程内容，加强流体力学类课程教学师资队伍建设，注重机械类课程当中的互动教育以及形成适合工程流体的教学方法和课程评价等策略，建立课程理论教学与实践教学的链条，通过科学、合理的途径来不断创新工程流体类课程教学，为社会培养专业技能强、综合素质高的流体机械行业人才。

参考文献：

[1]王雁冰，张瑶瑶，王宝珠.线上线下相结合的工程流体力学教学模式探索[J].高教学刊，2022，8（19）：119-122.

[2]陈学彬，卓献荣，李雪梅，李金成.基于产业导向的数字化建模与仿真人才培养模式探索——以工程流体力学教学为例[J].高等建筑教育，2022，31（03）：63-69.

[3]朱近赤，谢迎春，李相坤，刘贵杰.基于CFD的工程流体力学实验教学改革初探[J].教育观察，2022，11（07）：121-124.