張偉

【摘 要】針對空氣動力學課程中傳統(tǒng)教學模式存在的問題，提出了實際項目驅動的教學模式。在空氣動力學方向相關課程的教學中，以計算流體力學的數(shù)值模擬為主要手段，結合相關工程項目進行教學實踐，以完成實際工程項目來促進教學水平的提高，以培養(yǎng)學生聯(lián)系實際學理論，在實踐中體驗和學習理論，在應用中形成技術應用能力，以提高學生的崗位核心能力和創(chuàng)新能力。

【關鍵詞】項目驅動；空氣動力學；教學

0 前言

空氣動力學是工科院校中力學類、航空航天類、飛行器設計類等專業(yè)的專業(yè)必修課。它是研究空氣運動規(guī)律及其應用的學科，在生活、環(huán)保、科學技術及工程中具有重要的應用價值?？諝鈩恿W學科經(jīng)歷了幾個世紀的演變，如今形成了實驗測試、理論解析和數(shù)值模擬方法三足鼎立的局面。

計算流體力學（簡稱為CFD）是建立在經(jīng)典流體力學與數(shù)值計算方法基礎之上的一門學科，它通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達到對物理問題研究的目的。它是流體力學的一個分支，用于求解固定或變化幾何形狀空間內(nèi)的流體的動量、熱量和質量方程以及相關的其它方程，并通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關數(shù)據(jù)。CFD作為一種研究工具，它可以形象的展示流場的內(nèi)部結構，從機理的角度解釋相應流動的特點。

總之，CFD在現(xiàn)代生活和生產(chǎn)中的很多方面正在發(fā)揮著巨大的作用，對空氣動力學工作者的工作方式已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響。針對空氣動力學課程的教學，本文探索了以CFD技術為手段，結合工程項目來促進教學的教學方式。

1 教學改革的必要性

目前，國內(nèi)大多數(shù)院校將空氣動力學作為本科階段的必修課，目前空氣動力學學科體系教學中存在的一些問題，有必要增加一部分CFD教學的內(nèi)容。多年以來，空氣動力學本科教學內(nèi)容主要是經(jīng)典的流體力學理論和傳統(tǒng)的實驗分析方法，且偏重于理論分析和對理論進行驗證性實驗，教學內(nèi)容比較抽象和單一，不能反映當前空氣動力學學科發(fā)展的趨勢，不利于提高學生的學習能力和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。同時，整個流體力學課程在建立了基本控制方程后，就開始轉而從一些特殊的流動出發(fā)，采用根據(jù)流動特點進行簡化的方式，先建立物理模型，再得到數(shù)學模型，進而得到我們在書中經(jīng)?？吹降暮芏唷袄碚摗保热绮豢蓧簾o旋流、旋渦動力學、水波動力學、氣體動力學等等，甚至理論中還包括理論，比如不可壓無旋流中還有自由流線理論，等等。形成一個類似于俄羅斯套娃的學科結構，這種結構容易給人一種支離破碎的印象。如果在空氣力學課程后續(xù)學期增加一些CFD的內(nèi)容，會使得學生對方程描述的重要性有個很好的認識。因為方程描述只是一部分，還必須要求解后才能得到各種物理量的分布，從而對問題進行相應的分析。而且，CFD課程也能和實驗課程進行很好的配套，比如層流到湍流的轉淚實驗，彎管中的流動實驗等，借助于CFD技術中的圖片、動畫來展示流場結構，有利于培養(yǎng)學生產(chǎn)生數(shù)值模擬工作的興趣，激發(fā)學生的積極性。

另一方面，畢業(yè)設計是本科教學中的重要一環(huán)，也是最后一環(huán)。畢業(yè)設計的目的之一就是讓學生們綜合運用以前所學的各種知識，進行一次完整的科研訓練，以提高學生們獨立分析和解決實際問題的能力，為以后從事科研工作打下一定的基礎?，F(xiàn)在，畢業(yè)設計中數(shù)值模擬的題目越來越多，而學生們沒有接觸過數(shù)值模擬，往往都是從畢業(yè)設計開始時才開始了解CFD的相關知識，學習相應的軟件，這無疑會影響到畢業(yè)設計的進度，為了提高畢業(yè)設計的進度和題目的完成質量，有必要在大學的培養(yǎng)階段講授相關的CFD知識。

基于此，國內(nèi)外部分院校在本科階段已經(jīng)開設了CFD相關課程，如斯坦福、中科大等知名院校。由于CFD基礎理論知識比較復雜，且本科畢業(yè)設計中關于數(shù)值模擬的題目大都是商業(yè)軟件的應用計算，而且學生們沒有相關計算方法課程的基礎，所以在本科階段的CFD課程應以軟件的應用為主。

2 教學改革的方法與內(nèi)容

空氣動力學專業(yè)方向相關課程包括空氣動力學、風工程、計算流體力學、飛行器設計等。在該系列課程的教學中，始終以計算流體力學的數(shù)值模擬為主要手段，以完成“風能發(fā)電在建筑中的應用”等相關項目為目標，以促進學生對課程基礎知識的掌握，并培養(yǎng)學生理論與實踐交融結合，解決實際工程問題的能力。整個過程主要分為學科基礎驗證性項目、應用型工程項目和綜合性科研項目三個階段：

第一階段：以理論教學為主的專業(yè)基礎知識（如空氣動力學、風工程等課程）學習階段，重點是夯實基礎，改變學生的學習方式，提升學生的專業(yè)知識和技能素養(yǎng)。

第二階段：寬口徑的專業(yè)技術基礎知識（如計算流體力學、風工程應用軟件等課程）學習階段，注重專業(yè)理論與實踐相結合，使學生掌握專業(yè)技術基礎理論和基本實踐動手能力培養(yǎng)學生分析問題和解決實際問題的能力，全面拓展學生的相互協(xié)作及各方面的綜合素質。

第三階段：結合“風能發(fā)電在建筑中的應用”相關項目，采用項目教學手段進行專業(yè)理論與實踐的密切結合，完成畢業(yè)設計的內(nèi)容，注重學生的實踐能力和個性發(fā)展，創(chuàng)新意識與綜合素質的全面提高。

在教學過程的不同階段，所完成的內(nèi)容的側重點應有所區(qū)別。如第一階段，通過教師的指導，以學科實驗性項目為主要內(nèi)容，使學生通過數(shù)值模擬的手段熟悉并加深理解相關專業(yè)基礎知識，掌握基本的完成任務的科學方法。完成的項目內(nèi)容包括“NACA系列翼型的氣動性能的數(shù)值計算”、“二維不同形狀鈍體繞流卡門渦街的數(shù)值模擬”等；第二階段，通過教師的指導，以專業(yè)實踐為主要內(nèi)容，結合實際工程項目，完成一些專業(yè)應用項目。項目內(nèi)容包括“某垂直軸風機的氣動性能的數(shù)值計算”、“某高層建筑繞流流場的數(shù)值風洞模擬”等。第三階段，學生參與教師科研項目研究過程中，以接觸到課程以外的綜合性科研課題或新問題，整理項目資料及各種計算數(shù)據(jù)、形成一份研究報告，并最終以論文的形式發(fā)表。項目內(nèi)容包括“集成垂直軸風機的高層高層建筑繞流流場的數(shù)值模擬”、“增強型垂直軸風機的氣動性能的優(yōu)化與設計”等。

3 教學效果

采用項目驅動式的教學方法，在教學過程發(fā)現(xiàn)中有以下優(yōu)勢：

（1）采用數(shù)值模擬的手段，結合學科知識點的實驗性驗證項目，通過數(shù)值模擬方法的可視化后處理技術，使學生加深理解了相關專業(yè)相對枯燥的基礎知識點。

（2）項目內(nèi)容由淺入深，從基礎知識到專業(yè)知識均有涉及，使學生對相關知識有全面的掌握。

（3）項目驅動的教學方法超越了單純的專業(yè)知識掌握，立足于學生學習能力的培養(yǎng)、以學生的自主性探索性學習為基礎，采用科學研究及實踐的方法，充分調動學生的學習積極性和主動性，培養(yǎng)學生的自學能力以及分析問題和解決問題的能力，能夠激發(fā)和提升他們協(xié)作、創(chuàng)新、探索的精神，解決了在傳統(tǒng)教育下學生理論知識有余，而實際動手能力和實踐經(jīng)驗不足的弊端。

以上的觀點及做法是個人及相關同事在多年的教學過程中，對空氣動力學教學改革提出的一些膚淺看法。在已經(jīng)實踐的過程中看出，該方法能激發(fā)學生自主學習的能力，提高學生工程應用能力，有良好的教學效果。

【參考文獻】

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[2]付煥森.基于工程應用型人才培養(yǎng)的項目驅動教學與研究[J].大眾科技，2012，

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[責任編輯：王楠]