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基于案例教學的工科研究生CFD課程改革探討1

章大海 周昌靜

[中國石油大學(華東)化學工程學院 山東青島 266580]

【摘要】 案例教學是基于實踐問題導向的教學方法,文中在分析了工科院校中引入案例教學的可行性和必要性后,重點探討了在CFD課程中案例教學的實施方法。通過討論講解型教學案例和引入型教學案例的實施,可以全面培養工科學生的工程意識與創新思維,使其將CFD知識與工程問題緊密結合,提高學生解決工程實際問題的能力。

【關鍵詞】 計算流體力學;教學改革;案例教學;工科研究生

0 引言

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)是建立在流體力學基礎之上的一種解決流動換熱問題的研究手段,同時它又具有理論性和實踐性的雙重特點,現已發展成一門獨立的學科。目前在(理)工科院校中,CFD課程已成為研究生的一門專業必修課。工科院校具有很強的工程應用背景,工科類專業是工科院校的主體,也往往是所在高校的特色專業,具有較強的應用性特征。在工科院校中,如何開展CFD課程的建設,如何將教學內容與工程實際緊密聯系,已成為眾多研究者關注的熱點[1]

案例教學起源于1880年,由哈佛大學開發完成[2],20世紀80年代引入中國高校。案例教學是指在教師的精心策劃和指導下,提煉和采用現實生活中已經發生的一些典型案例做為教學材料,將學生帶入特定事件的情境中,在教師的組織引導下,對原理、理論和概念進行解釋,以加深學生對知識的理解和掌握,學生采用個人閱讀分析、小組合作探究和全班交流互動等學習形式去探究案例問題,提出解決方案。近年來,一些國內高校已經將案例教學成功應用于教學中[3],并取得了很好的效果。

1 案例教學的可行性與必要性

隨著工程技術的進步和計算機技術的發展,工程設計理念也發生了根本的變化,傳統的相似設計和實驗研究步驟繁、時間長、成本高,需要經歷數次模型機和原型機的相似數據換算;在引入CFD后,繁重的計算任務主要由計算機完成,且省去了相似設計時兩套數據之間的不斷轉換,工程人員的主要工作已變為建立模型和生成網格,并對計算機給出的分析結果進行判斷,進而設計出優化的結構,這就是所謂的CFD設計理念[4]。案例教學正順應了這一工程理念的設計變革,案例教學的具體作用有以下幾點。

(1)作為原有課堂教學內容的補充。傳統的教學內容按章節分門別類,每一章節各有主題,但反映綜合問題較少,不能遍及工程問題中涉及的各方面知識,而案例分析正可以彌補這種不足,起到補充教科書的作用。譬如通過周期性流動與換熱問題的案例講解,可以讓學生了解流動換熱問題的求解過程,掌握特殊邊界條件的處理及計算方法,對CFD模擬有了更為形象直觀的概念。通過典型的工程案例,使教學活動處在真實的情景中,學生親自參與其中,關注工程問題并尋求解決問題的方案,在寬松的教學環境中參與討論,感受求知的樂趣。因此,案例教學與傳統教學可以形成很好的互補關系,使課堂教學過程更有活力。

以石油石化為背景的特色型工科院校,從石油的開采到煉制,具有很多典型的CFD應用案例。比如海洋石油開采中隔水管的抑振、石油天然氣運輸過程中在泵和壓縮機內的流動、石油煉制過程中換熱器內的流動換熱、多相流在旋風分離器中的分離以及工業燃氣輪機中熱端部件的冷卻等,這些案例均是對CFD課程的有益補充。不僅能使學生更好的掌握CFD的基本概念,方法,步驟,也能擴展學生的知識面,滿足學生全面性發展的需要。

(2)理論與實際相結合。工程案例是最好的現實教育素材,帶有豐富的信息知識、經驗教訓和哲理智慧,能幫助學生了解CFD與工程的關系,使學生感到工程中處處有CFD的知識,流體力學知識不再抽象,從而提高了對CFD課程學習的熱情。同時,案例中的問題五花八門,錯綜復雜,需要觀察分析,總結歸納,將書本上的知識靈活應用,這種訓練過程也提升了學生解決工程問題的綜合能力。

(3)培養問題意識和思考習慣。案例教學一改原有教學中給定條件進行求解或給定參數進行設計的模式,而是以工程問題為先導,既沒有現成公式,也沒有固定的研究模式,為尋求答案,學生必須積極思考,久而久之,養成分析問題的習慣。

2 以學生為主體的討論講解型教學案例的實施

案例教學有別于課堂理論教學,必須突出學生的主體地位[5]。以學生為主,教師為輔,鼓勵和引導學生,激發學生的主動性、讓學生積極思考、積極參與討論。討論講解型案例以學生討論為主,教師作總結和點評,以學生為主體[6]。此類案例往往選擇較為綜合性的案例進行剖析討論,案例的實施必須有教師課前準備、學生資料收集和準備、課堂討論、課后點評幾個步驟。

(1)教師的課前準備。主要從以下多方面做好案例教學準備:精心選擇案例、組織教學內容、確定重點難點、設置教學問題等。在這一過程中,要求教師應充分熟悉教學大綱及教材內容;了解學生的背景資料,把握學生心理;擬定教學行動計劃,制定教學方案;明確教學目的、重點、難點,確定教學思路和組織課堂教學秩序;根據教學目的及教學重點、難點選擇典型案例,列出問題討論提綱,并提前發給學生。

(2)學生的課前準備。案例教學需要學生積極配合,為達到案例教學的預期目的,教師對學生提出如下幾點要求:首先,學生獨立分析案例,分析案例中所涉及的課程的內容,并確定采用什么原理和理論分析。其次,對教師提出的每一個問題進行獨立思考和分析,并對案例中問題出現的原因進行分析,提出解決的方案。另外,還可以對一些非CFD問題進行探析,培養學生分析研究性思維。

(3)具體討論階段。具體討論階段可以由教師提出問題。比如為什么要采用邊界層網格劃分?還可以采取什么措施進行壁面處網格的加密等。另外,從物理問題的簡化中得出邊界條件的類型;從克服假擴散的角度討論對流項離散格式的選擇,以及其他克服假擴散的方法。不同課程有不同的問題設置點,可以讓學生分組進行討論,學生上講臺進行講解,分析其中的CFD問題,其他學生進行補充或因懷疑而提出新的看法。教師則對每組學生的講解進行必要的記錄,引導學生全方面思考。

(4)教師點評階段。教師的點評對于討論課程往往要求客觀地對學生的見解進行肯定表達,從而總結性地給學生一個評價。討論結束后,教師應對討論問題發表自己的意見,得出共同結論。對有異議的問題,讓學生課后深入思考,求得新知,鼓勵他們發表不同意見。同時,引導他們利用課本的基本理論、原理、方法去解決實際問題,最終變促進學習為自主學習。

3 引入型教學案例對理論內容講授的促進

計算流體力學課程的培養目標是通過教學及實踐環節,使學生理解和掌握計算流體力學的一些基本原理和基本計算方法,學會運用計算機模擬去解決一些流體數值計算問題,為從事工程技術工作、科學研究及開拓新領域,打下堅實的基礎。故在實施案例教學法的同時,也要兼顧到學生對基本原理和基本計算方法的掌握,盡量提高他們的理論素養,或是理論上的創新能力,因為CFD不僅是一種解決工程問題的手段,同時它還是一門學科,而只有理論上的原創才能推動學科的發展。比如求解N-S方程中壓力與速度的耦合算法的發展,從SIMPLE算法到SIMPLER算法,再到SIMPLEX算法,每一種算法的推出都使得CFD學科向前邁進,從而使得流體力學學科得到發展[7]

引入型教學案例,即在課程開始的開場白或課題教學工程實例中,教師對案例引入,然后對案例進行分析討論,最后開始理論教學而達到教學效果[6]。對于引入型教學案例,較接近于舉例教學,但又不同于單單的舉例。對于課堂開始的案例引入,即為開場白,這是課堂案例討論前的重要環節,因為開場白對討論課氣氛的基調和誘導學生發言有重要作用。引入型案例要有啟發性、鼓動性,語言簡短明確,語氣親切感人。同時教師也可以介紹一些有關案例操作時的感受、趣聞,以引起學生的注意。比如,講解圓柱擾流問題,可以從美國塔克瑪大橋損毀引入,激發學生的興趣。總的說來,引入型教學案例主要在于教師的引入,在引入過程中學生參與討論,并提出相關問題,豐富課堂理論教學。

在討論講解型具體案例的實施過程中,教師也應在相應的地方補充講授相關的理論原理及計算方法。比如在對物體網格劃分時,要補充講授不同的網格類型和優缺點以及網格劃分的基本原理和技巧;在離散格式的設置中,要講授不同的差分格式,并對不同差分格式的數學物理特性進行分析,讓學生不僅做到知其然,還要做到知其所以然。通過對實際案例的細致分析及理論擴展,讓CFD課程不僅具有很強的應用性,也讓課程內容變得豐滿。

4 結語

通過對CFD課程案例教學的可行性和必要性分析,可以看出只要在教學中加入案例分析,并對案例進行合適的選取和提煉,進行引入或討論案例教學,可以大大提高教學水平。案例教學在CFD領域是一種十分有效的方法,但也具有一定的局限性,在運用中還必須與理論教學相結合。目前工科人才培養目標要求培養復合型、創新型人才,培養學生能解決實際問題的能力。案例教學,讓學生饒有興趣地在工程實例中發現問題、思考問題并最終獲得答案,它能激發學生的學習熱情,有利于學生對CFD知識的理解和應用。案例教學將CFD課程賦予一定的工程背景,使學生將所學的知識緊密地與工程實際相聯系,于潛移默化中培養學生對工程的感悟能力,這正是教師所期盼的。

參考文獻

[1] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[2] 劉剛.哈佛商學院案例教學作用機制及其啟示[J].中國高教研究,2008(5):89-91.

[3] 楊衛.案例式教學:固體力學的前沿應用[C]/力學課程報告論壇組委會.力學課程報告論壇論文集.北京:高等教育出版社,2009.

[4] 張永華.應用案例教學法提高工科大學生工程素質的探討[J].云南農業大學學報,2012,6(1):106-109.

[5] 章大海.以學生為主體的“計算流體力學”課程教學思考[C].第十三屆全國高等學校過程裝備與控制工程專業教學和科研校際交流會.2013,山東青島.

[6] 廖孟柯,張曉芳.工科課程案例教學模式探索與實踐[J].黑龍江教育-高教研究與評估,2011,949(5):79-80.

[7] 章大海,王建軍,王宗明等.關于計算流體力學教學的若干思考[J].教書育人(高教論壇).2011,(5):94-95.

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