朱伯倫　張德先

摘 要：將數(shù)值模擬仿真應(yīng)用于教學(xué)中，是近年提出的一個關(guān)于計算機(jī)輔助教學(xué)的全新的教學(xué)改革發(fā)展方向。探索了把數(shù)值模擬技術(shù)引入空氣動力學(xué)課程教學(xué)中的實現(xiàn)過程。首先分析了空氣動力學(xué)課程的特點及存在的問題，然后研究了數(shù)值模擬仿真試驗在課程教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢和實現(xiàn)途徑。實踐證明，在空氣動力學(xué)課程中增加一些CFD數(shù)值模擬仿真試驗環(huán)節(jié)，不僅能夠促進(jìn)學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和探索精神。

關(guān)鍵詞：空氣動力學(xué)；CFD；仿真試驗；數(shù)值模擬

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.144

“數(shù)值模擬仿真應(yīng)用于教學(xué)”，是近年提出的一個關(guān)于計算機(jī)輔助教學(xué)的全新的教學(xué)改革發(fā)展方向。隨著數(shù)值模擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，一些教學(xué)工作者已嘗試將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到“氣體動力學(xué)”等課程的教學(xué)中，并取得了良好的教學(xué)效果。然而，據(jù)所查文獻(xiàn)來看，目前數(shù)值模擬技術(shù)在空氣動力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究很少且不完善，有必要進(jìn)一步研究。

本文以空氣動力學(xué)課程為例，探索把數(shù)值模擬技術(shù)引入課程教學(xué)中的實現(xiàn)過程。實踐表明，在空氣動力學(xué)課程中增加一些CFD數(shù)值模擬仿真試驗環(huán)節(jié)，有助于提升教學(xué)效果。

1 空氣動力學(xué)課程實踐教學(xué)存在的問題

空氣動力學(xué)屬于實驗性課程，通過實驗，可以更好地學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。例如，講授機(jī)翼上產(chǎn)生升力的原理時，如果能夠讓學(xué)生親自在風(fēng)洞中測量和分析機(jī)翼表面的壓力分布，將會使學(xué)生有更多的感性認(rèn)識，更好地理解機(jī)翼上產(chǎn)生升力的原理。

然而，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)受實驗條件和招生規(guī)模的限制，難以滿足空氣動力學(xué)課程實踐教學(xué)的需要。我國由于在歷史上受傳統(tǒng)接受式教育模式的影響較大，課程體系與實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置方式比較接近。實踐教學(xué)項目主要包括低速翼型表面壓強(qiáng)分布測量實驗，Laval噴管多種運行工況的調(diào)試實驗，超音速翼型表面壓力分布及氣動力計算。傳統(tǒng)實驗教學(xué)的實踐教學(xué)項目陳舊，實踐內(nèi)容設(shè)置主題不突出（難以圍繞一條主線），綜合強(qiáng)度、深度還不夠。另外，由于傳統(tǒng)實驗不可重復(fù)，出現(xiàn)設(shè)備少、分組實驗學(xué)生人數(shù)較多，演示性實驗多等問題，學(xué)生動手做實驗的機(jī)會很少，因此學(xué)生實驗積極性和參與度不高，更談不上培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和思維創(chuàng)造能力?？傮w來說，與國外以培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力為宗旨的實踐教學(xué)相比，我國空氣動力學(xué)實踐教學(xué)還有很大差距，必須從整體教學(xué)理念、教學(xué)體系的建立等入手進(jìn)行徹底的改革。

2 數(shù)值模擬仿真試驗教學(xué)的應(yīng)用

數(shù)值模擬試驗是指利用CFD技術(shù)對空氣動力學(xué)課程實驗教學(xué)中有關(guān)內(nèi)容（重點、難點）進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，并對數(shù)值模擬過程及結(jié)果以多媒體形式進(jìn)行課堂演示。數(shù)值模擬仿真試驗輔助空氣動力學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 輔助課堂教學(xué)，提高課程教學(xué)質(zhì)量

數(shù)值模擬仿真試驗?zāi)艽蟠筘S富空氣動力學(xué)中許多可教可學(xué)的內(nèi)容，能把許多難教難學(xué)的內(nèi)容變成易教易學(xué)的內(nèi)容。這能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，逐漸消除學(xué)生學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)的畏懼感，變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”，讓學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)變得更簡單。

數(shù)值模擬仿真試驗還有利于開展研討課教學(xué)改革。例如，在課堂上提出問題“升力主要來自機(jī)翼的下表面還是上表面？”然后利用數(shù)值模擬仿真試驗結(jié)果給出翼型表面的壓力系數(shù)分布曲線，在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下，學(xué)生通過對壓力系數(shù)分布曲線的分析，最終得出“升力主要來自于翼型上表面前部”的結(jié)論。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在研討課上所獲取的知識更加扎實和靈活。

2.2 補(bǔ)充傳統(tǒng)實驗，完善實踐教學(xué)

2.2.1 預(yù)演常規(guī)教學(xué)實驗

對于翼型表面壓力測量實驗，可以利用數(shù)值模擬仿真試驗預(yù)演方法，使學(xué)生首先有充分的認(rèn)識，然后再結(jié)合實際的試驗現(xiàn)象，則可以達(dá)到很好的教學(xué)效果。

2.2.2 補(bǔ)充常規(guī)教學(xué)實驗

超音速翼型表面壓力分布實驗和繞圓柱非定常流動實驗均可以通過數(shù)值模擬仿真試驗進(jìn)行。這些實驗在很多高校是無法進(jìn)行的。

2.2.3 不受時間、地點等的限制，教學(xué)效率高

采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)值模擬仿真試驗將大大改善實驗室條件不足的問題，為實驗教學(xué)帶來重大變革。

2.3 開展創(chuàng)新訓(xùn)練項目，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力

借助大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目平臺，目前已有部分學(xué)生完成了二維翼型流動數(shù)值模擬仿真試驗。從試驗完成情況來看，此試驗項目可以切實增強(qiáng)學(xué)生運用空氣動力學(xué)知識獨立分析、解決實際問題的能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用先進(jìn)數(shù)字化工具進(jìn)行研究的能力，為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程和進(jìn)一步開展創(chuàng)新活動奠定良好的基礎(chǔ)。

3 總結(jié)和展望

課程的改革既包括教學(xué)內(nèi)容的更新，又包括教學(xué)方法的更新?？諝鈩恿W(xué)中的許多概念是抽象難懂的，學(xué)生只通過看書和做題來學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)課程是不夠的。作為教師，也要勇于創(chuàng)新，不斷應(yīng)用新的數(shù)字化工具來更新教學(xué)方法。讓學(xué)生學(xué)會用數(shù)值模擬技術(shù)學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)課程，讓教師學(xué)會用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行空氣動力學(xué)教學(xué)，是當(dāng)前和未來空氣動力學(xué)教學(xué)改革的方向。從目前開展的數(shù)值模擬仿真試驗情況來看，在空氣動力學(xué)教學(xué)中引入數(shù)值模擬仿真試驗不僅切實可行，還非常必要。

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〔編輯：劉曉芳〕