丁林　宋天　吳春梅

摘 要：虛擬仿真教學(xué)在新工科建設(shè)中具有重要地位，案例教學(xué)是仿真教學(xué)的重要手段之一。本文對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)多物理場(chǎng)仿真教學(xué)案例建設(shè)過程進(jìn)行了總結(jié)，建設(shè)形成了知識(shí)面覆蓋廣、專業(yè)特色突出的案例素材庫(kù)，給出了能源與動(dòng)力工程專業(yè)仿真案例教學(xué)建議和方法。多物理場(chǎng)仿真案例的建設(shè)既能滿足學(xué)生教學(xué)需要，又能滿足工程實(shí)踐要求，使能源動(dòng)力類課程教學(xué)內(nèi)容體系與實(shí)際聯(lián)系更加密切，有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：仿真教學(xué); 案例建設(shè); 能源與動(dòng)力工程

中圖分類號(hào)：G64 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2021）3-176-002

伴隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)受到高等教育工作者的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。虛擬仿真貫通了課程及對(duì)象的認(rèn)識(shí)、選擇、建模、運(yùn)算、整理和分析的整個(gè)過程，在認(rèn)識(shí)對(duì)象、手段及結(jié)果上與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著顯著差異[1]。能源與動(dòng)力工程這一普通高等學(xué)校本科專業(yè)，是以工程熱物理相關(guān)理論為基礎(chǔ)，面向能源轉(zhuǎn)化利用及動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的專業(yè)[2]。能源與動(dòng)力工程專業(yè)教學(xué)重點(diǎn)面向各種能源的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)，而動(dòng)量傳遞、傳熱、傳質(zhì)以及導(dǎo)電過程幾乎是每一種能源應(yīng)用所必然涉及的物理過程。值得注意的是，虛擬仿真過程中可以綜合考慮現(xiàn)實(shí)世界存在的多方面的影響因素，多物理場(chǎng)耦合通過仿真工具也更容易實(shí)現(xiàn)，有助于學(xué)生對(duì)于多物理場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)。為了使學(xué)生系統(tǒng)掌握使用工程軟件針對(duì)學(xué)習(xí)和應(yīng)用過程中遇到的各種工程問題進(jìn)行數(shù)值建模和分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的技能，采用典型案例分析，將理論與實(shí)際相結(jié)合，對(duì)于學(xué)生從事能源學(xué)科領(lǐng)域的操作和分析工作具有重要的意義。目前高校的教學(xué)方式主要是多媒體課件結(jié)合板書教學(xué)，另外輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行授課。大量實(shí)踐證明，采用案例進(jìn)行授課能有效提高學(xué)生對(duì)知識(shí)理論的理解，提高和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維能力[3-5]。采用案例法不僅能夠建立起理論與實(shí)際的橋梁，還能加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，幫助學(xué)生樹立牢固的工程意識(shí)。另外，通過案例教學(xué)加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象，提高學(xué)生分析和解決問題的能力，最終提高整個(gè)課程的教學(xué)效果[6]。為了能在能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生中開展案例教學(xué)，前期的仿真教學(xué)案例構(gòu)建和建設(shè)工作顯得尤為必要，構(gòu)建案例和實(shí)施案例教學(xué)是兩個(gè)相輔相成的過程。因此，構(gòu)建多物理場(chǎng)仿真教學(xué)案例就是為了進(jìn)一步滿足《工程熱力學(xué)》《傳熱學(xué)》《工程流體力學(xué)》《燃燒學(xué)》等能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程的教學(xué)需求。

一、能源動(dòng)力類案例建設(shè)與教學(xué)意義

建設(shè)面向能源與動(dòng)力工程專業(yè)的多物理場(chǎng)仿真教學(xué)案例，既能滿足能源動(dòng)力類專業(yè)學(xué)生教學(xué)需要，又能滿足當(dāng)代大學(xué)生教育過程中工程實(shí)踐的要求。使能源動(dòng)力類課程教學(xué)內(nèi)容體系與實(shí)際系統(tǒng)聯(lián)系更加密切，使學(xué)生學(xué)習(xí)目的更為明確，更有系統(tǒng)針對(duì)性;教學(xué)過程循序漸進(jìn)，不斷深入實(shí)際，提高學(xué)生參與熱情和積極性;以實(shí)踐為導(dǎo)向、學(xué)生為主體，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提升學(xué)生溝通能力、批判性思維、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力。

1.滿足能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生案例教學(xué)的需要

案例教學(xué)法比傳統(tǒng)教學(xué)方法具有諸多優(yōu)勢(shì)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與熱情，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程教學(xué)過程中，教師要開展案例教學(xué)活動(dòng)必須儲(chǔ)備一定數(shù)量和質(zhì)量的案例素材，實(shí)施案例教學(xué)離不開優(yōu)秀案例的建設(shè)。而且案例的選擇必須緊密結(jié)合專業(yè)課程。

2.提高能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生的職業(yè)技能

能源與動(dòng)力工程專業(yè)有很多實(shí)踐性的課程，目的在于縮短人才培養(yǎng)時(shí)間，提高人才培養(yǎng)效率，促進(jìn)學(xué)生在校期間學(xué)習(xí)和掌握能源與動(dòng)力工程領(lǐng)域的職業(yè)技能，增強(qiáng)學(xué)生在人才市場(chǎng)中的崗位競(jìng)爭(zhēng)力。案例教學(xué)正是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的最主要和最有效的途徑。

3.開發(fā)能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新思維

構(gòu)建面向能源與動(dòng)力工程專業(yè)的多物理場(chǎng)仿真教學(xué)案例，不僅能訓(xùn)練學(xué)生職業(yè)技能，培養(yǎng)具有熟練職業(yè)技能的合格人才，而且還能幫助學(xué)生理解專業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。另外，構(gòu)建體現(xiàn)能源與動(dòng)力工程特色的案例，不僅能為學(xué)生提供大量的具有特色的仿真分析資料，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算方法和手段的改進(jìn)，而且還有利于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

二、案例建設(shè)方案與組成

通過案例資料收集、技術(shù)交流、理論分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化等，提煉和總結(jié)案例所涉及的工程問題，設(shè)計(jì)并建立動(dòng)力工程與先進(jìn)能源技術(shù)多物理場(chǎng)仿真過程中解決問題的思路，用于能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。選擇具有代表性的課程案例，對(duì)涉及動(dòng)力工程與先進(jìn)能源技術(shù)的多物理場(chǎng)仿真教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組，采取知識(shí)點(diǎn)—單一課程案例—綜合案例的順序，內(nèi)容重點(diǎn)包括面向仿真基礎(chǔ)的幾何結(jié)構(gòu)編輯、網(wǎng)格技術(shù)、離散方法、方程求解等，也包括與能源與動(dòng)力工程專業(yè)緊密結(jié)合的內(nèi)容，主要是傳質(zhì)仿真、傳熱仿真、導(dǎo)電仿真及多物理場(chǎng)綜合仿真等部分。經(jīng)過總結(jié)能源動(dòng)力類專業(yè)課程的內(nèi)容和特點(diǎn)，其中具有代表性的知識(shí)點(diǎn)案例、單一課程案例和綜合案例需要具備以下特點(diǎn)。

1.案例素材具有代表性且覆蓋面廣。所有案例都是基于多年仿真研究精心挑選出來的，所選實(shí)例基本覆蓋了能源與動(dòng)力工程專業(yè)涉及的物理場(chǎng)的耦合。案例素材均考慮多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用，能使學(xué)生更好地理解多物理場(chǎng)的耦合，涵蓋流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱、導(dǎo)電、聲場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉。

2.所選案例結(jié)合重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)在該領(lǐng)域的突出特色，不僅注重動(dòng)力工程專業(yè)知識(shí)的掌握，也注重基礎(chǔ)物理理論及計(jì)算方法的應(yīng)用，使任課教師在課程教學(xué)時(shí)能夠根據(jù)案例素材簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地達(dá)到教學(xué)目的。同時(shí)，案例建設(shè)與教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的實(shí)踐性，讓學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)提高獲取信息、加工信息、處理信息的能力。

對(duì)于知識(shí)點(diǎn)案例，以三維綜合建模及網(wǎng)格的劃分實(shí)例為例，為學(xué)生講解幾何結(jié)構(gòu)的編輯，這也是仿真教學(xué)的基礎(chǔ)。對(duì)于單一課程案例，比如可以設(shè)置針對(duì)《傳熱學(xué)》的熱交換器中的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流模擬、水杯中的自然對(duì)流等具體案例，促進(jìn)學(xué)生了解單個(gè)物理場(chǎng)仿真問題。針對(duì)綜合案例，需綜合考慮能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生的大多數(shù)課程知識(shí)點(diǎn)，可設(shè)置包括管殼式換熱器、燃料電池仿真等極具能源特色的案例。

三、案例教學(xué)內(nèi)容及實(shí)踐

案例教學(xué)重視理論與實(shí)踐相結(jié)合，采用課堂參與、小組研討、案例教學(xué)、合作學(xué)習(xí)、模擬教學(xué)等方式。在案例教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)，教師需要結(jié)合課程知識(shí)、學(xué)生興趣與案例亟需解決的問題;以學(xué)生的需求和興趣為出發(fā)點(diǎn)，發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)素養(yǎng)，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造思維;讓學(xué)生主動(dòng)收集信息，篩選信息，提出問題，教他們?nèi)绾窝芯浚绾潍@得一些必要的解決問題的技能;教師一般不給學(xué)生結(jié)論性的東西，而是要求學(xué)生充分利用手中的資源自主學(xué)習(xí);教會(huì)他們?nèi)绾喂芾砗米约旱臅r(shí)間;在遇到問題時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生努力尋找解決問題的辦法，為自己的研究提出下一步的決策;鼓勵(lì)和支持團(tuán)隊(duì)合作。案例教學(xué)采用理論結(jié)合實(shí)例的方式，案例實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)具體案例分析、掌握建模的思路、步驟、要點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題與解決問題的能力;案例講解采用文字結(jié)合插圖的方式，提供大量的操作插圖，大大降低了操作失誤率，節(jié)約了學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。動(dòng)力工程與先進(jìn)能源技術(shù)多物理場(chǎng)仿真案例教學(xué)涵蓋的主題主要包括以下6個(gè)部分：（1）物理問題的數(shù)學(xué)模型：包括連續(xù)介質(zhì)、流體動(dòng)力學(xué)、固體動(dòng)力學(xué)、聲波、電磁、狀態(tài)方程及定解條件等。（2）幾何建模與網(wǎng)格生成技術(shù)：結(jié)合案例分析結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、動(dòng)網(wǎng)格、復(fù)雜計(jì)算區(qū)域的處理方法等。（3）常見數(shù)值算法：以具體案例，講述有限差分、有限體積、有限元等常見數(shù)值方法。（4）動(dòng)力工程領(lǐng)域單物理場(chǎng)仿真：以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射為例，結(jié)合綜合案例實(shí)現(xiàn)單物理場(chǎng)仿真。（5）弱耦合的多物理場(chǎng)問題：實(shí)際科研或者工程問題多表現(xiàn)為多個(gè)物理場(chǎng)相互影響、共同作用，部分情況下物理場(chǎng)間的聯(lián)系較為松散。針對(duì)該情況，以微電阻梁等案例實(shí)現(xiàn)弱耦合多物理場(chǎng)問題的仿真求解。（6）強(qiáng)耦合的多物理場(chǎng)問題：以綜合案例為基礎(chǔ)，討論多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合問題的共同點(diǎn)和挑戰(zhàn)，多物理場(chǎng)的相互作用，有的通過材料屬性變化體現(xiàn)，有的通過求解域幾何變化體現(xiàn)，有的通過自適應(yīng)性質(zhì)的邊界條件的變化而體現(xiàn)，結(jié)合案例學(xué)習(xí)多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合的仿真及計(jì)算。

動(dòng)力工程與先進(jìn)能源技術(shù)多物理場(chǎng)仿真教學(xué)結(jié)合理論和實(shí)踐，通過課程案例分析與工程科學(xué)相結(jié)合。通過案例學(xué)習(xí)，讓學(xué)生理解數(shù)值仿真技術(shù)的真諦，明白這些理論知識(shí)應(yīng)該如何與實(shí)際相結(jié)合。進(jìn)一步，使學(xué)生能夠領(lǐng)悟經(jīng)驗(yàn)豐富的數(shù)值仿真工程師會(huì)如何思考問題，慢慢吸收這些經(jīng)驗(yàn)為自己所用。

四、結(jié)論

案例建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它由一系列緊密銜接的工作環(huán)節(jié)組成。建設(shè)面向能源與動(dòng)力工程專業(yè)的多物理場(chǎng)仿真教學(xué)案例，既能滿足能源動(dòng)力類專業(yè)學(xué)生教學(xué)需要，又能滿足當(dāng)代大學(xué)生教育過程中工程實(shí)踐的要求。案例素材具有代表性且覆蓋面廣，突出能源與動(dòng)力工程專業(yè)特色，注重動(dòng)力工程專業(yè)知識(shí)的掌握的同時(shí)，也注重基礎(chǔ)理論及計(jì)算方法的應(yīng)用。通過案例教學(xué)，使能源動(dòng)力類課程教學(xué)內(nèi)容體系與實(shí)際系統(tǒng)聯(lián)系更加密切，學(xué)生學(xué)習(xí)目的更為明確，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提升學(xué)生溝通能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，最終提高整個(gè)課程的教學(xué)效果。

基金項(xiàng)目：重慶市教育教學(xué)改革項(xiàng)目（No.yjg183009）

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