鮑超明 胡俊明 張代雨

摘? 要? 在新工科建設背景下，高校教學應及時更新教學內容、引進先進教學方法。流體力學是環(huán)境工程專業(yè)的一門學科基礎課，計算流體力學（CFD）技術已經在環(huán)境工程中有了長足發(fā)展。通過項目式教學法將CFD技術引入環(huán)境工程流體力學教學，有助于提高學生的學習和研究能力。

關鍵詞? 環(huán)境工程流體力學；項目式教學；CFD技術

中圖分類號：G642.41? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）20-0031-04

0? 引言

目前國家正大力開展新工科建設，以培養(yǎng)和造就一批具有交叉創(chuàng)新能力、基礎扎實、素質卓越的復合型工程技術人才[1]。在這種新需求、新理念下，高校人才培養(yǎng)應該及時更新教學內容、引進先進教學方法，使得學生能夠適應當下及未來的產業(yè)發(fā)展。

項目式教學是一種以學生為中心的教學方法，通過要求學生個人或團體合作完成一系列項目任務，自主查找必要的參考資料，選擇和學習有效的工具，以解決現實生活中的實際問題，在這個過程中鍛煉學生獲取知識和解決問題的能力。項目式教學融入CDIO理念，即一般分為構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）四步驟[2]，整個過程由學生和教師共同討論完成，學生將由被動接受轉變主動參與。

1? 環(huán)境工程流體力學

環(huán)境工程流體力學是流體力學在環(huán)境工程專業(yè)中的應用。眾多的環(huán)境污染問題都涉及流體運動的問題。環(huán)境一般都包括大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。由于工業(yè)的發(fā)展和人類的集中生活，大量有害于人類和其他生物的工業(yè)廢物和生活廢棄物被排放到大氣、河流、湖泊等流體環(huán)境中，并隨著這些流體的擴散轉移而擴大影響范圍。環(huán)境工程主要研究不同形式排放的污染物進入環(huán)境流體的污染特征及變化規(guī)律，為環(huán)境污染的控制管理及污染事故做出準確預報，為擬建設的水利工程等環(huán)境影響評估提供科學依據[3]。各類環(huán)境污染問題中，通常以有害固氣體和顆粒物等為特征污染物，這些污染物在環(huán)境流體中的運動涉及流體力學中復雜困難的多相流問題，包括分層流和顆粒流等兩相流，以及更加復雜的三相流問題。

傳統(tǒng)環(huán)境工程流體力學本科教學主要是教師向學生傳授流體力學經典理論知識，沒有將現代的流體力學研究方法和發(fā)展成果應用到實際教學中，一些教學方式和模式沒有適應新技術的發(fā)展。而且由于交叉學科的不斷涌現，既有的一些知識體系滯后于市場需求。如在現實生活中，環(huán)境污染問題常涉及復雜的流體多相流問題，而環(huán)境工程專業(yè)的教學對這方面也涉及較少。這些理論知識內容深奧、數學推導復雜，學生難以學懂并往往認為學而無用。

計算流體力學（Computational Fluid Dyna-mics，CFD）是建立在經典流體力學與數值計算方法基礎上的一門學科，它通過計算機數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值解，從而達到求解物理問題的目的[4]。作為一種研究流體運動規(guī)律的有效工具，CFD能夠形象地展示流場內部結構，從機理的角度解釋相應流動的特點。傳統(tǒng)的流體力學教學注重傳授基礎理論知識，只能對一些簡單模型進行流場分析，與實際情況相差甚遠。而CFD技術具有簡單易操作、可視化等諸多優(yōu)點，與環(huán)境工程流體力學本科教學緊密聯系，可以取得較好的教學效果，加深學生對流體力學理論知識的理解。本文以環(huán)境工程流體力學教學為例，基于項目式教學理念，探析CFD技術在流體力學教學中的應用。

2? 課程目標

“中國工程教育專業(yè)認證標準”中畢業(yè)要求第一條就是能夠將數學、科學、工程基礎知識以及某個特定專業(yè)的工程知識用于解決復雜工程問題[5]。新工科人才培養(yǎng)應該使學生掌握更先進的知識，包括自然科學、數學、工程科學、人文社科、專業(yè)和學科等方面的知識[6]。流體力學是環(huán)境工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，是水污染控制工程和給排水管網系統(tǒng)課程的共同基礎。通過流體力學課程教學，學生應該掌握場論等數學基礎知識，了解流體運動的數學表述形式并能夠利用數學方法進行分析，掌握支配流體運動的基本物理定律及基本方程的數學表達形式，培養(yǎng)分析和解決實際問題的能力，為后續(xù)課程學習以及未來從事專業(yè)工作和科學研究工作打下數學理論基礎。通過課堂教學環(huán)節(jié)，學生需要掌握的流體力學基礎理論知識有：

1）掌握流體力學中的一些基本概念，以及描述流體運動的基本方法和基本方程；

2）理解和應用粘流理論、邊界層理論等內容；

3）掌握壓力、速度和流體動力的測量方法；

4）對管道中的一般流動問題具有分析和計算的能力；

5）一些與環(huán)境密切相關的流體力學理論內容，比如擴散理論。

新工科教育模式下，還需要有先進的教學內容。CFD已經進入工業(yè)應用和科學研究時代，已經迅速成為現代工程應用中解決復雜問題的一種常用方法，成為一門與環(huán)境工程息息相關的交叉學科。CFD技術預測會成為解決環(huán)境問題的核心技術，如程昊淼等[7]利用CFD商用軟件Ansys-Fluent對研究范圍的污染物全時空擴散進行數值模擬，考察城市住區(qū)規(guī)劃中平面布局、豎向設計與建筑選型等方面對街區(qū)通風條件和大氣污染物消散的影響。CFD能夠結構設計的初期階段，在不建立實際物理模型的前提下，利用數值方法對結構的各項性能進行分析，優(yōu)化設計方案。

本門課程應養(yǎng)成學生自主學習的習慣，能主動利用網絡資源、仿真軟件等自主學習計算流體力學和實驗流體力學的入門知識，包括CFD分析流程：前處理、求解器以及后處理。教師也要將CFD技術應用到流體力學基礎理論知識的教學，通過將典型流動利用CFD方法進行數值模擬，在教學中對軟件調試過程進行演示，引導學生對數值結果進行分析，在這一過程中加深對流體力學概念的理解。如對圓柱繞流進行數值模擬，幫助學生理解流線、漩渦、邊界層分離以及卡門渦街等流體知識。

3? 教學方法

根據新工科教育模式的需求，教學方法需要整合各個方面的教學資源，將與時俱進的先進教學方法整合到傳統(tǒng)教學中，及時吸取新的教學經驗和手段，創(chuàng)新教學和學習方法。本課程強調理論與實踐相結合，通過理論學習、實踐運用、課堂討論、課后動手，使學生獲得知識運用能力、實驗分析能力和工程設計能力。教師在教學中應注重工程實例的引入和分析，引導學生獨立思考和自主分析，并因材施教；應結合授課內容，適當安排不同難度的復習思考題（建議分成基本、提高、綜合三個層次）或實踐項目題（貫穿整個教學過程，分階段檢查推進）。本課程建議采用以下教學方法。

3.1? 傳統(tǒng)教學的課堂講授

引入新概念或新實例，講解重點和難點，以便學生課后學習；習題課上，通過課堂練習檢查學生的學習效果，回答學生的問題；結合所學知識對環(huán)境工程領域與水動力學相關的工程問題進行調研，學生匯報交流。

3.2? 基于項目的學習

教師從實際問題出發(fā)，帶領學生一步步解決問題、化解矛盾，在這一過程中訓練學生的邏輯思維能力及解決問題的能力。通過利用CFD軟件解決實際問題，培養(yǎng)學生學習軟件的興趣。通過對軟件的實際操作，讓學生熟練掌握軟件的使用方法。

3.3? 自主學習

讓學生利用公開課、微課、MOOC等網絡教學資源以及仿真軟件自主學習相關內容，預習、復習課堂教學內容，完成思考題和實踐項目等?；ヂ摼W上存在大量的學習資源，學生可以根據自己的興趣主動搜索相應學習材料。

4? 教學反饋

經過新工科模式下的學習，學生除了應該掌握流體力學基礎知識，也應該學會利用商用CFD軟件解決實際問題。為了達到這個目標，教師應該對學生的學習情況有所掌握，引導學生根據自身學習情況及時反饋學習進度。教師可以根據教學活動的不同階段，采取不同方法，加強與學生的聯系。教師在了解學生的學習效果后，可以通過各種渠道積極修改教學計劃。

1）學生可以采用郵件、QQ等形式及時將學習情況反饋給教師，教師應相應地及時調整和靈活應對學生的學習需求。

2）每次作業(yè)批改后，教師應及時反饋學生的作業(yè)情況，并提出適當的意見。作業(yè)應至少評分 1/3的學生，每個學生應至少評分一次。

3）根據每次教學研討會的實際情況，教師認真分析研討會計劃和每個小組中其他團隊成員的積極參與程度，總結每個學生的優(yōu)缺點，找出每個學生感興趣的知識點，在課堂上積極引導并適當拓展相關知識點。

4）教師認真糾正學生提交的綜合實踐項目的大型作業(yè)，總結分析計算方法的合理性、計算結構的準確性、設計圖紙的標準化、設計報告的完整性等，找出學生的知識薄弱環(huán)節(jié)，適當修改教學安排， 并專注于解釋。

5）教師應采用課堂練習等適當形式，分階段檢查學生的學習效果，并適當調整教學安排。定期檢查應不少于2次。

教學結束后，教師應仔細分析教學活動的課程目標實現情況，特別是不同評價方法下的不一致之處，并在下一輪教學活動中繼續(xù)改進。此外，對學生在后續(xù)課程學習和下班后利用本課程知識解決相關工程問題的能力進行適當跟蹤，關注與本課程相關的社會需求和技術發(fā)展，并將其用于本課程的持續(xù)改進，及時修訂教學大綱和教學計劃。

5? 教學考核

目前的流體力學課程注重理論知識傳授，通過卷面考試進行考核。在新工科建設背景下，單純的卷面考試方式已經不能滿足考核學生思考并解決實際環(huán)境工程問題能力的要求。基于項目式教學方法，本課程需要解決傳統(tǒng)流體力學考核僅局限于教材的問題，應該思考調動學生自主學習、團隊協(xié)作和積極創(chuàng)新的能力，并提出合理的考核標準進行評估。所以，在傳統(tǒng)的卷面考試考核基礎上，還需要制定針對項目式教學的評估方法。

流體力學的基本概念和知識是學習CFD的重要基礎。課程考核由過程考核（30%）+期末考試（70%）組成，加強過程考核。在過程考核中應注意學生個體差異，適當制定個性化評價方式，并適時進行評價。期末考試采用閉卷筆試形式，時間120分鐘，滿分100分；試題難度等級分為基本題、應用題和設計題，大致比例為2∶3∶5。其中，基本題考查學生的基本理論、基礎知識掌握情況；應用題考查學生運用所學知識分析問題、解決問題的能力；設計題考查學生的系統(tǒng)設計能力。題量應保證中等水平學生可以2小時內做完，并有時間復查。試卷內容應充分支撐課程目標要求，各教學單元的主要考查知識點如表1所示。

針對項目式教學，教學階段可以查找利用CFD技術處理環(huán)境問題的論文，讓學生利用CFD軟件進行還原，以此培養(yǎng)學生的收集資料能力、團結協(xié)作能力以及協(xié)作能力。課程考核可以讓學生分組，多個學生組成一個項目團隊，各項目團隊主動去發(fā)現感興趣的環(huán)境問題，利用CFD軟件完成環(huán)境工程數值模擬分析并形成報告。組內學生應說明為完成項目報告所完成的任務，包括提供選題、查閱資料、數值模擬、撰寫報告以及初稿修改等工作，每個小組還應確定成員各自的貢獻度。教師通過審閱報告質量、成員貢獻度以及日常記錄等進行評價。

6? 結束語

在國家大力開展新工科建設背景下，高等院校人才培養(yǎng)應緊跟產業(yè)發(fā)展需求。環(huán)境工程流體力學是流體力學在環(huán)境工程中的應用。要將現代的流體力學研究成果和教學方法應用到實際流體力學教學中，采用項目式教學方法，以學生為中心，通過利用CFD技術解決一系列項目任務，并引入流體力學教學活動中，加深學生對流體力學基礎理論知識的理解，掌握利用商業(yè)CFD軟件解決實際問題的方法，有利于提高學生的學習和研究能力，以適應當下及未來的產業(yè)發(fā)展。

參考文獻

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作者：鮑超明、胡俊明、張代雨，江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，講師，研究方向為流體力學、船舶水動力性能（212100）。