邵 雪，趙 薇，劉 崢，于 戈

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

面向遼寧省社會經(jīng)濟發(fā)展和行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，圍繞遼寧工業(yè)大學(xué)“省內(nèi)一流高水平應(yīng)用型大學(xué)”的辦學(xué)定位，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程（簡稱“建環(huán)”）專業(yè)建設(shè)瞄準科技前沿和建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型方向，納入行業(yè)新發(fā)展、新技術(shù)、新手段，以滿足應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)要求。

仿真是以相似性原理、信息技術(shù)、數(shù)學(xué)計算及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ)，利用物理或數(shù)學(xué)方法來建立模型，以計算機為工具，利用物理或數(shù)學(xué)方法建立虛擬模型，對真實系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)[1]。它尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而實現(xiàn)認識和改造實際系統(tǒng)的目的[2]，具有很高的科學(xué)研究價值和巨大的經(jīng)濟效益，可解決大量實際工程問題。應(yīng)用較多的為計算流體力學(xué)Ansys 仿真技術(shù)，其可以輔助工程師快速解決設(shè)計難題，減少周期，降低成本，且已進入企業(yè)研發(fā)部門和建筑設(shè)計部門，被廣泛應(yīng)用于概念設(shè)計、詳細設(shè)計、樣機運行、樣機改進四大階段，目前已成為產(chǎn)品設(shè)計流程的基本要素。

為了推進培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)、產(chǎn)業(yè)需求、具有創(chuàng)新能力、高水平、應(yīng)用型人才[3]，一些工科院校也逐漸認識到仿真工具的重要性，并且明晰了用人單位的崗位職責(zé)和任職要求，同時工科專業(yè)教師也意識到其在教學(xué)中的重要意義，領(lǐng)悟其對理論聯(lián)系工程實際的重要性，逐步將其推廣到本科課程的教學(xué)中。但是從目前來看，Ansys 的引用多是在本科高年級的學(xué)生中以團隊、小組開展工程項目研究的方式進行的，其未進入課堂，可見，Ansys 應(yīng)用于課程的教學(xué)效果不理想。而課堂是教學(xué)活動的主陣地，具有推廣范圍大、普及性強的特點，將Ansys引入兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程，能夠踐行我校建環(huán)專業(yè)以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進的人才培養(yǎng)理念[4]，構(gòu)建強化工程實踐能力培養(yǎng)的課程體系、實踐教學(xué)體系和創(chuàng)新教育體系，推動專業(yè)建設(shè)的內(nèi)涵發(fā)展。

一、引入仿真工具的必要性

（一）將理論圖像化，加強學(xué)生的理解

美國當代著名教育心理學(xué)家、認知心理學(xué)家與實驗心理學(xué)家理查德·邁耶[5]認為：“給學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)教學(xué)信息時，語音和畫面是設(shè)計者可利用的有效方式”。

“工程熱力學(xué)”是研究熱、力等能量相互轉(zhuǎn)化的一門學(xué)科，內(nèi)容包括：能量工質(zhì)性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化過程和方向、能量轉(zhuǎn)化設(shè)備、能量傳遞系統(tǒng)流程。學(xué)生普遍認為，整個課程理論性強、系統(tǒng)較分散、教學(xué)案例抽象，熱力計算得出的結(jié)果僅僅是數(shù)值?！皞鳠釋W(xué)”是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，內(nèi)容包括：固體導(dǎo)熱、流體換熱、輻射換熱、流固耦合傳熱等不同類型傳熱方式，傳熱過程復(fù)雜多變，學(xué)生很難掌握多種類傳熱的應(yīng)用，不能說明計算出來的結(jié)果的意義，得出的溫度數(shù)值、壓力數(shù)值、能量數(shù)值僅是靜態(tài)參數(shù)，無法形成完整流場。可見，“工程熱力學(xué)”和“傳熱學(xué)”作為理論公式較多、基礎(chǔ)性較強的課程，如果將數(shù)字轉(zhuǎn)為圖像，由點連成片，由面連成體，利用仿真工具作為輔助，發(fā)散學(xué)生思維，可以使學(xué)生在理解吸收教材知識的同時培養(yǎng)其想象力和創(chuàng)造力。所以，在教學(xué)中，將抽象的、理論性強的理論知識轉(zhuǎn)化成形象、直觀的圖像來講解是行之有效的方法。

（二）提高學(xué)生興趣

Ansys 是實驗的補充，涉及多方面的工業(yè)領(lǐng)域，例如評估空調(diào)房間內(nèi)部的空氣流動，以了解風(fēng)口布置、風(fēng)速、溫度對人體舒適性的影響；評估建筑保溫材料的保溫性能，以了解對北方地區(qū)減少的耗煤量而達到的經(jīng)濟效益；評估電腦、手機等電子產(chǎn)品冷卻方式和冷環(huán)境下的待機時間等。利用身邊的實例激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時把握授課良機，適當引入仿真案例，使學(xué)生明白所學(xué)知識點在行業(yè)的用途：一是，利用模型+游戲，使案例教學(xué)更簡易；二是，結(jié)果直觀+創(chuàng)意，使熱力計算教學(xué)不費時；三是，數(shù)值計算獲得變工況熱力性能變化趨勢，減少計算工作量；四是，將專業(yè)知識轉(zhuǎn)成動畫，使學(xué)習(xí)兩大專業(yè)主課的學(xué)生不再感到困難。

（三）培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

就業(yè)難是大學(xué)教育以及社會發(fā)展客觀存在的問題，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是實現(xiàn)就業(yè)的載體。創(chuàng)業(yè)，是捕獲機會并由此創(chuàng)造新穎的產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)其潛在價值的過程；創(chuàng)新，是以新思維、新發(fā)明和新描述具體特征的一種過程。為了推進大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，學(xué)生從大二開始參加學(xué)校定期舉行的大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽等活動。整個大賽理念是倡導(dǎo)學(xué)校和企業(yè)兩個知識生產(chǎn)主體共同參與知識生產(chǎn)全過程的產(chǎn)品型合作模式。這就要借助仿真工具這個載體來實現(xiàn)，開展現(xiàn)場調(diào)研—數(shù)據(jù)采集—模型搭建—結(jié)果分析—預(yù)測過程等工業(yè)設(shè)計產(chǎn)業(yè)鏈型研發(fā)小團隊協(xié)作，凸顯大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的本領(lǐng)，為大學(xué)生創(chuàng)新、就業(yè)、創(chuàng)業(yè)助力。

二、將仿真工具引入課程的難點和解決方法

Ansys 是目前應(yīng)用性最廣、推廣性最強的一款計算機軟件。仿真工具從本質(zhì)上來說是大型計算器，使用電腦代替人腦，運用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進行大量計算。Ansys 內(nèi)含多組數(shù)學(xué)方程式及函數(shù)數(shù)據(jù)庫，采用有限體積法以及全隱式耦合網(wǎng)格求解，在計算機中對控制方程式進行求解，從而可以預(yù)測流場的傳熱與流動。雖然此內(nèi)容是“傳熱學(xué)”數(shù)值解法中的一個章節(jié)，但引入時是從有限差分理論本質(zhì)上剖析實例，再加上有限元理論，這對于本科生而言是非常繁瑣的。

以Ansys 操作和結(jié)果展示為主要教學(xué)目的，針對以上難點解決的方法是：（1）利用學(xué)生大一、大二所學(xué)的數(shù)學(xué)方程中的積分方程、微分方程和偏微分方程進行解釋與分析——積分是由部分求整體、微分是將整體分隔為部分求解、偏微分方程是部分的未知量二次求解；（2）為了方便學(xué)生操作，僅需要下載Ansys-Fluent 和Ansys-Workbench 兩個模塊；（3）按照教學(xué)內(nèi)容選取最適合的章節(jié)，典型的工質(zhì)流動和傳熱的典型案例作為仿真實例，如：“工程熱力學(xué)”——節(jié)流閥、“傳熱學(xué)”——穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；（4）將案例求解精簡為三個步驟：提出問題、化簡問題、解決問題；（5）簡化軟件操作為一條流程主線：幾何建?！W(wǎng)格劃分—求解計算—后處理，完成這幾個步驟就可以了，其中幾何建模部分可以把機械設(shè)計基礎(chǔ)、建筑設(shè)備CAD 技術(shù)、工程制圖等課程貫穿進去。這樣一來，既提高了學(xué)生綜合能力，同時一人一機，也培養(yǎng)了學(xué)生實際動手解決問題的能力。

三、課程中引入仿真工具的教學(xué)案例

（一）應(yīng)用ANSYS-CFD 分析“工程熱力學(xué)”教學(xué)案例

絕熱節(jié)流：絕熱節(jié)流是教學(xué)授課重點，很多高校把此章節(jié)內(nèi)容作為考研知識點，大部分學(xué)生的解決辦法是死記硬背，不明白流動的原理。以教材例題為案例，簡要建模，依據(jù)給定條件設(shè)置案例邊界條件，計算得到云圖（見圖1），學(xué)生們通過數(shù)值驗證了當流體通過絕熱節(jié)流原件時，面積突然縮小，局部阻力損失就會變大，這會出現(xiàn)壓力下降、熵增加、焓近似相等典型不可逆過程。通過顏色（紅色代表熱，對應(yīng)高的數(shù)值，藍色代表冷，對應(yīng)低的數(shù)值），學(xué)生進一步明確了流體從進口到出口的整體變化趨勢，與教材中如圖2所示的參數(shù)變化值進行比照

圖1 節(jié)流閥內(nèi)各參數(shù)云圖

圖2 節(jié)流閥參數(shù)沿軸向變化的示意圖

（二）應(yīng)用ANSYS-CFD 分析“傳熱學(xué)”教學(xué)案例

三維穩(wěn)態(tài)單方向?qū)幔骸皞鳠釋W(xué)”的授課順序為導(dǎo)熱—對流換熱—輻射換熱。導(dǎo)熱是傳熱之首，決定學(xué)生傳熱思維的建立。Ansys 模擬三維穩(wěn)態(tài)單方向?qū)釂栴}，給定上下兩個面不同受熱溫度（見圖3），計算得到兩個面漸層的溫度分布情況（見圖4），使學(xué)生明白了不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)、傳導(dǎo)方向厚度以及溫差三個參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，驗證了熱傳導(dǎo)的動力是溫差，傳導(dǎo)的厚度、材質(zhì)是過程的阻力，而實質(zhì)是熱量的轉(zhuǎn)移的能量傳遞原理。

圖3 邊界及材料設(shè)置條件

圖4 單方向傳導(dǎo)溫度分布云圖

四、結(jié)論

Ansys應(yīng)用于建筑環(huán)境與能源應(yīng)用行業(yè)是大勢分析，驗證了節(jié)流閥是一種耗功元件，在實踐和實驗中利用閥門來調(diào)節(jié)壓力和控制流量是有用的。所趨，是建筑能源領(lǐng)域一個重要的工具。為了使大學(xué)生就業(yè)能力與用人單位的用人期望相匹配，將仿真工具引入課程教學(xué)勢在必行。針對本科生難以領(lǐng)悟到仿真有限元理論本質(zhì)的問題，教師需更新教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，結(jié)合學(xué)生特點進行選科教學(xué)、適時引入仿真工具、挑選案例、簡化流程、分析結(jié)果等一系列教學(xué)路線改革。利用一人一機，激發(fā)學(xué)生的主動性；通過有限元學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)計算和物理分析能力；通過軟件學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握一款仿真工具的使用，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)工具對理論知識點進行預(yù)測和模擬的能力；通過案例演練，使學(xué)生具備對教材中的例題進行計算與分析的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程熱物理思維，使學(xué)生的熱分析和熱設(shè)計綜合能力有所提高，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。