《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》課程教學(xué)改革探討

摘要：建設(shè)高水平的研究生課程是研究生教學(xué)的當(dāng)務(wù)之急，本文從組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)，改革教學(xué)內(nèi)容以及建設(shè)軟件平臺(tái)等方面，對(duì)研究生課程《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》進(jìn)行教學(xué)改革，并對(duì)建設(shè)具有基礎(chǔ)性、專業(yè)性和前沿性的高水平研究生課程中的一些具體措施和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；研究生教學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；軟件平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）31-0038-02

一、歷史與現(xiàn)狀

《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》是能源動(dòng)力方向碩士和博士研究生的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程。自上世紀(jì)90年代開設(shè)以來(lái)，前后經(jīng)歷了三次大的變革。在1995—2000年期間，課程名為《葉輪機(jī)械的數(shù)值模擬計(jì)算》，只針對(duì)能源動(dòng)力學(xué)院流體機(jī)械專業(yè)方向的研究生開設(shè)；自2001年起，課程改名為《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》，面向能源動(dòng)力一級(jí)學(xué)科及其下屬各二級(jí)學(xué)科的研究生，并成為能源動(dòng)力學(xué)科方向研究生的一門基礎(chǔ)課程；2006年以前，課程授課內(nèi)容以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方面的原理和方法為主，選課學(xué)生主要為能源動(dòng)力學(xué)科方向的研究生；從2006年開始，為適應(yīng)廣大研究生的選課需要，我們對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，輔以CFD商用軟件的實(shí)例和應(yīng)用，以期實(shí)現(xiàn)理論性與實(shí)踐性并重的教學(xué)理念，并將課程面向全校研究生開放。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用日益廣泛。眾所周知，計(jì)算機(jī)硬件水平的提升，將相應(yīng)地促進(jìn)CFD商用軟件功能更加強(qiáng)大，應(yīng)用更加廣泛，最終使得CFD商用軟件得到了前所未有的發(fā)展。同時(shí)，隨著研究生招生規(guī)模的擴(kuò)大，使得選修《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》課程的研究生人數(shù)大增，從上個(gè)世紀(jì)90年代的十幾個(gè)學(xué)生，到現(xiàn)在的一百多個(gè)學(xué)生，而且涉及眾多學(xué)科，比如船海、化工、建筑、電氣、交通、材料、光電等。《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》課程的歷史與現(xiàn)狀在一定程度上給我們將要進(jìn)行的教學(xué)改革提出了新的要求，同時(shí)也為我們指明了課程建設(shè)的新方向，值得我們深入思考，并付之于實(shí)踐。

二、課程定位

《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》作為一門研究生的學(xué)科基礎(chǔ)課程，我們?cè)谶M(jìn)行改革之前，應(yīng)該首先考慮它的定位。華中科技大學(xué)作為一所教育部的“985”和“211”的高校，一直以“研究型”大學(xué)著稱。學(xué)校對(duì)于研究生的培養(yǎng)非常重視，導(dǎo)師為每一位研究生制定了詳細(xì)的培養(yǎng)計(jì)劃，課程的選修均有所考量。基于選修《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》課程的研究生人數(shù)眾多，涉及的院系廣泛，經(jīng)任課教師討論，申請(qǐng)學(xué)校研究生院同意，決定將該課程定位為高水平研究生課程。所謂高水平研究生課程，初步確立的含義為，高水平的學(xué)者，采用高水平的教材，以先進(jìn)靈活的形式教授課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)實(shí)寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)深入的專門知識(shí)。高水平課程在內(nèi)容上應(yīng)該具有基礎(chǔ)性、專業(yè)性和前沿性，前沿性可以體現(xiàn)在任課教師結(jié)合自己的科研實(shí)踐，在講授中融入一些與課程相關(guān)的前沿內(nèi)容。

三、教改實(shí)踐

基于高水平研究生課程這樣一個(gè)定位，我們開始著手進(jìn)行課程的教學(xué)改革，具體內(nèi)容包括：組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)、改革教學(xué)內(nèi)容、建設(shè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。首先，組建一支高水平、高素質(zhì)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)由三位教師組成，他們均具有博士學(xué)位，高級(jí)職稱。其中，課程負(fù)責(zé)人張師帥副教授，長(zhǎng)期從事計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用方面的教學(xué)及研究工作，自2006年起，一直擔(dān)任該課程的主講教師；任課教師郭照立教授，是目前國(guó)內(nèi)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方面的頂尖學(xué)者，國(guó)家杰出青年基金獲得者，并具有較高的國(guó)際知名度。郭教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)外權(quán)威學(xué)術(shù)刊物和會(huì)議上發(fā)表科學(xué)論文100余篇，SCI收錄90余篇，SCI引用1200余次；任課教師陳勝副教授是一位青年學(xué)者，在格子Boltzmann算法研究方面頗有建樹。將《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》課程建設(shè)成一門高水平研究生課程，得到了教學(xué)團(tuán)隊(duì)中每一位教師的支持，大家一致贊同經(jīng)常開展教學(xué)交流，學(xué)習(xí)先進(jìn)的教學(xué)方法和教學(xué)手段，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。其次，我們對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革。教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)選課研究生人數(shù)眾多，涉及的學(xué)科方向廣泛，重新制定了《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》課程的教學(xué)大綱，確保講授內(nèi)容的基礎(chǔ)性、專業(yè)性和前沿性。課程主要內(nèi)容包括：控制方程的離散化方法、流場(chǎng)的求解計(jì)算方法、湍流模型及其應(yīng)用、網(wǎng)格生成與計(jì)算技術(shù)、復(fù)雜流動(dòng)的介觀模型和數(shù)值方法、格子Boltzmann算法及其應(yīng)用、經(jīng)典CFD軟件的基本用法等。而對(duì)于控制方程的離散化方法，將重點(diǎn)介紹有限差分法和有限體積法；對(duì)于流場(chǎng)的求解計(jì)算方法，將重點(diǎn)介紹SIMPLE及其系列算法；對(duì)于湍流模型及其應(yīng)用，將重點(diǎn)介紹k-ε模型及其應(yīng)用；對(duì)于網(wǎng)格生成與計(jì)算技術(shù)，將重點(diǎn)介紹結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成方法以及并行計(jì)算方法。同時(shí)，還將邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方面的專家學(xué)者前來(lái)開展專題講座。對(duì)《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》課程進(jìn)行教學(xué)改革是全體任課教師的共同愿望，大家積極討論，并提出在現(xiàn)有教材的基礎(chǔ)上，編寫具有自己特色的教材等建議。在改革教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)還利用學(xué)院現(xiàn)有的條件，建立“計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)”軟件平臺(tái)，該平臺(tái)擁有高性能的計(jì)算工作站，可以開展并行計(jì)算、直接數(shù)值模擬等大型計(jì)算研究，為研究生開展離散方法、網(wǎng)格生成方法、計(jì)算方法以及復(fù)雜流動(dòng)模型等研究工作創(chuàng)造了良好條件，同時(shí)也為對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方面的前沿研究課題感興趣的大學(xué)本科生開展創(chuàng)新性研究工作提供了良好條件。與此同時(shí)，該平臺(tái)還擁有多種商用CFD軟件，比如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，成為廣大研究生開展自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐、相互交流的優(yōu)良場(chǎng)所。還可以根據(jù)研究生的需求，安排任課教師不定期地通過(guò)軟件平臺(tái)為學(xué)生解惑答疑，引導(dǎo)研究生探索創(chuàng)新，提高學(xué)術(shù)水平。

眾所周知，研究生學(xué)術(shù)水平的高低是一所大學(xué)學(xué)術(shù)水平的反映，更是一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新能力的反映。研究生不僅需要扎實(shí)掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，更需要具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。目前，高等學(xué)校在培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力、提高研究生學(xué)術(shù)水平方面還有待加強(qiáng)。為此，本文提出了通過(guò)對(duì)《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》課程進(jìn)行教學(xué)改革，并將之建設(shè)成具有基礎(chǔ)性、專業(yè)性和前沿性的高水平課程，進(jìn)一步培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力，提高研究生的學(xué)術(shù)水平。同時(shí)，本文對(duì)實(shí)踐過(guò)程中的一些具體措施和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳新穎.論研究生教育的課程設(shè)置[J].科技導(dǎo)報(bào)，2004，（2）：40-42.

[2]李學(xué)藝，鐘佩思.機(jī)械類全日制專業(yè)學(xué)位研究生教育探索[J].中國(guó)電力教育，2013，（1）：22-23.

[3]李靜波，柴育玲.研究生教育創(chuàng)新模式研究[J].教育理論與實(shí)踐，2010，（5）：10-11.

[4]別敦榮，萬(wàn)衛(wèi).學(xué)術(shù)性學(xué)位與專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式的特性比較[J].研究生教育研究，2011，（4）：77-80.

[5]姚聰莉.我國(guó)研究生教育質(zhì)量透析[J].高等理科教育，2006，（5）：50-54.

基金項(xiàng)目：本文為2012年華中科技大學(xué)高水平國(guó)際化課程建設(shè)項(xiàng)目資助項(xiàng)目的階段性成果

作者簡(jiǎn)介：張師帥（1970-），副教授，為“計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用”課程的主講教師。