《流體網絡理論》實驗教學研究

高科

摘要：《流體網絡理論》課程的教學一直偏重理論，在教學模式上往往停留在算法的計算過程上，使得學生很少能夠懂得流體網絡理論實則上是要存在程序設計思想，也就無從談起培養學生分析和解決問題的能力了。為培養學生在學習過程中有編程思維能力，提出了將《流體網絡理論》課程從理論走向實踐，加深學生的學習能力，培養學生的編程習慣，同時提出了實驗課程應以極值流和網絡解算為課程內容主線，循序漸進的教學方法及交流平臺的有效利用，使實驗教學更有實效。

關鍵詞：流體網絡理論 實驗教學 課程內容 教學方法

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1 引言

《流體網絡理論》是礦井通風仿真系統的基礎，為礦井通風與安全專業的必修課。而礦井通風與安全專業開設《流體網絡理論》后，將直接進入《礦井通風仿真理論與實踐》的學習，該課程以學習礦井通風仿真系統為主，重點掌握礦井通風仿真應用，導致學生缺乏開發礦井通風仿真軟件的能力。通過作者的教學經驗發現，課程大多以算法為主（例如搜素獨立通路、網絡解算算法、平衡圖繪制及角聯結構自動識別算法等），學生很少動手實踐。課程學完后，學生編程水平和分析、解決實際問題的能力都沒有得到提高。因此，為更好的學習課程，應重視和鼓勵學生勤于動手和上機訓練，養成良好的編程習慣，因此，開設實驗教學環節也是必然的，同時，學生也已修習過《計算機基礎》、《C語言程序設計》、《C++程序設計基礎》等計算機語言課程，實驗課程的開設也是水到渠成的。

2實驗課程內容設計

從流體網絡的矩形表示開始，到靈敏度的求解[1]，整個課程涉及的內容較多，算法也較多，如何篩選實驗課程內容，最后能形成一套簡單的通風仿真系統是重點研究內容。課程中的核心內容為極值流、網絡解算、流體網絡的平衡圖及角聯結構的算法。極值流和網絡解算可以作為兩條主線，流體網絡的平衡圖及角聯結構的算法作為輔助，考慮時間及工作量的情況下，實驗課程應以極值流和網絡解算為主要內容。

2.1 極值流算法

城市自來水管的最大輸送能力問題，最大供熱能力問題，礦井最大供風能力問題以及最小供風量限制問題，礦井通風網絡、城市供熱、供水、供氣網絡的最小功率問題，礦井救避災路線問題等等，都與極值流的計算有關。極值流算法有節點標號法、Edmonds-karp修正算法、獨立通路法及通路法，獨立通路法在最大復雜程度上占有優勢。

圖1 極值流算法涉及內容

2.2網絡分流算法

礦井通風網絡分流是流體網絡理論的重要組成部分，該功能的開發可保障煤礦通風安全，防止礦井瓦斯、煤塵爆炸及煤層自燃火災，提高現代化管理手段[2]。網絡分流的研究極具一功多能的基礎性應用價值，一套合理、規范、方便、專業的網絡分流程序，可以使計算簡單易行，大大節省人力物力[3]。因此，實驗課程中實現網絡分流算法的重要性是顯而易見的，也是更需要學生的共同努力。

網絡分流方法主要有四種：解析法、圖解法、物理近似模擬法及數值方法。數值方法為現代研究網絡分流的主流手段。從計算數學的角度看，數值方法又分為斜量法、迭代法和直接代入法。迭代法中的Cross算法雖然解算的精度和速度較Barczyk法差，但是算法簡易，計算步驟也最簡便。

Cross法的程序流程如圖2所示，計算過程中除流量計算外，還涉及圖的連通性判斷、生成樹的選擇及基本回路的確定。

圖2 Cross算法程序流程框圖

3 實驗課程教學探索

針對礦業類學生的特點，針對學校的軟硬件條件，合理選用不同的教學方法，才能達到較好的實驗教學效果。經過不斷的探索總結發現，大多學生并非缺少學習主動性，也并非不想學，而是很多時候，實驗課上多有盲從，方法不得當，學生的學習興趣在幾次實驗勞而無功的情況下會慢慢喪失，因此針對《流體網絡理論》課程的特點及教學大綱的要求，教學方法主要掌握以下兩個方面：

（1）實驗課程內容應由淺入深

實驗課程內容順應極值流和網絡解算兩條主線，同時涉及圖的連通性判斷、排序、深度優先搜索法確定通路、生成樹選擇、基本回路確定算法，因此實驗課程應從最基本的排序開始，循序漸進，最終能將前期所做工作加入到主線中去。

（2）提供學生與學生、學生與教師之間的交流平臺

網絡技術的成熟及普及，極大地延伸了教學空間，程序類實驗課程不能僅僅依靠實驗學時安排，還需占用學生更多的課余時間，而實驗教學的課后輔導至關重要，可以通過網絡平臺來實現，現在選擇較為廣泛的方式主要有[4，5]：①通過QQ群可以達到討論目的；②建設教師個人網站；③通過電子郵件[6]；④ Internet 上的留言板，例如作者跟學生通訊的主要方式為ys168.com網站，該網站可以進行資料的共享，也有留言板功能，可進行討論相關問題。

4 結論

在《流體網絡理論》的實驗課程教學中，重點在于培養學生的編程能力和理論與實際結合能力，實驗課程的加入將使學生可以深入掌握流體網絡理論的知識，激發學生學習這門課程的興趣。

參考文獻

[1] 劉劍，賈進章，鄭丹. 流體網絡理論[M]. 北京： 煤炭工業出版社， 2002.

[2] 李艷昌，劉劍. 《流體網絡理論》課程教學實踐探討[J]. 中國科教創新導刊， 2010， （19）： 40+42.

[3] 郭曉芳. 通風系統網絡分流的計算機模擬與應用[D]. 青島理工大學， 2005.

[4] 余威一，范玉風，岑崗. 微課教學交流平臺的設計與構建[J]. 浙江科技學院學報， 2014， （05）： 363-367.

[5] 冷偉. 微博對教學交流和信息共享的支持性研究與應用[D]. 西南交通大學， 2012.

[6] 劉鈞. C語言實驗的改革探索[J]. 皖西學院學報， 2010， （02）： 69-71.