項目驅動式教學方法在空氣動力學課程中的應用探索

張偉

【摘 要】針對空氣動力學課程中傳統教學模式存在的問題，提出了實際項目驅動的教學模式。在空氣動力學方向相關課程的教學中，以計算流體力學的數值模擬為主要手段，結合相關工程項目進行教學實踐，以完成實際工程項目來促進教學水平的提高，以培養學生聯系實際學理論，在實踐中體驗和學習理論，在應用中形成技術應用能力，以提高學生的崗位核心能力和創新能力。

【關鍵詞】項目驅動；空氣動力學；教學

0 前言

空氣動力學是工科院校中力學類、航空航天類、飛行器設計類等專業的專業必修課。它是研究空氣運動規律及其應用的學科，在生活、環保、科學技術及工程中具有重要的應用價值。空氣動力學學科經歷了幾個世紀的演變，如今形成了實驗測試、理論解析和數值模擬方法三足鼎立的局面。

計算流體力學（簡稱為CFD）是建立在經典流體力學與數值計算方法基礎之上的一門學科，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，從而達到對物理問題研究的目的。它是流體力學的一個分支，用于求解固定或變化幾何形狀空間內的流體的動量、熱量和質量方程以及相關的其它方程，并通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關數據。CFD作為一種研究工具，它可以形象的展示流場的內部結構，從機理的角度解釋相應流動的特點。

總之，CFD在現代生活和生產中的很多方面正在發揮著巨大的作用，對空氣動力學工作者的工作方式已經產生了巨大的影響。針對空氣動力學課程的教學，本文探索了以CFD技術為手段，結合工程項目來促進教學的教學方式。

1 教學改革的必要性

目前，國內大多數院校將空氣動力學作為本科階段的必修課，目前空氣動力學學科體系教學中存在的一些問題，有必要增加一部分CFD教學的內容。多年以來，空氣動力學本科教學內容主要是經典的流體力學理論和傳統的實驗分析方法，且偏重于理論分析和對理論進行驗證性實驗，教學內容比較抽象和單一，不能反映當前空氣動力學學科發展的趨勢，不利于提高學生的學習能力和培養學生的創新能力。同時，整個流體力學課程在建立了基本控制方程后，就開始轉而從一些特殊的流動出發，采用根據流動特點進行簡化的方式，先建立物理模型，再得到數學模型，進而得到我們在書中經?？吹降暮芏唷袄碚摗?，比如不可壓無旋流、旋渦動力學、水波動力學、氣體動力學等等，甚至理論中還包括理論，比如不可壓無旋流中還有自由流線理論，等等。形成一個類似于俄羅斯套娃的學科結構，這種結構容易給人一種支離破碎的印象。如果在空氣力學課程后續學期增加一些CFD的內容，會使得學生對方程描述的重要性有個很好的認識。因為方程描述只是一部分，還必須要求解后才能得到各種物理量的分布，從而對問題進行相應的分析。而且，CFD課程也能和實驗課程進行很好的配套，比如層流到湍流的轉淚實驗，彎管中的流動實驗等，借助于CFD技術中的圖片、動畫來展示流場結構，有利于培養學生產生數值模擬工作的興趣，激發學生的積極性。

另一方面，畢業設計是本科教學中的重要一環，也是最后一環。畢業設計的目的之一就是讓學生們綜合運用以前所學的各種知識，進行一次完整的科研訓練，以提高學生們獨立分析和解決實際問題的能力，為以后從事科研工作打下一定的基礎?，F在，畢業設計中數值模擬的題目越來越多，而學生們沒有接觸過數值模擬，往往都是從畢業設計開始時才開始了解CFD的相關知識，學習相應的軟件，這無疑會影響到畢業設計的進度，為了提高畢業設計的進度和題目的完成質量，有必要在大學的培養階段講授相關的CFD知識。

基于此，國內外部分院校在本科階段已經開設了CFD相關課程，如斯坦福、中科大等知名院校。由于CFD基礎理論知識比較復雜，且本科畢業設計中關于數值模擬的題目大都是商業軟件的應用計算，而且學生們沒有相關計算方法課程的基礎，所以在本科階段的CFD課程應以軟件的應用為主。

2 教學改革的方法與內容

空氣動力學專業方向相關課程包括空氣動力學、風工程、計算流體力學、飛行器設計等。在該系列課程的教學中，始終以計算流體力學的數值模擬為主要手段，以完成“風能發電在建筑中的應用”等相關項目為目標，以促進學生對課程基礎知識的掌握，并培養學生理論與實踐交融結合，解決實際工程問題的能力。整個過程主要分為學科基礎驗證性項目、應用型工程項目和綜合性科研項目三個階段：

第一階段：以理論教學為主的專業基礎知識（如空氣動力學、風工程等課程）學習階段，重點是夯實基礎，改變學生的學習方式，提升學生的專業知識和技能素養。

第二階段：寬口徑的專業技術基礎知識（如計算流體力學、風工程應用軟件等課程）學習階段，注重專業理論與實踐相結合，使學生掌握專業技術基礎理論和基本實踐動手能力培養學生分析問題和解決實際問題的能力，全面拓展學生的相互協作及各方面的綜合素質。

第三階段：結合“風能發電在建筑中的應用”相關項目，采用項目教學手段進行專業理論與實踐的密切結合，完成畢業設計的內容，注重學生的實踐能力和個性發展，創新意識與綜合素質的全面提高。

在教學過程的不同階段，所完成的內容的側重點應有所區別。如第一階段，通過教師的指導，以學科實驗性項目為主要內容，使學生通過數值模擬的手段熟悉并加深理解相關專業基礎知識，掌握基本的完成任務的科學方法。完成的項目內容包括“NACA系列翼型的氣動性能的數值計算”、“二維不同形狀鈍體繞流卡門渦街的數值模擬”等；第二階段，通過教師的指導，以專業實踐為主要內容，結合實際工程項目，完成一些專業應用項目。項目內容包括“某垂直軸風機的氣動性能的數值計算”、“某高層建筑繞流流場的數值風洞模擬”等。第三階段，學生參與教師科研項目研究過程中，以接觸到課程以外的綜合性科研課題或新問題，整理項目資料及各種計算數據、形成一份研究報告，并最終以論文的形式發表。項目內容包括“集成垂直軸風機的高層高層建筑繞流流場的數值模擬”、“增強型垂直軸風機的氣動性能的優化與設計”等。

3 教學效果

采用項目驅動式的教學方法，在教學過程發現中有以下優勢：

（1）采用數值模擬的手段，結合學科知識點的實驗性驗證項目，通過數值模擬方法的可視化后處理技術，使學生加深理解了相關專業相對枯燥的基礎知識點。

（2）項目內容由淺入深，從基礎知識到專業知識均有涉及，使學生對相關知識有全面的掌握。

（3）項目驅動的教學方法超越了單純的專業知識掌握，立足于學生學習能力的培養、以學生的自主性探索性學習為基礎，采用科學研究及實踐的方法，充分調動學生的學習積極性和主動性，培養學生的自學能力以及分析問題和解決問題的能力，能夠激發和提升他們協作、創新、探索的精神，解決了在傳統教育下學生理論知識有余，而實際動手能力和實踐經驗不足的弊端。

以上的觀點及做法是個人及相關同事在多年的教學過程中，對空氣動力學教學改革提出的一些膚淺看法。在已經實踐的過程中看出，該方法能激發學生自主學習的能力，提高學生工程應用能力，有良好的教學效果。

【參考文獻】

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[2]付煥森.基于工程應用型人才培養的項目驅動教學與研究[J].大眾科技，2012，

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[責任編輯：王楠]