計算水動力學課程教學案例庫建設及教學實踐

彭楊 張尚弘 張成

[摘 要] 案例教學法作為一種“行為引導式”的教學形式，在計算水動力學教學行動中起到積極作用。圍繞“由淺入深、循序漸進、深入淺出、由表及里”的教學目標，構建全方位、多層次的計算水動力學案例庫，并開展了案例教學。教學實踐表明，案例教學法充分融合了理論知識與實踐工作，激發了學生學習興趣，加深了學生對課程知識的理解和掌握，提高學生分析問題和解決問題的能力，幫助學生掌握和具備工程實踐和科研工作的基礎技能。

[關鍵詞] 計算水動力學;案例庫建設;案例教學

[基金項目] 華北電力大學2019年“雙一流”研究生培養建設項目：“《計算水動力學》研究生優質課程建設”（XM1907451）

[作者簡介] 彭 楊（1975—），女，湖北武漢人，博士，教授，研究方向為流域水沙模擬與調控;張尚弘（1977—），男，甘肅古浪人，博士，教授，研究方向為流域水文與水動力學模擬;張 成（1982—），男，湖北鄂州人，博士，副教授，研究方向為長距離復雜明渠輸水渠道的運行控制模擬。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0225-02? ? ?[收稿日期] 2019-09-27

一、引言

案例教學法是一種“以案例為主線、教師為主導、學生為主體”的教學方法，將被動的教學模式轉換為“行為引導式”教學形式，根據教學目標，構建典型的課程教學案例庫，圍繞“案例與理論”展開教學行動，進而優化整個教學過程。通過案例與理論結合，用理論知識指導實踐，在實踐中創新和改進，開闊學生視野，促進學生主動參與，提高探索和解決問題的能力。案例庫建設及案例教學實踐的教育理念在各學科領域教學行動中均可起到重大的作用[1]。

近二三十年來，隨著計算機的出現和現代信息技術的發展，已可用計算機數值求解流體力學中各種各樣的問題.這樣就構成了流體力學的另外一個分支——計算水動力學[2]。計算水動力學水利類、環境類等專業研究生重要的學科基礎課。該課程以數學模型和計算機模擬為基礎，對水利工程中各種水流、海洋、水環境污染，水資源等問題用數學方程進行描述，模擬以水體為載體的物質傳輸過程，解決理論問題或實際工程等問題，是一門主要利用計算機進行實驗的課程[3，4]。

目前計算水動力學的數值模擬計算，在非恒定流、滲流、自由面溢流、粘性流與紊流模擬等方面都取得了較大的進展，與物理模型相比，它具有省錢，省時，不受模型比尺限制，應用面廣，適用性強等特點。由于本課程與工程實踐和科研工作聯系十分緊密，在教學行動中結合授課教師的科研工作或引入實際應用案例，將理論與實踐相結合，利于學生掌握理論知識，明晰這門課程的意義與本質，提高學習實踐的積極性，對學生今后進行工程實踐和科研工作具有重要意義。因此，有必要在計算水動力學這門課程中引入案例教學法，以加深學生對課程理論內容的理解與掌握，并加以應用。

二、計算水動力學案例庫建設與教學實踐

（一）案例庫建設

以計算水動力學的課程內容為主體，剖析工程實踐和前沿課題中的基礎理論，圍繞“由淺入深、循序漸進、深入淺出、由表及里”的教學目標，對具有代表性和典型性的案例加以重組和改進，構建全方位、多層次的計算水動力學案例庫。案例應與課程內容直接相關，涵蓋課程內容的多個知識點，兼顧課程內容重點和難點，多方面、多角度地將理論學習與實踐應用結合起來，幫助學生深入理解、深刻把握、深化領會，起到鞏固和強化理論學習的作用。

（二）案例教學實踐

針對計算水動力學課程內容中的重點和難點問題，引入案例并組織學生進行分析和討論，從案例出發，有針對性地講解工程實踐和科研工作中的各種理論問題，結合數據資料和目標要求建立數學模型，根據案例特點選取適當的數值計算方法對數學模型進行求解，并對結果進行分析、討論，探尋案例背后的本質和物理意義，重新認識課程的研究理論和學術價值。

計算水動力學的大部分理論知識，都可結合案例庫開展教學行動。比如，對于計算水動力學中的一維河網數值模擬計算，引入三峽庫區干支流的一維河網非恒定流數值計算案例[5]，結合課程內容注重講解案例中的圣維南方程及其數值計算方法、汊點處理、初始條件設定、上下游邊界條件處理等問題。對于二維非恒定流和潰壩水流數值分析問題，引入峽山水庫潰壩洪水的演進過程案例[6]，結合課程內容注重講解案例中的二維非恒定流淺水方程及其數值計算方法，最大潰口流量、潰壩流量過程線的計算、河段網格結構、初始條件設定、上下游邊界條件處理等問題。對于水利、環境、海洋工程中的紊流模擬，引入底坎紊流分離流計算案例[7]，結合課程內容注重講解案例中的標準模型和雷諾應力模型，連續方程和雷諾時均方程，初始條件設定、進口邊界、出口邊界、固壁邊界和自由表面邊界處理等問題。

在建立案例模型后，引入案例的自編軟件，通過程序源代碼加深學生對理論和計算方法的理解。同時，可以設定不同的情景條件和要求利用不同的數值計算方法進行求解，比較不同情景條件下的水流特性，分析不同計算方法下的結果差異。這樣，將案例拆分重組，不僅可幫助學生多角度地理解課本中的理論知識和案例中的常見問題，還可啟發學生對源代碼進行完善和改進。通過案例教學將課本知識和工程實踐結合在一起，學生不僅可以深入理解課本中的理論知識，還可以深入領會理論知識的實際作用和意義，提高學習興趣和科研實踐能力。

（三）案例教學實踐檢驗。

為了更好地提高計算水動力學的教學質量，需要對案例教學實踐進行檢驗。通過學生的學習狀態、學習效果，源代碼的修改、完善和改進，結果的討論和分析等情況，判斷學生對于本課程的學習興趣是否濃厚，是否理解抽象的理論知識，是否將理論知識聯系到工程實際中去，以此對案例教學效果進行評定，對不足之處加以改善，對欠缺部分進行補充，為下次課堂教學提供參考。

實踐表明，案例教學法和計算水動力學課程契合度很高，可以把課本中抽象的物理方程具體化、形象化、通俗化，便于理解和接受，讓理論回歸實際，讓認識走向實踐，充分提高了學生理解問題、分析問題、解決問題的能力，掌握和具備了工程實踐和科研工作的基礎技能。通過以學促練，以練促學，在學習與實踐上做到相輔相成，使學生學會真本領。

三、結語

“計算水動力學”已經廣泛應用于各個科學技術領域，學生通過課程學習應掌握這門課的理論知識和基本技能，并具備加以應用的能力。通過案例庫建設及案例教學實踐可以進一步提高教學質量，選取有代表性和典型性的案例，將理論學習與實踐應用結合起來，將知識點落細、落小、落實，可以幫助學生學深悟透、融會貫通，培養濃厚的學習興趣和嚴謹的科研實踐能力。

參考文獻

[1]田立江，張潔，何士龍，等.案例教學法在工程類課程教學中的實踐[J].西部素質教育，2017（24）：151-152，167.

[2]鄭邦民，趙昕等.計算水動力學[M].湖北：武漢大學出版社，2001.

[3]戴昱，汪德爟，丁全林.“計算水力學”課程構建與教學模式研究[J].中國電力教育，2012（17）：68-69.

[4]周雪漪.計算水動力學[M].北京：清華大學出版社，1995.

[5]彭楊，張紅武.三峽庫區非恒定一維水沙數值模擬[J].水動力學研究與進展（A輯），2006（3）：285-292.

[6]彭楊，峽山水庫水利模型研究階段報告[R].華北電力大學，2014.

[7]魯俊，王玲玲.幾種紊流模型在底坎紊流分離流計算中的對比[J].水科學進展，2009（2）：255-260.