计算流体力学线上线下混合式课程改革的探讨.pdf

力与实第4 5 卷第3期2023年6 月践学计算流体力学线上线下混合式课程改革的探讨1)胡箫2)林培锋（浙江理工大学浙江省流体传输技术研究重点实验室，杭州31 0 0 1 8)摘要针对新冠疫情的特殊时期需求，以及数字化发展之大趋势，线上线下混合式课程改革与实践受到越来越多的关注。本文主要探讨了计算流体力学（computationalfluiddynamics，CFD）的线上线下混合式课程改革与实践方法，提出线下理论教学、线上案例教学、线上线下混合式课堂的改革方法。同时，引入课程思政元素，潜移默化地激发学生爱国热情和民族精神，鼓励学生利用CFD解决卡脖子难题，实现专业知识、工程应用、国家发展的统一。关键词计算流体力学，线上线下，混合式课程，课程改革中图分类号：0 36 8文献标识码：Adoi:10.6052/1000-0879-22-541DISCUSSION ON THE ONLINE AND OFFLINE BLENDED COURSEREFORM OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS 1)HUXiao2)LINPeifeng(Key Laboratory of Fluid Transmission Technology of Zhejiang Province,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)Abstract In response to the special needs of the COVID-19 epidemic and the general trend of digitaldevelopment,the reform and practice of online and offline blended courses have received more and moreattention.This paper mainly discussed the online and offline blended course reform and practice methods ofcomputational fluid dynamics(CFD),and puts forward the reform methods of offline theory teaching,onlinecase teaching,and online and offline blended teaching.At the same time,the ideological and political elementsof the course are introduced to imperceptibly stimulate students patriotic enthusiasm and national spirit,encourage students to use computational fluid dynamics to solve bottleneck problem,and realize the unity ofprofessional knowledge,engineering application,and national development.Keywordscomputational fluid dynamics,online and offline,blended course,course reform在高等院校的工程力学、能源动力、流体机械、水利工程、环境工程等学科中，涉及到大量流体流动问题1-3。随着计算机的计算能力大幅提升，目前计算流体力学（computationalfluiddynamics，CFD）被广泛应用于航空航天设计、汽车设计、化工和涡轮机设计、半导体设计等诸多工程领域，是一门理论性和实践性较强的课程4-5 。传统授课主要由教师讲授CFD的理论基础和典型案例的操作步骤，学生被动听且不动手实践，难以形成良好的互动氛围。而且课堂时间有限，学生很难有充足的实践机会分析和研究具体的案例6 。自疫情发生以来，尤其是居家隔离或者线上课程的实施，教师在课堂教学中无法面对面与学生交流，不能很好掌握他们的学习情况，2022-09-28收到第1 稿，2 0 2 2-1 1-30 收到修改稿。1）浙江理工大学2 0 2 2 年校级一流课程建设项目（HHK2207），浙江理工大学2 0 2 1 年校级教育教学改革研究项目（jgzd202105），国家自然科学基金项目（1 2 2 0 2 39 2）和浙江省自然科学基金项目（LQ22A020008）资助。2）胡箫，博士，特聘副教授，从事流体力学的教学与科研工作。E-mail：h u x i a o z s t u.e d u.c n引用格式：胡箫，林培锋.计算流体力学线上线下混合式课程改革的探讨.力学与实践，2 0 2 3，4 5(3)：6 8 9-6 9 3Hu Xiao,Lin Peifeng.Discussion on the online and offline blended course reform of computational fluid dynamics.Mechanicsin Engineering,2023,45(3):689-693力690实践学2023年第4 5 卷这一问题变得更加突出，不利于提高学生学习知识的兴趣和运用所学知识的能力，并且，会影响学生创造力和想象力的发挥，与培养学生创造性、自主性、独立性的教育目标背道而驰。在当今信息时代，以技术赋能为驱动，通过线上线下混合式课程，实现教学改革成为研究的热点。为此，本文开展了CFD线上线下混合式课程改革的探讨，引导学生自主学习海量线上专业课程资源，打造在线课程与校内课堂教学相融合的混合式“金课”，培养学生利用CFD方法解决相关实际问题，为学生掌握CFD课程知识，进一步开展相关研究奠定基础。1CFD教学实施方案1.1课程教学改革目标本文针对新冠疫情特殊时期的需求，以及数字化发展的趋势，根据目前CFD教学过程中存在的问题，以学生的应用能力培养为核心目标，对CFD的课程内容和形式进行线上线下混合式教学模式的改革与实践。通过线下理论教学、线上案例教学、线上线下混合式课堂的改革方法，培养学生自主学习CFD的能力，使教师在教学过程中满足学生的实际需求，提升教学实效。1.2线下课程内容建设大学生课程基础知识面宽，而实际应用又紧随科技前沿发展。没有教材或有价值的案例库，学生很难从整体把握课程架构及各部分内容之间的联系。本次课程改革拟为学生提供系统优秀的教材和典型案例库作为基础，构建坚实的课程理论。线下授课内容以理论教学为主，如图1 所示。（1）CFD 基础知识。主要介绍计算流体力学的基础知识，包括计算流体力学涉及的基本概念。在此基础上，进一步介绍流体流动的基本控制方程组。（2）CFD方法。主要介绍CFD的计算方法，包括对流体力学的基本控制方程的离散方法、离散格式，并对各类离散方法的性能进行比较，得到各类方法的适用条件。（3）边界条件应用。以SIMPLE算法为例，讲授如何在数值求解中选择和使用边界条件，包括：流动进口边界、流动出口边界、给定压力边界、壁面边界、对称边界和周期性边界等内容。（4）网格基础与基本操作。主要介绍前处理ICEM软件，包括：结构化网格和非结构网格等的生成方法。（5）瑞流模型及其在CFD中的应用。从瑞流及其数学描述引入瑞流基本概念，介绍瑞流基本方程，随后综合介绍各类瑞流模型。线下线上基础理论教学典型案例教学(1）计算流体力学基础知识(1)圆柱绕流典型实例(2）计算流体力学方法(2）离心压气机典型案例3)边界条件应用(3）水下潜艇典型实例4网格基础与基本操作（4）溃坝典型案例(5)流模型(5）方腔自然对流典型案例图1线上线下课程的教学内容分配1.3线上课程内容建设线上课程讲授利用ICEM软件生成高质量网格，离散计算域。选择Fluent软件中合适的求解模型，设置边界条件，并演示典型案例的实际计算过程。通过广泛收集与CFD相关的工程实践案例，经过适当的抽象和模化，建立线上典型案例的教学课程。线上典型案例的课程内容主要包括：空气动力学、流动和传热、多相流等流体力学相关的基础案例。如图1 所示，主要围绕：（1）圆柱绕流典型案例；（2）离心压气机典型案例；（3）水下潜艇典型案例；（4）溃坝典型案例；（5）方腔自然对流典型案例。为了补充线上教学资源，引导学生在MOOC课程、学银在线、SPOC网站、哗站（bilibili）等其他互联网平台学习，查阅CFD和Fluent的在线优秀课程资源。以上大部分课程资源为免费的，方便大学生在线自主学习，可针对重点和难点及时查漏补缺。为适应数字新时代和特殊疫情时期的授课需求，将把新的教学内容尤其是案例内容整理为线上资料库，并在全部授课班实施教学。1.4线上线下混合式课程的建设针对疫情特殊时期需求，以及整个时代的数字化发展之大趋势，教学形式上的调整在所难免。线上线下混合式课程整体实施方法如图2 所示，以课前、课中、课后为时间节点，线上课程以教材自习，线上资源预习，线上平台辅助教学等途691胡箫等：计算流体力学线式课程改革的探讨第3 期线上线下混合教学模式改革与实践线上学生预习：微助教平台课外作业：超星学银在线知识点回顾线上自习点名签到智能分组活动完成典型案例SPOCs1作业抢答典型案例教学1bilibili代表发言课前微助教平台课中课后线下作业反馈内容分析补充内容经典案例举一反三学情分析教学设计针对性答疑学习疑难案例讲解案例再升华兴趣动机资源补充案例库建设图2线上线下混合式课程整体实施方法示意图径为主，线下课程则以作业分析，课程理论教学，案例讲解和课程思政元素的补充为主。在线上线下混合式课程改革中，教师拟提前布置“书本预习”+“实际案例”作业，让学生阅读教材的同时，给予典型案例的线上教学视频资源，培养学生自主学习的能力。同时，基于“微助教”平台打造线上、线下融合教学的数字化资料库。教师端在电脑Web或手机微信公众号上全功能便捷操作，学生端同样可以在微信公众号上完成所有操作，免除安装烦恼，基于“微助教”平台的主要功能模块如图3。在开始上课时通过随机点名的方式，请学生回答一些基本的概念问题。项目线上数字化的资料库内容主要包括课件和答题。课件模块方便学生在需要时回顾课程内容；而答题模块为本项目重点，包括每节课开始后的1 0分钟上周回顾，这部分内容主要以选择题为主，可即时给出学生答题分布情况，并有针对性地进行难题讲解和查缺补漏。品加入课堂111034064课件签到答题课堂反馈本课堂资源库2402021秋HH422讨论点答互评作业课程思政001035答在线学习天天快答考试课堂指数图3微助教平台主要功能模块基于线上典型案例教学，线下进一步讲解这些典型案例适用于当代中国发展所遇到的科学问题。如图4(a)，以经典的圆柱绕流为例，介绍外部流动问题。在此基础上，对圆柱绕流典型案例再升华，如图4(b)4(d)，将圆柱绕流问题引申到深水油气开发系统中海洋立管和海洋平台的实际应用背景中。如图4(c)和4(d)，在洋流作用下，海洋立管可能会发生涡激振动，增大立管疲劳损伤。海洋立管一旦失效，将造成油气泄漏、油气田停产以及海洋环境的严重污染，极大制约了海洋油气资源的发展。除此之外，以方腔自然对流典型案例为例，引申到空调制冷盘管流动和传热等相关的简单数值模拟中。在离心压气机典型案例基础上，引申到离心泵等旋转机械水力设计的数值模拟中。在典型案例线上教学以及线下案例再升华的基础上，通过线下课程的作业反馈、学情分析、学习答疑的形式，鼓励学生自主实践感兴趣的案例。根据学生的完成情况，进一步在线上课堂中开展相应案例教学分析，帮助学生巩固CFD的基本方法，努力为学生创造一种自主探究学习的情境，不断提高学生的积极性和参与度，让学生真正成为整个教学活动中的主体，共同打好防疫持久战。本课程的期末考核充分结合线上线下混合式课程的特点，考核内容由线上案例作业，线下平时作业和线下期末课程大作业组成。考核总成绩100分，其中：（1）线下期末课程大作业占50分，要求学生结合线上线下教学内容，独立完成结合时事政治相关的CFD课程作业；（2）线下平时课程的参与和表现情况占比30 分；（3）线上课程案例作业占比2 0 分。1.5课程思政的实施计划在全国高等学校思维政治制度建设教育工作大会上，习近平总书记指出：“各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思维政治制力692实践2023年第4 5 卷学(a)圆柱绕流(b）双圆柱绕流(c)海洋立管(d)海洋平台图4典型案例库度建设研究理论教学同向同行，协同效应。”为了更好地结合教书育人与思政元素，达到润物无声的教育目的，在CFD的线上线下混合式课程改革中，积极引入课程思政的元素。例如在线下讲授流模型时，介绍周培源先生与瑞流的故事。他从美国回国不久，抗日战争全面爆发，他认为作为一名科学家，应当以国家利益为重，走科学救国之路，于是他毅然将主要精力从相对论的纯理论研究转向在抗战方面有应用价值的流体力学领域，并在流研究领域取得了举世瞩目的成就7。以周培源先生的事迹为契机，介绍其成功背后的故事，鼓励学生学习先辈们拼搏和奋斗的精神，引导学生坦然面对生活和学习中的各种困难。再如以中国传统的风筝为话题，在线下介绍2 0 0 0 多年前的东周春秋时期，古代劳动人民就利用空气动力学的知识发明了风筝，引申到与风筝有异曲同工之妙的飞机。让学生们感受古人智慧的同时，引导学生思考近代中国被列强侵略的惨痛历史，以及几代中国人为了制造C919大飞机而付出的努力。提出CFD典型案例中的圆柱绕流问题可以延伸到大国重器C919大飞机和“蓝鲸一号”海洋平台的设计，让学生了解CFD能够解决很多卡脖子的难题。通过思政元素与专业知识的结合，不仅能够加深大学生对CFD的掌握，扩大国际视野，还能够激发学生的爱国热情和民族精神，潜移默化地鼓励大学生积极参与到国家重大工程的建设中，实现专业知识、工程应用、国家发展的统一。1.6预期取得的成果本课程自实施以来获得了学生的普遍好评，学生能够掌握CFD的理论知识，也能利用ICEM和Fluent软件独立完成具体的实施案例，满足浙江理工大学能源与动力工程专业的课程设计和本科生毕业论文的实际需求。2结论本文探讨了CFD的线上线下混合式课程改革与实践方法，提出线下理论教学、线上案例教学、线上线下混合式课堂的改革方法。基于在线平台打造线上、线下融合教学的数字化资料库。通过教师提前布置“书本预习”+“实际案例”的作业，让学生阅读教材的同时，给予典型案例的线上教学视频资源，培养学生自主学习的能力。同时，通过典型案例教学再升华，引入思政元素的方式，鼓励学生了解CFD能够解决很多卡脖子的难题，潜移默化地影响大学生独立思考，更多了解相关时事政治，鼓励大学生积极参与到国家重大工程的建设中，实现专业知识、工程应用、国家发展的统一。参考文献1王学德，陈少松，胡常莉等.大类招生背景下能源动力类本科生流体力学跨专业教学的探索与实践.力学与实践，2 0 2 1,4 3(2)：2 7 8-284Wang Xuede,Chen Shaosong,Hu Changli,et al.Interdiscip-linary teaching of fluid mechanics for energy and power un-漫）（责任编辑：胡693胡箫等：计算流体力学线上线下混合式课程改革的探讨第3 期dergraduates in view of major category enrollment mode.Mechanics in Engineering,2021,43(2):278-284(in Chinese)2陆新晓，李峰，薛雪等.安全工程流体力学创新实践教学模式探究.力学与实践，2 0 2 1,4 3(1)：1 2 0-1 2 7Lu Xinxiao,Li Feng,Xue Xue,et al.The innovation teach-ing pratice of safety engineering fluid mechanics.Mechanicsin Engineering,2021,43(1):120-127(in Chinese)3王芳，刘中秋，谭建鹏等.以学生为中心的工程流体力学课程体系改革和构建.力学与实践，2 0 2 2,4 4(3)：7 0 0-7 0 5Wang Fang,Liu Zhongqiu,Tan Jianpeng,et al.Revolutionand construction of curriculum system with engineering flu-id mechanics based on learner-centered teaching model.Mechanics in Engineering,2022,44(3):700-705(in Chinese)4孟庆昌，张志宏，邓辉等.面向实战化需求的流体力学教学改革与实践.力学与实践，2 0 2 2,4 4(3)：6 8 1-6 8 6Meng Qingchang,Zhang Zhihong,Deng Hui,et al.Combat-oriented practice of teaching innovation on fluid dynamicscourse.Mechanics in Engineering,2022,44(3):681-686(inChinese)5梅真.土木类专业流体力学课程教学改革与实践.力学与实践，2021,43(5):796-800Mei Zhen.Reform and practice of teaching fluid mechanicsfor civil engineering.Mechanics in Engineering,2021,43(5):796-800(in Chinese)6许栋，及春宁，白玉川.基于生活实践的工程流体力学启发性教学初探.力学与实践，2 0 1 6,38(2)：1 9 5-1 9 8Xu Dong,Ji Chunning,Bai Yuchuan.A first exploration onthe heuristic teaching of engineering fluid mechanics basedon living practices.Mechanics in Engineering,2016,38(2):195-198(in Chinese)7林建忠.周培源流理论概述.力学与实践，2 0 2 2,4 4(5):1 1 2 9-1142.Lin Jianzhong.Overview of Zhou Peiyuans turbulence the-ory.Mechanics in Engineering,2022,44(5):1129-1142(inChinese)