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關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)模式；改革

作者簡介：楊衛(wèi)波（1975-），男，湖北安陸人，揚州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，副教授；毛紅亞（1976-），女，湖北天門人，揚州大學(xué)財務(wù)處，會計師。（江蘇 揚州 225127）

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0083-02

“流體力學(xué)”作為土木、機械、能源、動力、環(huán)境、化工等學(xué)科的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，由于其理論性強、概念抽象、方程繁瑣、難以理解與記憶，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大，從而影響教學(xué)進程和專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。因此，如何針對“流體力學(xué)”課程自身特點，結(jié)合專業(yè)建設(shè)目標(biāo)，探索出一套新的適合各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的流體力學(xué)教學(xué)模式具有非常重要的意義。本文結(jié)合工科院校學(xué)生的實際情況及筆者教學(xué)實踐與體會，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式三方面對流體力學(xué)教學(xué)模式改革進行了深入的探析。

一、教學(xué)內(nèi)容

1.教學(xué)內(nèi)容的選擇

教學(xué)內(nèi)容的選擇對于提高教學(xué)質(zhì)量、改善教學(xué)效果具有重要的意義。根據(jù)教育心理學(xué)理論，[1]在教學(xué)中應(yīng)把課程中具有廣泛遷移價值的科學(xué)成果作為教材的主要內(nèi)容，從而可實現(xiàn)利用已有知識來同化現(xiàn)有知識的作用，提高學(xué)生的接受能力?！傲黧w力學(xué)”作為大學(xué)工科專業(yè)的一門課程，雖然其內(nèi)容相對比較陌生，但其所包含的基本知識卻貫穿于中學(xué)相關(guān)課程之中。如流體力學(xué)中的速度、壓力、壓強、質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程及動量守恒方程等，學(xué)生均在中學(xué)物理中均學(xué)過，因此在講述相關(guān)內(nèi)容時可以將其與中學(xué)內(nèi)容相聯(lián)系，從而提高學(xué)生的理解能力。又如在講述管路的串聯(lián)與并聯(lián)特性時，其流量、阻力及阻抗特性正好與中學(xué)物理中電學(xué)的串聯(lián)與并聯(lián)電路的電流、電阻特性一致，如果在講述之前引出中學(xué)的電路串并聯(lián)原理，則可大大加強學(xué)生對管路串并聯(lián)水力特性的理解能力。因此，根據(jù)學(xué)習(xí)遷移理論，將相關(guān)內(nèi)容與學(xué)生已有知識進行對接，并闡述其相互之間的關(guān)系，不僅可以有效發(fā)揮學(xué)生利用所學(xué)知識來同化現(xiàn)有知識的作用，而且對于改善教學(xué)效果具有積極作用。

2.教學(xué)內(nèi)容的編排

要合理編排教學(xué)內(nèi)容就必須使教材結(jié)構(gòu)化、一體化，以使構(gòu)成教材內(nèi)容的各要素具有科學(xué)、合理的邏輯關(guān)系。目前，國內(nèi)“流體力學(xué)”課程的教學(xué)體系一般包括流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)（理想流體流動與實際流體流動）、流動阻力損失、孔口管嘴管路流動及特殊流動現(xiàn)象等。每部分內(nèi)容既獨立，同時各部分之間又有相互的聯(lián)系。為了使學(xué)生容易學(xué)習(xí)，可以按照流體力學(xué)實際應(yīng)用路線由簡單到復(fù)雜的方式來編排教學(xué)內(nèi)容。如可以從最簡單的流體靜力學(xué)部分開始，因為靜力學(xué)部分中學(xué)物理中已講授，生活中很常見，學(xué)生容易接受。由于靜止是相對的，運動才是絕對的，自然界流體應(yīng)用中更多的是運動著的流體，讓學(xué)生明白這個道理后很自然將教學(xué)內(nèi)容過渡到流體動力學(xué)部分，從而可提高學(xué)生繼續(xù)往下學(xué)習(xí)的興趣。在講述流體動力學(xué)部分時，先從簡單的一元理想流體運動部分著手，然后逐步過渡到多元理想流體流動及實際流體運動。在講到實際流體運動時，由于能量方程中出現(xiàn)了阻力損失項，這樣就很自然將內(nèi)容過渡到流動阻力損失計算這一部分內(nèi)容。由于生活中的復(fù)雜管路往往是由簡單管路串聯(lián)與并聯(lián)而構(gòu)成，因此，復(fù)雜管路的水力特性（流量、阻力等）需要確定，這樣就可以根據(jù)流體力學(xué)實際應(yīng)用需要將內(nèi)容由阻力損失部分轉(zhuǎn)移到孔口管嘴管路流動部分。最后，根據(jù)各專業(yè)培養(yǎng)需要，選擇適合的特殊流動現(xiàn)象內(nèi)容進行講解，以加強流體力學(xué)的實際工程應(yīng)用。這種以流體力學(xué)實際應(yīng)用路線由簡單到復(fù)雜作為主線的教學(xué)內(nèi)容選擇模式，內(nèi)容組織層次感較強，講起來更加引人入勝和重點突出，教學(xué)過程相對簡化。

3.教學(xué)內(nèi)容的彈性化

教學(xué)內(nèi)容彈性化有兩個方面的含義：一方面要根據(jù)每屆學(xué)生不同的知識背景和不同的定位要求，采用不同的表達方式，以滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需要。另一方面是要根據(jù)時代的發(fā)展，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)最新科技發(fā)展的需要。[2]例如在“流體力學(xué)”教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生更容易接受，可以刪去大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，如流體連續(xù)性方程、動量方程、能量方程的推導(dǎo)等，這些內(nèi)容對于學(xué)生是否掌握流體力學(xué)基本知識并無影響。又如，對于不同的學(xué)生群體，應(yīng)根據(jù)學(xué)生今后的定位不同選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，對于高職高專的學(xué)生，由于其畢業(yè)后大多數(shù)要走出校門從事實際工作，因此，在講述時應(yīng)側(cè)重于流體力學(xué)實際應(yīng)用方面的知識。而對于普通本科院校的學(xué)生而言，畢業(yè)后有相當(dāng)一部分的學(xué)生要繼續(xù)從事相關(guān)的研究工作（如考研等）。因此，應(yīng)加強學(xué)生流體力學(xué)理論方面的教學(xué)與培養(yǎng)，以提高學(xué)生將來的研究能力。隨著時代的發(fā)展和計算機的普及，將計算機用于求解流體力學(xué)問題的計算流體力學(xué)已越來越顯示出其重要的作用。所以，流體力學(xué)教學(xué)中，適當(dāng)介紹當(dāng)今常用的計算流體力學(xué)商業(yè)軟件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以擴充學(xué)生的知識視野，為今后有意繼續(xù)深造的學(xué)生提供鋪墊。

4.教學(xué)內(nèi)容與工程實際相結(jié)合

興趣是最好的教師。教育心理學(xué)[1]的研究表明：當(dāng)學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生已有的知識和生活實際相聯(lián)系時，才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和解決問題的興趣。因此，在流體力學(xué)教學(xué)過程中，應(yīng)結(jié)合專業(yè)目標(biāo)盡可能多地介紹流體力學(xué)廣泛的工程應(yīng)用背景，引導(dǎo)學(xué)生提高自主學(xué)習(xí)流體力學(xué)的興趣和積極性。如在講述流體靜力學(xué)中液體作用在曲面的總壓力計算時，可以介紹1998年特大洪水災(zāi)害長江決堤事件等；在講到流體靜力學(xué)中平面總壓力計算時，可以適當(dāng)引入長江三峽水壩閘門的設(shè)計與計算；在講到沿程與局部阻力損失[3]時，可以講述如何選擇水泵，并以每天生活用水管道供水為例來分析等；在講到動量方程應(yīng)用時，引入如何確定彎管及分叉管路中水流對管道的沖擊力，從而可計算出管道支墩所受的推力；在講述畢托管時，可講述如何測量風(fēng)管的風(fēng)量與風(fēng)壓，在講述傾斜式微壓計時，可與畢托管一起講述如何利用兩者來測量正壓與負(fù)壓風(fēng)管段的動壓、靜壓及全壓等。任課教師在平時授課過程中，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)適當(dāng)穿插講述一些發(fā)生在我們身邊的與流體力學(xué)有關(guān)的實例，使學(xué)生認(rèn)識到流體力學(xué)在生活及工程中的重要性，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，以提高教學(xué)效果。

二、教學(xué)方法

目前課堂授課中常用的教學(xué)方法主要有傳統(tǒng)教學(xué)模式與以多媒體技術(shù)為代表的現(xiàn)代教學(xué)模式。傳統(tǒng)教學(xué)模式是指教師通過口授、板書完成特定教學(xué)內(nèi)容的一種課堂教學(xué)形式，該模式學(xué)生容易接受，可以達到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。但缺乏創(chuàng)新與探索知識的功能，尤其是在當(dāng)今知識快速更新的年代，更是面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代教學(xué)模式是指在課堂教學(xué)中引入多媒體技術(shù)，通過形象逼真的動畫的運用，生動形象地展示教學(xué)內(nèi)容，從而可以充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使教學(xué)方式形象生動，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、想象能力和創(chuàng)造能力。

考慮到傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)模式各自的優(yōu)缺點，在流體力學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)將兩種教學(xué)方法有機結(jié)合起來。如在講述相關(guān)理論公式時，就以傳統(tǒng)的板書教學(xué)為主，對公式的推導(dǎo)和例題的講解，用板書的方式條理化，通過板書一邊寫、一邊對學(xué)生提問，一邊推導(dǎo)相關(guān)公式，讓學(xué)生參與到教學(xué)中，從而可以加強學(xué)生與教師間的互動，激發(fā)與調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。而在流體力學(xué)理論的工程應(yīng)用部分則較多地采用多媒體課件，例如在講授層流與紊流[3]這部分內(nèi)容時，單純地板書講解其概念很抽象，用多媒體課件展示雷洛實驗講解則直觀生動，容易理解。在講解孔口管嘴管路流動及虹吸現(xiàn)象時，用生動動畫顯示其流動全過程，可說明其流動過程中截面收縮及可能出現(xiàn)的真空現(xiàn)象，從而給學(xué)生留下深刻的印象。

三、考核方式

考核的作用主要是了解教師教與學(xué)生學(xué)的情況，及時發(fā)現(xiàn)問題以便改進。考核方式的合理性不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時還可以提高教學(xué)效果?！傲黧w力學(xué)”作為一門理論性極強的基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的考核通常采用平時考核與期末閉卷考試相結(jié)合的方式，兩者所占比例通常為30%與70%。平時考核主要是學(xué)生的出勤率與作業(yè)完成情況，而期末考試主要是卷面所取得的成績。這種考核方式存在一定的問題，不僅不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在某種程度上還會使學(xué)生產(chǎn)生抵觸心理。由于流體力學(xué)中有大量的經(jīng)驗公式和圖表，如阻力系數(shù)計算公式與莫迪圖、納維-斯托克斯方程等，若采取閉卷考試，則勢必要求學(xué)生背熟這么多的公式，容易陷入死記硬背的怪圈。

事實上，這部分內(nèi)容的教學(xué)要求是讓學(xué)生能熟練應(yīng)用這些公式和圖表解決工程實際問題，而不需要死記硬背。因此，在考核方式中可以嘗試平時開卷考核與期末閉卷考核相結(jié)合的考核方式。即將不適合閉卷考試的一些無法記憶而又要求學(xué)生掌握與應(yīng)用的內(nèi)容，放在平時教學(xué)中進行開卷考核，而將一些基本原理、基本概念、基本計算方法的考核放在期末閉卷考試中。這樣，一方面，通過平時不定期的考核能提高平時學(xué)生的出勤率，另一方面，通過平時考核也可以激發(fā)學(xué)生平時的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率；此外還可以通過考核及時發(fā)現(xiàn)問題，改善教學(xué)方法。通過這樣的考核方式，既能激發(fā)學(xué)生平時的學(xué)習(xí)興趣，同時還可以提高教學(xué)效果，考試結(jié)果能較真實地反映學(xué)生對本課程知識的掌握和應(yīng)用能力。

四、結(jié)語

教學(xué)不僅是一門科學(xué)，也是一門藝術(shù)。每一種教學(xué)模式都有其特定的適用范圍和條件。流體力學(xué)作為工科院校相關(guān)專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，由于其理論性強、概念抽象、經(jīng)驗公式多，給其教與學(xué)帶來難度。如何根據(jù)專業(yè)特點將其與各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)進行有機結(jié)合，通過教學(xué)模式的探索使其教學(xué)融入到各專業(yè)人才培養(yǎng)中，將是“流體力學(xué)”教學(xué)模式改革的進一步目標(biāo)。

參考文獻：

[1]譚頂良.高等教育心理學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2006.

[2]劉立平，師少鵬.傳熱學(xué)課程教學(xué)的改革探索[J].高等農(nóng)業(yè)教育，

篇2

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；教學(xué)改革；大學(xué)；專業(yè)基礎(chǔ)課

中圖分類號：642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2013）03-0030-02

“工程流體力學(xué)”課程是以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)、工程熱力學(xué)為基礎(chǔ)，集概念、公式、實際應(yīng)用于一體的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程基本概念抽象，公式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際應(yīng)用眾多，尤其在石油行業(yè)尤為突出。石油工業(yè)中的許多問題都要采用流體力學(xué)理論解決，諸如鉆井液循環(huán)壓力和流速的設(shè)計，套管強度的校核，采油過程中油井采出的流體在泵或井筒內(nèi)的流動規(guī)律分析，地面管線的布設(shè)，管徑設(shè)計，管線強度的校核，壓差與流量之間關(guān)系的確定，輸液泵的選擇和安裝位置的確定，儲油罐強度的校核，油品裝卸時間的計算，油品和天然氣的計量，氣蝕和水擊等現(xiàn)象的預(yù)防等。解決這些問題，要求從事石油工程技術(shù)的科學(xué)工作者必須具備“工程流體力學(xué)”知識，以便在石油工程的建設(shè)和管理中更好地發(fā)揮作用。為了使學(xué)生能夠更好地學(xué)習(xí)掌握該課程的內(nèi)容，教學(xué)環(huán)節(jié)尤為重要。對如何設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，本文主要從以下四個方面加以說明。

一、教學(xué)由多媒體與板書共同完成

教學(xué)板書是教師教學(xué)思路的整體反映，是教師在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解和記憶，以及啟發(fā)學(xué)生思考的重要手段，是教學(xué)過程中不可缺少的組成部分。教學(xué)板書以文字、符號、圖表等手段將教學(xué)內(nèi)容直接訴諸學(xué)生的視覺，豐富了學(xué)生的感知表象，有助于學(xué)生吸收和掌握知識信息。在授課過程中，筆者把學(xué)生對使用板書和多媒體的意見進行調(diào)查，90%的學(xué)生更傾向于使用板書教學(xué)。

由于“工程流體力學(xué)”課程，基本概念多、難理解，公式復(fù)雜難懂，采用板書邊寫邊講解，給學(xué)生留有足夠的時間去理解，去認(rèn)知，接受起來更容易一些。但是流體本身運動復(fù)雜，沒有固定的形狀，在外力作用下，流體流動狀態(tài)、流動規(guī)律是什么樣的，在板書上表達起來可能不夠準(zhǔn)確，不夠形象、逼真；而采用多媒體[1]，將其制作成圖片或動畫課件，則直觀明了，生動具體，給學(xué)生在視覺上以新穎的感覺，在頭腦里的印象會更深刻一些。比如：講工程流體力學(xué)的發(fā)展史，單純講授枯燥無味。此時，制作多媒體課件展示給大家， 比如弧線球也稱香蕉球，找一個足球明星踢弧線球的視頻放里面，邊放映邊講解，學(xué)生很感興趣，還學(xué)到了知識，同時也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，起到了很好的引導(dǎo)效果。

二、將計算流體動力學(xué)軟件融入到理論教學(xué)中

“工程流體力學(xué)”一般采用理論方法、實驗方法和數(shù)值計算三種方法研究，其中，數(shù)值計算就是使用計算流體動力學(xué)軟件計算[2]，是當(dāng)今比較常用也比較流行的方法。計算流體動力學(xué)（簡稱CFD）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD可以看作是在流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。CFD方法克服了理論方法和實驗方法的局限性，在計算機上實現(xiàn)一個特定的計算，就好像在計算機上做一次物理實驗。例如，機翼的繞流，通過計算機并將其結(jié)果在屏幕上顯示，就可以看到流場的各種細(xì)節(jié)；如激波的運動、強度、渦的生成與傳播、流動的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時間的變化等。數(shù)值模擬可以形象地再現(xiàn)流動情景，與做實驗沒有區(qū)別。

目前，CFD軟件中比較著名的就是Fluent軟件。所以可以在教學(xué)中使用Fluent軟件模擬，給學(xué)生展示流動規(guī)律和流動結(jié)果。例如：馮?卡門渦街，不同形狀物體繞流使用Fluent進行模擬，既直觀又能清楚地展現(xiàn)流動規(guī)律，同時對流體本身產(chǎn)生無限的向往，對“工程流體力學(xué)”課程充滿了期待和興趣，為學(xué)生以后學(xué)習(xí)軟件打下了基礎(chǔ)。

三、實施雙語教學(xué)

隨著我國與世界的接軌，隨著世界一體化進程，迫切需要大量精通兩種以上語言的人才，作為一種培養(yǎng)國際化人才的有效手段，雙語教學(xué)勢在必行。高等教育作為教育的前沿陣地，也要同國際接軌。雙語教學(xué)本身就是我國高等教育國際化趨勢的客觀要求，對高校來講，可以加強國內(nèi)高校和國外高校的教學(xué)合作，高校之間的合作項目越來越多，有助于國內(nèi)外專業(yè)領(lǐng)域知識體系的統(tǒng)一和完善；對教師來說，可以促進國內(nèi)高校教師同國外高校教師的學(xué)術(shù)交流，國內(nèi)高校教師可從中了解到很多世界前沿知識，并有效地傳遞給學(xué)生；從學(xué)生自身來看，打破了語言障礙，學(xué)生能夠在專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)較好地將母語和英語這兩種語言之間根據(jù)交際對象和工作環(huán)境的需要進行切換，有效地開展交流與合作，并且多掌握一種語言，就多了一份生存的手段，多了一份了解外部先進世界的途徑，多一份機會。雙語教學(xué)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生運用外語解決實際問題的能力，而且有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握、精通一門外語（主要是英語），能夠多一種思維方式，學(xué)會從多種角度，用不同觀點看問題，進而提升競爭能力，同時也為培養(yǎng)“復(fù)合型”人才奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)今實施“雙語教學(xué)”，既符合與時俱進的要求，又能夠提升教學(xué)水平，這意味著在教學(xué)中實施“雙語教學(xué)”勢在必行。在“工程流體力學(xué)”專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中改變使用單純母語（漢語）的教學(xué)方式，將外語（主要是英語）運用于其教學(xué)的全過程之中，使之與母語教學(xué)互相融合、互相促進，既體現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)的特色和針對性的同時，又能夠全面提高學(xué)生的外語應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)，使教學(xué)更好地適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求。在“工程流體力學(xué)”教學(xué)中推行雙語教學(xué)，使學(xué)生在雙語教學(xué)課堂中提高英語水平，學(xué)會用英語表達專業(yè)知識，繼而過渡到用英語去思維、求知、交流，以便熟練地用外語來解決實際問題。這種教學(xué)模式既符合經(jīng)濟迅速發(fā)展對涉外人才基本素質(zhì)的要求，也符合大學(xué)各專業(yè)交叉融合的發(fā)展方向，是教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

根據(jù)“工程流體力學(xué)”課程的特點，在其教學(xué)中可以使用綜合型教學(xué)模式。即對一些基本概念、基本理論，比較好理解的，可以采用浸入型；而對一些公式的推導(dǎo)，專業(yè)性比較強的，難于理解的采用過渡型。另外，將一些流體發(fā)展的歷史、實例用多媒體教學(xué)手段進行授課，達到直觀的效果。

四、注重實驗環(huán)節(jié)

“工程流體力學(xué)”也是一門實驗科學(xué)[3]。很多流體力學(xué)理論都是以實驗為基礎(chǔ)建立起來的，理論分析得出的結(jié)果需要通過實驗來驗證，而實驗的進行又需要用分析得出的理論來指導(dǎo)。因此，實驗是“工程流體力學(xué)”課程的重要組成部分，是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。它不僅是為了驗證理論，有助于學(xué)生學(xué)好流體力學(xué)，而且是培養(yǎng)學(xué)生進行科學(xué)研究、提高獨立工作和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。

隨著大學(xué)教育的普及，受教育的人數(shù)迅猛增長，而實驗教學(xué)設(shè)備與人數(shù)增長不成比例，導(dǎo)致教學(xué)和實驗的間隔周期較長，使得實驗前，有些學(xué)生并沒有做好充分的準(zhǔn)備，并且缺乏必要的理論復(fù)習(xí)，對即將做的實驗相關(guān)知識沒概念，致使理論和實驗嚴(yán)重脫節(jié)，實驗效果不佳。但是對學(xué)生的考核僅僅是一份實驗報告，導(dǎo)致有些報告抄襲嚴(yán)重，甚至有些學(xué)生做實驗，看別人怎么做就怎么做。這樣，學(xué)生的動手能力、實踐能力怎么能培養(yǎng)出來？更不用說培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和發(fā)散思維。實驗課是教學(xué)的必要環(huán)節(jié)，也是重要環(huán)節(jié)，不容忽視。

1.實驗前，回顧與實驗相關(guān)的知識點，讓學(xué)生在短時間內(nèi)了解本次實驗和相關(guān)理論，這里的相關(guān)理論不是本實驗的結(jié)論，實驗結(jié)論應(yīng)該由學(xué)生通過做實驗總結(jié)出來；也可以將本實驗過程錄制成一段視頻，讓學(xué)生提前看一下，熟悉一下實驗過程，視覺在人心中留的印象會更深刻一些，做到心中有數(shù)，這樣真正自己動手做實驗就不會茫然。

2.由于時間和設(shè)備的限制，實驗只能就某一種情況進行操作，對其他條件變化時會有什么樣的規(guī)律不能面面俱到，這時在實驗教學(xué)中應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件演示也會收到很好的教學(xué)效果。所以，計算流體動力學(xué)軟件不僅在教學(xué)中，在實驗中的作用也是顯著的。

3.在實驗課教學(xué)改革的同時，實驗課考核的方法也應(yīng)該相應(yīng)地加以整改。通過純粹的書面實驗報告和出勤率進行考核，學(xué)生互相抄襲，敷衍了事，實驗做完后真正的原理還沒弄明白。為了避免此類情況的發(fā)生，一方面，考核每個學(xué)生親自動手做實驗，邊做實驗邊講解，不僅能夠鍛煉學(xué)生動手的實驗?zāi)芰ΓZ言表達能力相應(yīng)地也有所提高，為此應(yīng)該增加實驗教師的人數(shù)；另一方面，除了增加實驗課在最終成績的比例（10%）外，還要在期末試卷中增加實驗內(nèi)容，以檢驗學(xué)生對實驗的理解能力和掌握情況。

為了使學(xué)生能夠更好地掌握“工程流體力學(xué)”課程的內(nèi)容，教學(xué)需要改革，這就要求當(dāng)代大學(xué)教師不斷地嘗試、不斷地探索新的教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。本文針對“工程流體力學(xué)”這門專業(yè)基礎(chǔ)課程的特點，提出了幾點教學(xué)建議，希望對工作在一線的流體力學(xué)教師有點幫助。

參考文獻：

[1]于靖博，張文孝，李廣華.工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革與實踐[J].裝備制造技術(shù)，2011，（11）.

篇3

關(guān)鍵詞：全英文課程；計算流體力學(xué)；課程建設(shè)；研究生

中圖分類號：G643 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）33-0221-03

一、引言

伴隨著經(jīng)濟全球化潮流，高等教育也在走向國際化。高校與國際接軌的能力決定了其吸引國外高水平師資和優(yōu)秀學(xué)生的能力[1]，進一步會影響到所在國的科技水平和國際形象。因此，全英文教學(xué)逐漸成為我國高校研究生教學(xué)改革的重點[2]，并有制度化和常態(tài)化的趨勢。在這種背景下，中國石油大學(xué)（北京）作為唯一一所教育部直屬的石油類高等學(xué)府，已將國際化辦學(xué)提升到了學(xué)校發(fā)展戰(zhàn)略的高度[3]，相繼出臺了聘請外教、接收來華留學(xué)生、提升教師國際化水平、推動全英文課程體系建設(shè)等一系列舉措。作為這一體系中的一環(huán)，計算流體力學(xué)全英文課程在中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院的大力推進下已作為該院的第一門全英文課程開設(shè)起來。計算流體力學(xué)被選為機械與儲運工程學(xué)院的第一門全英文課程與其學(xué)科特點有關(guān)。該院的油氣儲運工程、熱能工程等專業(yè)無論在基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用方面都或多或少需要用到計算流體力學(xué)，且隨著研究生培養(yǎng)質(zhì)量的提高，研究生參加國際會議、發(fā)表高水平國際期刊論文、出國聯(lián)合培養(yǎng)等涉外科研活動日益頻繁。他們在這些活動中能否得到國際同行的高度認(rèn)可，毫無疑問地取決于研究生是否能夠用英語無障礙地與國際同行就專業(yè)領(lǐng)域、研究方向甚至日常生活等方方面面進行深入交流，包括英語的聽說讀寫能力甚至更高級的英語思維能力。

然而，用英語進行科研活動對于母語非英語國家的學(xué)生來說是一大難題，尤其是我國學(xué)生長期處于單一漢語教學(xué)語境中，到了研究生階段早已習(xí)慣了十幾年的漢語教學(xué)。這使他們進入科研工作后也不由自主地傾向于閱讀中文科技文獻、撰寫中文科技論文，大大局限了研究生的視野、局限了原創(chuàng)性成果的傳播范圍，也使他們在開會、畢業(yè)、出國、就業(yè)等壓力下不得不使用英語表達其科研成果時，往往“張不開嘴”、“下不了筆”，即使勉力為之也經(jīng)常詞不達意，難以清晰準(zhǔn)確地體現(xiàn)其科研成果的精髓，影響了與國際同行的交流效果。據(jù)筆者調(diào)查，大多數(shù)碩士生會用三分之一甚至更多的時間學(xué)習(xí)英語，博士生中能夠自如地用英文撰寫科技論文的人數(shù)也在少數(shù)，即使一些研究生通過了托福、雅思等英語考試，但是當(dāng)其在生活和科研中使用英文時仍然感覺格格不入、困難重重。

出現(xiàn)上述問題的原因來源于兩方面：一方面，我們給學(xué)生提供的教學(xué)、科研環(huán)境是全漢語的，與專業(yè)知識相關(guān)的詞匯、概念、原理、定律等都只用中文講授，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時已經(jīng)先入為主地把知識與中文綁定了，不知道這些知識地道的英文表達是什么。另一方面，學(xué)生為了通過各種英語水平考試所進行的是泛泛的英語訓(xùn)練，由于缺乏應(yīng)用背景，往往是考試結(jié)束沒多久學(xué)生就把所記的詞匯、語法忘光了，不知道如何把英語用到自己的專業(yè)中形成綜合的英語能力?？傊?，學(xué)生在教學(xué)、科研、英語這三項活動中做的幾乎是互不相關(guān)的三件事。

解決這一問題的途徑之一就是把專業(yè)知識的教學(xué)環(huán)境改變?yōu)槿⒄Z，把英語有針對性地用到教學(xué)進而科研中[4]。因此，以“計算流體力學(xué)”全英文課程建設(shè)為契機，通過一系列的教學(xué)研究，希望探索出一條適合中國學(xué)生實際情況的、行之有效的特色全英文教學(xué)之路，切實提高研究生的專業(yè)英語的全面應(yīng)用能力，進而提高其科研創(chuàng)新和國際交流能力。本文針對第一次開課所遇到的問題進行了初步探討，為后續(xù)優(yōu)化該課程的設(shè)置提供借鑒。

二、“計算流體力學(xué)”全英文課程課堂教學(xué)分析

為了切實分析出“計算流體力學(xué)”全英文課程的初次授課得失，以利于后續(xù)改進提高教學(xué)質(zhì)量，僅從教師本身的經(jīng)驗體會進行歸納是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要來自學(xué)生的第一手反饋資料。因此，從課程的時間安排、教學(xué)材料的難度和組織、教學(xué)方式、考核方式4個方面對學(xué)習(xí)了該課程的37名研究生進行了問卷調(diào)查（選項間可以多選）。調(diào)查是采用網(wǎng)上下載問卷匿名填寫的方式進行的，因此具有較高的可信度。

研究生課程與其他階段學(xué)生的課程最大的不同在于要求在第一年即修完所有課程，為后兩年研究工作的開展打下基礎(chǔ)。其中大部分課程均集中在第一年的第一學(xué)期。新開的“計算流體力學(xué)”全英文課程的時間安排，實質(zhì)上體現(xiàn)了與已有研究生課程的銜接關(guān)系以及學(xué)生的接受程度，而從學(xué)習(xí)者的切身體會去了解最為真實可靠。因此，問卷調(diào)查首先從課程的時間安排入手，結(jié)果示于圖1中。45%的學(xué)生認(rèn)為雖然課程時間安排得太緊湊但是有利于鍛煉英語，也有20%的學(xué)生認(rèn)為時間太緊而影響學(xué)習(xí)效果。出現(xiàn)這種情況的原因主要來自于該門課程目前的授課模式是從國外大學(xué)引進外教來講課，外教在國外大學(xué)本身承擔(dān)了科研和教學(xué)工作，因此只能根據(jù)其空余時間來華集中授課（2周），因此授課強度高。但是凡事皆有正反兩面，集中高強度授課對于漢語課程或許不適宜，但是對于英語作為授課語言的課程反而會因為高頻度的語言刺激而使學(xué)生較快掌握專業(yè)英語。這一點從45%的學(xué)生的正面評價即有所反映，從教師課堂上的觀察也得出了相同結(jié)論，即從第2堂課開始學(xué)生已基本擺脫了第1堂課的完全聽不懂的狀態(tài)，掌握了基本的專業(yè)詞匯，從第4堂課開始已有較多學(xué)生能和教師用英語進行專業(yè)知識的簡單交流。另有15%的學(xué)生認(rèn)為安排在第一學(xué)期較好因為有利于集中學(xué)習(xí)，20%的學(xué)生認(rèn)為安排在第二學(xué)期較好因為需要一些知識準(zhǔn)備。這兩方面其實也是各有利弊。安排在第一學(xué)期可以和絕大部分研究生課程同時學(xué)習(xí)，減輕后續(xù)學(xué)習(xí)和科研壓力；安排在第二學(xué)期可以在第一學(xué)期已經(jīng)學(xué)習(xí)了張量、數(shù)值傳熱學(xué)等漢語環(huán)境的課程后有較為充分的知識準(zhǔn)備，有助于提高全英文環(huán)境下的學(xué)習(xí)效果，畢竟對于外語來說，內(nèi)容本身越熟悉越容易聽懂[5]。

在教學(xué)內(nèi)容難易度方面（圖2），絕大多數(shù)學(xué)生（96%）反映教學(xué)內(nèi)容偏難偏多，感覺課堂上應(yīng)接不暇（25%）、課下需要較多時間消化吸收（43%），還有一些學(xué)生希望圍繞幾個難易適中、理論與實踐結(jié)合的話題來展開（28%）。就這些問題，經(jīng)過與外教的交流，發(fā)現(xiàn)外教已經(jīng)降低難度并減少內(nèi)容來授課了，這一調(diào)查結(jié)果恰恰反映出中外學(xué)生英語能力差別懸殊。在后續(xù)開課過程中要充分認(rèn)識到這一差別，做到循序漸進，逐漸增加難度。另外，由于外教的學(xué)科背景與修習(xí)該課程的學(xué)生不一致，導(dǎo)致了學(xué)生覺得講授內(nèi)容偏理論化，不知如何應(yīng)用于工程。這一點在本校接手該課程后可以著手改善。

在教學(xué)材料適應(yīng)性方面（圖3）主要反映了2個問題：（1）目前的主要教學(xué)材料依靠記錄老師板書而獲得，既熟悉了英文（39%），又部分影響了聽課效果（27%）；（2）給學(xué)生提供的參考教材雖為國外教材，但都是面面俱到地介紹計算流體力學(xué)知識，沒有針對性和側(cè)重點，與課堂教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系也不緊密（21%）。針對這兩個問題，需要對教學(xué)材料進行重新組織，挑選適合本專業(yè)特點的教學(xué)材料。

教學(xué)方式包括課堂組織形式（圖4）和語言環(huán)境（圖5）兩個相互關(guān)聯(lián)的方面。絕大多數(shù)學(xué)生對目前的授課形式比較滿意，認(rèn)為引入了國外的授課模式后課堂氛圍輕松，更有利于對知識的吸收（41%），每堂課開始前先讓學(xué)生用英文總結(jié)上節(jié)課內(nèi)容，既復(fù)習(xí)了知識又鍛煉了口語（43%）。這說明學(xué)生對全英文授課模式是認(rèn)可的，并不是僅僅將中文替換為英文的換湯不換藥的形式。具體到語言環(huán)境上，39%的學(xué)生認(rèn)為強制全程使用英文，雖然感覺不適應(yīng)但是避免了對中文翻譯的依賴，直接用英文學(xué)習(xí)知識更有收獲；26%的學(xué)生樂于接受教師邊講課邊書寫的形式，因為聽與看結(jié)合起來更易于聽懂和理解教學(xué)內(nèi)容；28%的學(xué)生希望遇到陌生英文詞匯時教師能用較淺顯的詞匯進行解釋，這樣更便于從英文角度直接掌握知識。從圖4和圖5反映出的學(xué)生對于提問和強制使用英文的抵觸情緒，教師一方面應(yīng)堅持原則，另一方面應(yīng)多鼓勵學(xué)生直接使用英文學(xué)習(xí)與交流，疏解學(xué)生的緊張畏難心理。

在課程考核方式方面（圖6），壓倒性的意見（占92%）認(rèn)為目前采用大作業(yè)形式來考核很好，并且大作業(yè)題目本身比較靈活，在解決具體問題時強化了學(xué)習(xí)效果。也有少量呼聲要求在期末大作業(yè)之外增加平時小作業(yè)（3%），以及采用期末考試的形式（5%）?？梢钥紤]以后的考核方式多元化，增加學(xué)習(xí)過程考核，可能會收到更好地教學(xué)效果。

三、“計算流體力學(xué)”全英文課程建設(shè)初步意見

基于以上教學(xué)調(diào)查結(jié)果，將學(xué)生的反饋意見與教師的授課經(jīng)驗結(jié)合，分析得到了以下課程建設(shè)意見：

1.課時安排應(yīng)緊湊適度?？傮w上該課程應(yīng)安排在數(shù)值傳熱學(xué)、張量基礎(chǔ)等課程之后，使得學(xué)生在中文環(huán)境下預(yù)先掌握一定的計算流體力學(xué)基礎(chǔ)知識，更有利于向全英文環(huán)境的過渡。具體課時安排應(yīng)既不太緊也不太松，以平均每周3次課，每次2課時為宜，使得學(xué)生既能跟上課程進度又不會因為上課間隔太長而遺忘已學(xué)的專業(yè)英語。

2.教學(xué)內(nèi)容應(yīng)精挑細(xì)選。應(yīng)該結(jié)合專業(yè)特點，以本專業(yè)工程中的典型案例為背景，圍繞難度適中的常用計算流體力學(xué)方法進行講解。不求面面俱到，但求針對性強。建議在完善教學(xué)PPT的基礎(chǔ)上編寫專門用于這門課的講義和教材。

3.教學(xué)方式應(yīng)去中入西。正因為中國學(xué)生長期習(xí)慣于中文課堂的講授式教學(xué)，不需要與教師和同學(xué)進行較多的交流，甚至講臺和課桌分別成為了教師和學(xué)生的“堡壘”，才導(dǎo)致容易將這一模式帶入到英文環(huán)境的課堂學(xué)習(xí)中。然而，這一帶入是極其不利的，因為學(xué)生面對的是英文和專業(yè)知識的雙重困難，如不在課堂上進行充分地交流，學(xué)習(xí)效果非常有限且專業(yè)英文水平無法得到提高，最終必將陷入“英文阻礙專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，專業(yè)知識反過來阻礙英文的學(xué)習(xí)”這一怪圈。只有教師首先從自身做起，放棄傳統(tǒng)中式課堂的“上下級”教學(xué)模式，引入西式課堂的“平等式”、“開放式”授課模式，通過師生互動、生生交流、英文答辯等形式，才有可能讓學(xué)生樂于在英文環(huán)境下學(xué)習(xí)專業(yè)知識，全面培養(yǎng)專業(yè)背景下的英語綜合能力。

參考文獻：

[1]宋培晶，陳紅，胡泊.非英語國家高校開設(shè)全英文授課碩士生培養(yǎng)項目現(xiàn)狀比較分析[J].學(xué)位與研究生教育，2008，（9）.

[2]馬吉平.專業(yè)課全英文教學(xué)探討[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報，2014，31（3）.

[3]林伯韜，林青，龐惠文.石油工程專業(yè)材料力學(xué)全英文課程教學(xué)探索與實踐[J].大學(xué)教育，2016，（1）.

篇4

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;方法原理

中圖分類號：TU74文章標(biāo)識碼：A

1、設(shè)計方法

1.1經(jīng)驗設(shè)計

機械的連接結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)等已經(jīng)積淀有汗牛充棟的實踐案例，但如何掌握這些案例的基本原理和設(shè)計方法，而不是記憶這些案例的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，這是經(jīng)驗設(shè)計中的關(guān)鍵。具體的產(chǎn)品設(shè)計，例如車床，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可以參考前人的設(shè)計圖紙，這對于提高設(shè)計效率，汲取前人經(jīng)驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經(jīng)驗，可以吸收他人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法，同時也拓寬了自己的設(shè)計思路。隨著機械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)和搜索方式的更新，對他人的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí)將更加方便。經(jīng)驗知識是結(jié)構(gòu)設(shè)計的寶貴財富，也是公司的知識資產(chǎn)。通過對國內(nèi)外同類型專利知識的學(xué)習(xí)，也是一條提升自己結(jié)構(gòu)設(shè)計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產(chǎn)權(quán)?！肮湃藗飨聛淼膶W(xué)問，就是裝在船里的貨物。現(xiàn)在的新潮流、新趨勢，就是行船的風(fēng)?！痹趯W(xué)習(xí)他人的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新點的基礎(chǔ)上，設(shè)計者應(yīng)有自己的革新與發(fā)明、自己的創(chuàng)造。

1.2理論設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論方法，討論的是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設(shè)計、復(fù)合化設(shè)計、分級結(jié)構(gòu)設(shè)計、載荷均布性設(shè)計和變結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)可靠性和概率設(shè)計等方面的發(fā)展和具體應(yīng)用，機械結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計方法也在不斷的推陳出新。

1.3模塊化和組合化設(shè)計

一臺機器總體是由提供不同功能的結(jié)構(gòu)單元有機的組合而成，因此模塊化的以及模塊之間的組合化就是早期的方法之一。在復(fù)雜的機電系統(tǒng)和設(shè)備中，模塊化和組合化的設(shè)計理念是有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，同時也是機械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設(shè)計概念；我國的組合化機床的設(shè)計在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結(jié)構(gòu)單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機器。

1.4復(fù)合化設(shè)計

復(fù)合化的基本特點就是將兩個或兩個以上的功能零件組合成一個部件或構(gòu)件來設(shè)計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計就是將兩個凸輪設(shè)計成一個零件；一根連桿在組合結(jié)構(gòu)中同時作為兩個或兩個以上機構(gòu)的結(jié)構(gòu)件。復(fù)合化方法可以降低機械的制造成本、減輕機器的重量、縮小機器的尺寸和降低產(chǎn)品的成本。

1.5分級結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)雜的制造設(shè)備是由分級的機械結(jié)構(gòu)組成，大功能層次的結(jié)構(gòu)是由若干個分功能結(jié)構(gòu)組成。層次化不僅是功能樹結(jié)構(gòu)的要求，而且也是制造工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。例如，床頭箱由多個輪系組成，而每個輪系又由次一層次的系統(tǒng)組成。復(fù)雜機電產(chǎn)品的設(shè)計，例如組合挖掘機的設(shè)計，集推土機和挖掘機的功能在一起，而共用一個動力系統(tǒng)，在執(zhí)行系統(tǒng)處分開。層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在構(gòu)想分級結(jié)構(gòu)階段，能夠幫助設(shè)計者厘清思路，從而找出結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點，集中解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點問題。

1.6載荷均布性設(shè)計

由于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，希望載荷分布均勻，充分發(fā)揮材料的機械力學(xué)性能或者取得降低最大載荷的目的。例如，修形齒輪的設(shè)計、對數(shù)滾子的設(shè)計，為了取得接觸應(yīng)力的均布，從而修形零件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。行星齒輪減速器的設(shè)計也體現(xiàn)了載荷均布性的設(shè)計理念，從機構(gòu)運動學(xué)來看只需一只行星齒輪；然而從受力平衡、承載能力和提高齒面的抗磨損來說，三只行星齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計更好。

1.7變結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新常常采用變結(jié)構(gòu)的方法，變結(jié)構(gòu)可以改變機械結(jié)構(gòu)的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計變?yōu)檗D(zhuǎn)動導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計。變結(jié)構(gòu)可以改變實現(xiàn)功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設(shè)計。變結(jié)構(gòu)也可以降低機器的設(shè)計成本，例如利用死點的桌面支承設(shè)計。

1.8模型試驗設(shè)計

相似模型試驗設(shè)計?；跈C器物理模型的相似，運用相似科學(xué)理論，對于大型的機器設(shè)備進行模型試驗設(shè)計。通過模型結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗分析，獲取機械結(jié)構(gòu)的可靠性、并預(yù)測機器的工作性能。模型相似的設(shè)計方法已在工程領(lǐng)域有廣泛的運用，例如大型水輪機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過制造大型水輪機組的模型，測試試驗?zāi)Ｐ偷墓ぷ餍阅芤约捌淇煽啃缘戎笜?biāo)，優(yōu)化水輪機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力。機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發(fā)明和新的科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)，在日新月異地發(fā)展，不斷出現(xiàn)新的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，同時對前人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行革新。

2、設(shè)計原理

機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計必然要依據(jù)技術(shù)科學(xué)的原理，例如：理論力學(xué)原理、材料力學(xué)原理、彈性力學(xué)原理、疲勞力學(xué)原理、流體力學(xué)原理、熱力學(xué)原理、摩擦學(xué)原理、聲學(xué)原理、智能原理和一切可能的新物理原理。這里討論以上各種原理在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，以期總結(jié)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的常用原理，討論機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理在今后結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的可能性。

2.1理論力學(xué)原理

理論力學(xué)是機構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)理論，對于機器的運動學(xué)和動力學(xué)分析，得到的結(jié)構(gòu)必然反映到機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中來。例如，軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)的設(shè)計，其動力學(xué)及其穩(wěn)定性的設(shè)計，要求修改軸承的設(shè)計和軸的剛度設(shè)計。

2.2材料力學(xué)原理

機械零件的強度和剛度設(shè)計是基于材料力學(xué)理論的，強度或剛度不足時，就需要修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，齒輪輪齒接觸強度和齒根彎曲疲勞強度的設(shè)計，當(dāng)齒面接觸強度不足時就要求增大小齒輪的分度圓直徑；當(dāng)齒根彎曲強度不夠時就要求增大齒輪的模數(shù)。

2.3彈性力學(xué)原理

彈性力學(xué)分析是零件應(yīng)力應(yīng)變計算的基礎(chǔ)，例如滾動軸承中滾子修形的設(shè)計，基于彈性力學(xué)的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機械零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，常常用到彈性力學(xué)理論。

2.4疲勞力學(xué)原理

機械零件上的機械載荷在工作過程中常常是變動的，例如汽車中的軸、軸承和齒輪上的載荷都是變化的，這種變化的載荷具有一定的統(tǒng)計特征。變載荷下軸和滾動軸承的疲勞壽命設(shè)計等工程內(nèi)容，已經(jīng)發(fā)展成機械零件的概率設(shè)計。為了更精確地設(shè)計機械零部件，疲勞力學(xué)在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中會得到越來越多的應(yīng)用。

2.5流體力學(xué)原理

流體傳動和動靜壓軸承等的設(shè)計是依據(jù)流體力學(xué)原理的，流體力學(xué)也是機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的基本原理之一。例如靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計、動壓滑動軸承的設(shè)計，要依據(jù)流體的質(zhì)量守恒定律、平衡原理等，優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果要求修改導(dǎo)軌或軸承的結(jié)構(gòu)型式和尺寸參數(shù)。

2.6熱學(xué)原理

熱力學(xué)和傳熱學(xué)在機械零部件的設(shè)計中有很廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)軌的熱精度設(shè)計、齒輪和滾動軸承的膠合分析、隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計等等。

2.7摩擦學(xué)原理

耐磨或加快磨損是摩擦學(xué)設(shè)計的核心，例如圓錐銷的設(shè)計、組合螺母的設(shè)計，就是為了補償零件的磨損，使得零件在磨損后仍能實現(xiàn)其設(shè)計的功能。磨削和拋光制造工藝是利用零件磨損的加工方法。

2.8聲學(xué)原理

在機械系統(tǒng)的噪聲分析和研究中，依據(jù)物理聲學(xué)的原理及其分析方法，得到噪聲的頻譜和功率譜等分析結(jié)果，以指導(dǎo)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，例如低噪聲滾動軸承的設(shè)計。今后，可以考慮利用機械噪聲來進行產(chǎn)品設(shè)計，例如聲爆彈的設(shè)計、信號中噪聲信息干擾的設(shè)計等。

3、結(jié)語

綜合上述，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計涉及的方面比較廣，在設(shè)計過程當(dāng)中需要考慮的地方有很多。需要設(shè)計者從實際情況出發(fā)，按照設(shè)計的基本準(zhǔn)則，采用適用設(shè)計要求的一些設(shè)計方法。

參考文獻：

[1]朱林,陳發(fā),淺談機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的新思想[J].新疆農(nóng)機化.2002

篇5

關(guān)鍵詞：生化工程；生物技術(shù)；計算機技術(shù)；過程控制；反應(yīng)器

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）51-0136-02

自上世紀(jì)50年代初在國內(nèi)高校首開發(fā)酵工程專業(yè)以來，《生化工程》課程一直作為江南大學(xué)生物工程專業(yè)重點建設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。圍繞培養(yǎng)實踐型、應(yīng)用型發(fā)酵工程人才，我們在教學(xué)中，堅持理論與實踐結(jié)合，在教學(xué)方法上進行了有益的嘗試。在生化工程的教學(xué)過程中，除了圍繞《生化工程》的相關(guān)教材講述生化反應(yīng)動力學(xué)與反應(yīng)器方面的基礎(chǔ)理論外，重點還介紹了最新技術(shù)在發(fā)酵過程優(yōu)化與控制以及生化反應(yīng)器放大中的應(yīng)用。

一、基于代謝工程和智能工程的集約型發(fā)酵過程控制

發(fā)酵過程控制技術(shù)是利用過程自動控制和系統(tǒng)工程的手段，通過動態(tài)調(diào)控諸如底物流加速度、通風(fēng)量、攪拌速度、溫度、pH、操作時間和方式等外部環(huán)境因子對發(fā)酵過程的性能指標(biāo)實施優(yōu)化。發(fā)酵過程控制技術(shù)可以稱得上是發(fā)酵工程的核心關(guān)鍵技術(shù)。近年來，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能工程技術(shù)和以代謝工程為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)逐步、大量地滲入到發(fā)酵過程的建模、過程故障診斷和早期預(yù)警乃至過程控制與優(yōu)化等諸多領(lǐng)域。先進的過程控制技術(shù)、智能工程技術(shù)、代謝工程技術(shù)與發(fā)酵工程的融合才是現(xiàn)酵過程控制的發(fā)展方向和大趨勢。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）作為人工智能技術(shù)的核心，其固有的學(xué)習(xí)特性和模擬非線性的能力非常適合發(fā)酵過程，目前在發(fā)酵工程中的應(yīng)用相當(dāng)普遍，在系統(tǒng)辨識、建模、優(yōu)化、控制等各方面都有廣泛的應(yīng)用和顯著的效果[1]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能由已知的過程輸入得到過程的輸出，從而建立過程模型。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用主要是由于它具有以下特點：（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有典型黑箱模型的特性。（2）對于復(fù)雜系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各接點間的連接權(quán)值包含著對過程輸入、輸出關(guān)系的描述，通過選擇一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和較為方便的學(xué)習(xí)過程，多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能以任意精度逼近任意非線性映射，帶來了一種有效的、智能的表達工具。（3）模型一般為多輸入和多輸出的并行信息存儲與處理結(jié)構(gòu)，從而具有獨特的容錯性和并行計算特點，大量復(fù)雜的控制算法能夠得以快速實現(xiàn)，因此可方便地用于多變量控制系統(tǒng)。（4）固有的學(xué)習(xí)能力降低了系統(tǒng)的不確定性，適應(yīng)環(huán)境變化的泛化能力得到了增加。在估計預(yù)測過程中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連接權(quán)值的綜合作用即是模型的具體表達，使模型充當(dāng)了一個逼近真實過程模型的角色。用于網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本和檢驗樣本能否達到令人滿意的精度或可信度是衡量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模效果好壞的主要依據(jù)。ANNPR控制策略在控制和優(yōu)化畢赤酵母生產(chǎn)外源蛋白的控制中起到了很好的效果。例如該控制策略在甘油流加培養(yǎng)階段維持較高的重組畢赤酵母比生長速率，同時避免誘導(dǎo)前甘油的積累，最終提高pIFN-α的產(chǎn)率。除了pIFN-α發(fā)酵生產(chǎn)過程，這一新的控制方法還能用于其他畢赤酵母表達外源蛋白的過程。

二、發(fā)酵過程在線故障診斷和早期預(yù)警技術(shù)

在實際的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，僅僅依靠發(fā)酵過程的控制和優(yōu)化并不能確保生產(chǎn)過程中每一批次的高效和穩(wěn)定。而且一些在線參數(shù)測量電極在工業(yè)上的應(yīng)用還不夠成熟。一旦過程參數(shù)偏離最優(yōu)的控制水平，發(fā)酵產(chǎn)量就會大大下降，甚至導(dǎo)致發(fā)酵徹底失敗。甲醇營養(yǎng)型畢赤酵母是目前應(yīng)用效果好且用途最廣泛的一種外源蛋白表達系統(tǒng)。它具有許多明顯的優(yōu)勢，蛋白分泌表達的啟動子受到誘導(dǎo)劑甲醇的嚴(yán)格調(diào)控，誘導(dǎo)表達的大部分目標(biāo)蛋白可以分泌到胞外，有利于降低下游的分離和純化的成本等。在發(fā)酵生產(chǎn)過程中，基于OUR變化模式的故障診斷方法是一種常用的方法，但運用單一過程參數(shù)進行過程控制和分析不具有代表性。通過選取多個在線參數(shù)，針對不同的畢赤酵母發(fā)酵過程，建立通用的診斷模型具有廣泛的意義。在畢赤酵母表達重組融合蛋白過程中，在誘導(dǎo)期如何準(zhǔn)確有效地控制甲醇的濃度并保持pH值的穩(wěn)定是發(fā)酵過程控制的關(guān)鍵。以前的各種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法大都基于復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和各種網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，沒有具體結(jié)合發(fā)酵過程的特性，菌體的代謝以及生理狀態(tài)分析，參數(shù)的選擇也沒有針對不同階段的發(fā)酵特性，識別的效果相對較差。但是通過對所有的在線數(shù)據(jù)進行評價篩選，基于對誘導(dǎo)期菌體生理狀態(tài)和發(fā)酵過程參數(shù)的深入研究，提出的基于自聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷系統(tǒng)能起到很好的效果[2]。

建立具有故障診斷和早期預(yù)警功能的自我聯(lián)想型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AANN大致包括五個主要步驟。首先在正常發(fā)酵條件下，對一些關(guān)鍵過程參數(shù)進行在線的監(jiān)測和存儲，建立具有系統(tǒng)生成、實時數(shù)據(jù)庫生成等功能的軟件和數(shù)據(jù)庫。然后建立上述狀態(tài)變量的數(shù)值以及相應(yīng)的誤測數(shù)據(jù)與“正常”和“非正?！卑l(fā)酵的性能指標(biāo)（以產(chǎn)物濃度、生產(chǎn)強度、糖酸轉(zhuǎn)化率等為基準(zhǔn)）間的簡單、定性關(guān)系表，從而為實現(xiàn)早期預(yù)警后、反推故障原因、及時采取補救措施提供依據(jù)和可能的信息。接著建立具有故障診斷和早期預(yù)警功能的自我聯(lián)想型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AANN。通過對已知正常發(fā)酵樣本數(shù)據(jù)中未參與訓(xùn)練、學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)進行驗證計算，確認(rèn)所建立的AANN模型的通用性和精確度可以達到和滿足規(guī)定要求。然后建立基于AANN模型的在線故障診斷和早期預(yù)警。最后一旦AANN模型檢測到發(fā)酵處于“異?！睜顟B(tài)，則可以反推可能造成發(fā)酵處于“異常”狀態(tài)的原因。比如說，檢查一下溫度、pH、溶氧電極和尾氣分析儀是否出現(xiàn)故障，氣路和水路（冷卻水）有無堵塞，等等。如果能夠找到原因，則采取相應(yīng)的補救措施，促使發(fā)酵盡快恢復(fù)正常；如果確實找不到原因，則可繼續(xù)等待一段時間、觀察發(fā)酵能否自動恢復(fù)正常。如果仍然不行，則應(yīng)當(dāng)機立斷、及時放罐。總之，應(yīng)用自我聯(lián)想型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的在于建立以人工智能工程為基礎(chǔ)的、簡易、通用和集約型發(fā)酵過程控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)發(fā)酵過程中的故障診斷和早期預(yù)警。

三、計算流體動力學(xué)在生化反應(yīng)器設(shè)計和放大中的應(yīng)用

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）模擬是21世紀(jì)流體力學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，該模擬技術(shù)的基本原理是利用離散化的數(shù)值算法求解控制流體流動的微分方程，得出連續(xù)流場在一定區(qū)域上的離散分布規(guī)律，從而“模擬”流體流動情況。FLUENT是目前世界應(yīng)用范圍最廣的商業(yè)CFD軟件包之一，該軟件在對流態(tài)進行數(shù)值仿真模擬計算方面有著廣泛應(yīng)用。帶攪拌的生物反應(yīng)器在發(fā)酵工業(yè)有著廣泛應(yīng)用，攪拌和混合是化學(xué)工業(yè)中重要的單元操作，體系混合過程和效果往往成為影響反應(yīng)產(chǎn)率等的重要因素。為評估和研究攪拌系統(tǒng)的傳氧效率和功率消耗，優(yōu)化反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)，采用計算流體力學(xué)技術(shù)對所設(shè)計的新型反應(yīng)器進行了計算機模擬，采用FLUENT？作為計算平臺，采用基于Euler-Euler方法的Mixture模型處理氣液兩相流問題，氣泡聚并和破裂過程通過群落平衡方程計算，最后將計算結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)進行比較[3]。計算表明CFD計算的各參數(shù)預(yù)測值與測量值偏差均在±10%以內(nèi)，能夠較準(zhǔn)確地再現(xiàn)設(shè)備內(nèi)流體的運動狀態(tài)。這為利用數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計和生物反應(yīng)器工程放大奠定了基礎(chǔ)。在前期工作中，通過中試生產(chǎn)和80立方生產(chǎn)規(guī)模下的結(jié)冷膠發(fā)酵過程試驗，新型通風(fēng)發(fā)酵罐表現(xiàn)出優(yōu)良的傳質(zhì)性能和節(jié)能效果，不僅是結(jié)冷膠的發(fā)酵產(chǎn)率從18g/L提高到22g/L，而且單批發(fā)酵過程的電耗節(jié)省20%，顯示出技術(shù)良好的應(yīng)用前景。由于這種新型的通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備在發(fā)酵領(lǐng)域具有普遍意義和寬廣應(yīng)用范圍，對于通風(fēng)發(fā)酵領(lǐng)域的產(chǎn)品都有參考意義，所建立的設(shè)計和制造方法對于大型發(fā)酵罐的放大方法具有重要的現(xiàn)實參考意義。

采用以CFD數(shù)值模擬為主結(jié)合實驗測量驗證的方法研究了三層組合槳對黃原膠溶液的氣液分散及混合的效果。根據(jù)發(fā)酵罐下部通氣的特點，底層攪拌槳選擇徑向流攪拌槳，中層和上層槳設(shè)置了軸向流攪拌槳。具體槳型選擇為徑向流槳為SPT槳，軸向流槳為四葉旋槳式攪拌器（KSX）。

四、結(jié)束語

生化工程課程具有知識點多，學(xué)科交叉性和應(yīng)用性強的特點。課程項目在實施過程中，教學(xué)團隊?wèi)?yīng)該結(jié)合最新科研轉(zhuǎn)化成果，提煉生化工程的典型案例，將生化工程的理論學(xué)習(xí)與工程學(xué)習(xí)緊密結(jié)合起來。新增案例庫、例題庫等，以典型發(fā)酵工程案例為引子，結(jié)合生化工程的理論知識，注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和科學(xué)的思維方法。注重在課堂上引入最新科研成果，對開拓學(xué)生視野、了解生化工程領(lǐng)域最新科學(xué)前沿技術(shù)的發(fā)展具有重要作用。

參考文獻：

[1]史仲平，潘豐.發(fā)酵過程解析、控制與檢測技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

篇6

Abstract： Choosing turbulence model is very important problem in aerodynamic simulation for missile. This paper contrasts and analyzes the effect of turbulence model to precison of simulation about shape of one type of missle by simulating with same other conditions. It is found that using k-ε turbulence model with compressibility modifications can get better precise aerodynamic parameters with same other conditions.

關(guān)鍵詞： 湍流模型；導(dǎo)彈；仿真

Key words： turbulence model；missile；simulation

中圖分類號：TJ760 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）19-0324-03

0 引言

隨著計算機仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用和計算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，在導(dǎo)彈的設(shè)計和研制過程中，氣動參數(shù)的獲取越來越多地依靠費效比更高的氣動仿真而非完全的實物試驗。在氣動仿真過程中，仿真精度是最受關(guān)注的問題，對湍流模型的選擇對精度有重要影響。目前在大多數(shù)使用數(shù)值仿真方法對導(dǎo)彈氣動特性的研究中，都是通過求解N-S方程來進行的，采用的湍流模型不盡相同。各種湍流模型在推導(dǎo)過程中都針對不同流體和工況進行了一定程度的假設(shè)和近似，不存在通用的湍流模型。為了研究湍流模型對某型導(dǎo)彈氣動仿真的影響，將常見的幾種湍流模型運用仿真過程中，將數(shù)值仿真所得氣動參數(shù)與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行對比，確定適用于該型帶導(dǎo)彈氣動仿真的湍流模型。

1 仿真幾何模型

該型導(dǎo)彈為典型的“+-+”布局，外形為鈍頭圓柱形，有4片彈翼和4片尾舵，如圖1所示。底部原本存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)凹（發(fā)動機噴管和燃?xì)舛妫┙Y(jié)構(gòu)，根據(jù)以往實踐經(jīng)驗，認(rèn)為底部內(nèi)凹結(jié)構(gòu)對通過仿真獲取氣動參數(shù)影響很小，為簡單起見，在構(gòu)建幾何模型時，將尾部處理為平面。

2 網(wǎng)格劃分

該型導(dǎo)彈的仿真區(qū)域和外表面的網(wǎng)格劃分如圖2所示。在確定仿真區(qū)域時，為了能夠充分模擬導(dǎo)彈的外流場，減小邊界條件引入的誤差，選取的徑向尺寸至少為彈徑的10倍[1]。該型導(dǎo)彈的彈徑為127mm，據(jù)此設(shè)定仿真區(qū)域大小為4460mm×2890mm×2890mm。在彈體表面采用壁面函數(shù)法對流場進行計算，并在壁面處對網(wǎng)格進行局部加密。利用GAMBIT軟件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為2132244個。邊界條件設(shè)定為：進口處給定靜溫和流體速度，出口處采用無回流邊界，彈體壁面采用無滑移壁面邊界，其他邊界采用無反射邊界。

3 控制方程

該型導(dǎo)彈的的飛行速度為高亞聲速段，空氣的可壓縮性不可忽略。通常需要對控制流體流動的Navier-Stokes方程進行Favre平均，忽略掉高階小量，可以得到平均量的控制方程為[7]：

■（■）+■=（■■■）=0，■=-■+■（■■-？籽■）+■g■，■=■+■（-■■）+■。（1）

式中：u■■為流體流動速度的Favre平均脈動值；■■為分子粘性應(yīng)力張量的雷諾平均值；g■為體積力；■■是分子擴散引起的比焓通量向量的雷諾平均值；h■為流體比焓的Favre平均脈動值；S■為因可壓縮性、粘性耗散和輻射等引起的比焓源項。

4 常用湍流模型

（1）標(biāo)準(zhǔn)k-？著湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-？著湍流模型是在k-？著湍流模型[2]基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其表達式如下：

■=Pk-■？著+■[（？滋+■）■]

■=■[（？滋+■）■]-C？著1■Pk-C？著2■■

Pk=-■■，？滋t=C？滋■■

模型參數(shù)的取值如下：

C？滋=0.09 C？著1=1.44 C？著2=1.92 ？滓k=1 ？滓？著=1.3

（2）RNGk-？著湍流模型

該模型把湍流當(dāng)作受隨機力驅(qū)動的輸運過程，運用頻譜分析的方法消去小尺度渦，將其影響歸并到渦粘性中，從而可以得到所需尺度上的輸運過程。k和？著的控制方程分別為[3]：

■=pk-■？著+■[（？滋+■）■]

■=■[（？滋+■）■]+■（C■■Pk-C2■？著）

Pk=-■■，？滋t=C？滋■■

模型參數(shù)為：C？滋=0.0845 C1=1.42 C2=1.69 ？滓k=1

？滓？著=1.3 ？濁0=4.377 ？茁=0.012

（3）帶廣義可壓縮修正的k-？著湍流模型

在文獻[4]中，韓省思等考慮了膨脹可壓縮性效應(yīng)和結(jié)構(gòu)可壓縮性效應(yīng)，導(dǎo)出了一種新的可壓縮修正k-ε湍流模型。該模型在研究超聲速橫側(cè)射流現(xiàn)象時取得了很好的修正效果。該湍流模型的表達式為：

■=-■■-■？著+■[（？滋+■）■]+■

■（■？著s）+■（■■■？著s）

=C？著1■（-■■）-C？著2■■+■[（？滋+■）■]

■=？琢3（■■）M■■+？琢4■？著sM■■

？著d=？琢1？著sM■■

？滋t=min（C？滋■■，■■■）

C？滋=0.09exp（？琢5Mg）

模型參數(shù)為：？琢1=0.2，？琢3=0.16，？琢4=0.08，？琢5=-0.8

式中：Mt代表湍流馬赫數(shù)，Mg是梯度馬赫數(shù)，S代表應(yīng)變率張量，湍動能耗散率可以寫成無散度部分和速度散度不為零引起的可壓縮部分，即■？著=■？著s+■？著d。

（4）標(biāo)準(zhǔn)k-？棕湍流模型

為了模擬逆壓梯度下的邊界層分離，發(fā)展出了標(biāo)準(zhǔn)k-？棕湍流模型，該模型在低雷諾數(shù)流動中能很好得模擬近壁面的邊界層和自由剪切等流動問題。其控制方程表達式為：

■=pk-？茁*k■？棕+■[（？滋+■）■]

■=■[（？滋+■）■]+？琢■Pk-？茁■？棕2

Pk=-■■，？滋t=■■

模型參數(shù)為：

？滓k=2.0 ？滓？棕=2.0 ？琢=0.553 ？茁=0.075 ？茁*=0.09

（5）SSTk-？棕湍流模型

SSTk-？棕湍流模型考慮湍流剪切力的傳播，通過限制湍流粘性系數(shù)提高了該模型在研究近壁自由流中的精度和可信度。該模型在壁面附近采用k-？棕模型，在遠(yuǎn)區(qū)采用k-？棕模型。其控制方程表達式為[5]：

■=pk-？茁*■k？棕+■[（？滋+■）■]

■=■[（？滋+■）■]+？酌2（2■Sij·Sij-■？棕■■？啄ij）-？茁2■？棕2+2■■■

？滋t=■，

S=■

Pk=min（10？茁*■k？棕，2？滋tSij·Sij-■■k■？啄ij）

式中：a1是常數(shù)，F(xiàn)2是混合函數(shù)。

模型參數(shù)為：

？滓k=1.0 ？滓？棕1=2.0 ？滓？棕2=1.17

？酌2=0.44 ？茁2=0.083 ？茁*=0.09

（6）Spalart-Allmaras湍流模型

Spalart-Allmaras湍流模型主要包含了一個運動粘度系數(shù)的輸運方程，模型中用代數(shù)表達式ky定義了一個長度尺度，并發(fā)展了一種計算外流場氣動特性的簡便算法。模型中定義的運動粘度系數(shù)■與動力粘度系數(shù)？滋t的關(guān)系為：？滋t=■■fv1，其中fv1=fv1（■/v）是壁面阻尼函數(shù)，在高雷諾數(shù)流動中■等于湍流運動粘度系數(shù)vt，在壁面處fv1趨向于零。運動粘度系數(shù)的輸運方程為[6]：

■=■{■[（？滋+■■）]■+Cb2■■■}+Cb1■■■-C？棕1■（■）2f？棕

■=？贅+■fv2

？贅=■

？贅ij=■（■-■）

式中：fv2（■/v）和f？棕=f？棕（■/（■？資2y2））均是壁面阻尼函數(shù)。模型參數(shù)為：

？滓v=2/3 ？資=0.4187 Cb1=0.1355 Cb2=0.622

C？棕1=Cb1+？資2■

5 數(shù)值仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比

利用linux操作系統(tǒng)下的開源OpenFOAM軟件，分別對馬赫數(shù)為0.4和0.8，攻角為0°和20°時的導(dǎo)彈氣動特性進行仿真。

表1-4中分別列出了馬赫數(shù)為0.4、0.6和0.8，攻角為0°和20°時，分別采用6種湍流模型（模型參數(shù)均設(shè)為默認(rèn)值）仿真得到的氣動參數(shù)與風(fēng)洞試驗結(jié)果的對比情況。Cx、Cy、Mz分別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)；誤差=|（仿真值-試驗值）/試驗值|×100%。模型1-6分別代表前述6種模型。

在攻角為0度時，理論上不產(chǎn)生升力和俯仰力矩，但0度攻角下升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)的仿真結(jié)果有的不為0，這是由于數(shù)據(jù)迭代誤差所致；風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)不為0是由于模型加工和安裝誤差導(dǎo)致的不對稱性引起的。0度攻角下的這兩種數(shù)據(jù)均無意義，所以不對其加以對比。

6 結(jié)論

從以上數(shù)據(jù)對比可以看出，采用帶可壓縮性修正的湍流模型（即模型3）仿真得到的氣動參數(shù)誤差最小，均在10%左右或以內(nèi)，采用其它模型的誤差則相對較大。需要說明的是，以上數(shù)據(jù)為各模型中系數(shù)采用默認(rèn)值的結(jié)果，如果根據(jù)結(jié)果對各模型中的系數(shù)進行修改，也可以得到滿足精度要求的參數(shù)，但是這需要耗費較多的人力和時間，而且修改后的系數(shù)也不具有擴展性。以上對比結(jié)果說明，在各湍流模型中的系數(shù)采用默認(rèn)值這一條件下，帶可壓縮修正的k-？著湍流模型在仿真計算類似外形的彈箭的氣動參數(shù)時，能夠起到提高仿真精度的作用。

參考文獻：

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[2]趙學(xué)端，廖其奠.粘性流體力學(xué)[M].機械工業(yè)出版社，1992：168-170.

[3]H K Versteeg， W Malalasekera. An Introduction to Computational Fluid Dynamics[M].世界圖書出版公司， 2007：87-88.

[4]韓省思，葉桃紅，朱旻明，等.一個新的可壓縮性修正的k-ε模型[J].空氣動力學(xué)報，2009，27（6）：677-682.

[5]張強.兩方程湍流模型的應(yīng)用研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)， 2004.

篇7

關(guān)鍵詞：過程裝備控制工程；過程原理與設(shè)備；教學(xué)內(nèi)容

作者簡介：蘇文獻（1967-），男，山東棲霞人，上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，副教授；孫麗（1982-），女，山東海陽人，上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，講師。（上海 200093）

基金項目：本文系上海市教委重點課程建設(shè)項目（項目編號：1K12301002）、上海理工大學(xué)核心課程建設(shè)項目（項目編號：5811301003）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）25-0120-02

過程裝備與控制工程專業(yè)的前身是化工設(shè)備與機械專業(yè)（簡稱“化機”），1998年根據(jù)發(fā)展需要，教育部對普通高等學(xué)校大學(xué)本科專業(yè)目錄進行了調(diào)整，將化工設(shè)備與機械（本科）專業(yè)更名為過程裝備與控制工程專業(yè)。該專業(yè)主要研究石油、化工、煉油、輕工、核能與電力、冶金、環(huán)境、食品及制藥等過程工業(yè)中處理流體和類流體必需的裝備、技術(shù)與控制等。屬于融機械、化工和控制等多工程學(xué)科領(lǐng)域于一體的復(fù)合交叉型學(xué)科。

過程裝備與控制工程本科專業(yè)相對應(yīng)的研究生教育的學(xué)科名稱為化工過程機械，屬于動力工程及工程熱物理一級學(xué)科下的二級學(xué)科。

動力工程及工程熱物理學(xué)科主要研究能量以熱和功及其他相關(guān)的形式在轉(zhuǎn)化、傳遞過程中的基本規(guī)律，以及按此規(guī)律有效地實現(xiàn)這些過程的裝備及系統(tǒng)所涉及的應(yīng)用科學(xué)及應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)；主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國防領(lǐng)域，與人類生活、生產(chǎn)密切相關(guān)；同時又幾乎與所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域密切有關(guān)，可以推動人類更好地利用能源與現(xiàn)代動力技術(shù)的發(fā)展。

上海理工大學(xué)（以下簡稱“我?！保┻^程裝備與控制工程專業(yè)依托于我校動力工程與工程熱物理一級學(xué)科，該學(xué)科具有博士后流動站，并在1997年第一批被批準(zhǔn)為我國具有一級學(xué)科博士學(xué)位授予權(quán)單位；所屬二級學(xué)科化工機械方向在70年代就已具有培養(yǎng)碩士和博士的能力。

在這樣的背景下，我校能源與動力工程學(xué)院不斷修改和豐富本科生培養(yǎng)計劃和培養(yǎng)方案，開設(shè)了“過程原理與設(shè)備”課程，作為過程裝備與控制工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。經(jīng)過多年的教學(xué)改革和不斷探索，在教學(xué)方法、授課內(nèi)容設(shè)計和提高學(xué)生創(chuàng)新能力方面取得了一定成果。

一、專業(yè)概況和課程定位

化工設(shè)備與機械專業(yè)更名為“過程裝備與控制工程”專業(yè)后，其內(nèi)涵和外延都有了根本變化。更名后的專業(yè)，從單純的機械學(xué)科轉(zhuǎn)向機械與控制交叉學(xué)科。雖然它自己仍然屬于機械大學(xué)科，但它和通用機械有區(qū)別，與原來的行業(yè)范圍局限于化工不同，新行業(yè)可以廣泛服務(wù)于機械、電子、化工等相關(guān)過程工業(yè)；同時，新行業(yè)的發(fā)展也和機械電子、控制工程、化工機械、動力機械等密切相關(guān)。過程工業(yè)，通常來說，是利用化學(xué)和物理方法改變物料物化性能，用以生產(chǎn)新產(chǎn)品的加工工業(yè)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等眾多相關(guān)行業(yè)部門。過程裝備與控制工程專業(yè)主要涉及的對象是與流程有關(guān)的物料，從原材料到成品或者半成品過程中需要經(jīng)過一系列化學(xué)或者物理變化。因此，整個過程需要有數(shù)量不同、功能各異的單元操作并聯(lián)或者串聯(lián)組成，而每一個單元操作均需要一個能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的設(shè)備或者機器來完成。每個單元操作對應(yīng)的設(shè)備稱為單元設(shè)備，而這些單元設(shè)備需要用一系列的部件如閥門、管道、三通等連在一起構(gòu)成過程裝備。在過程工業(yè)中，通常需要確保各個單元設(shè)備以及整個裝備能夠安全穩(wěn)定地運行，因此需要對各個流程中的物料的各種相關(guān)參數(shù)進行嚴(yán)格控制，如壓力、速率、溫度、濃度等。

過程裝備與控制工程專業(yè)是以過程裝備的設(shè)計、制造、運行、維護、管理為主體，過程工業(yè)原理與裝備控制技術(shù)應(yīng)用為兩翼的多學(xué)科交叉型專業(yè)。通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生將具有較強的機械基礎(chǔ)、過程裝備、力學(xué)基礎(chǔ)、控制工程、計算機應(yīng)用等基礎(chǔ)理論知識，具有較好的工程技術(shù)基本素質(zhì)和綜合解決工程問題的能力。其培養(yǎng)目標(biāo)是具備過程裝備設(shè)計制造及其控制理論，并具備研究開發(fā)、設(shè)計制造、運行控制、維護管理等綜合能力的高級科學(xué)研究和技術(shù)人才。

我校以科研教學(xué)型為辦學(xué)定位?！斑^程原理與設(shè)備”課程是過程裝備與控制工程專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，是過程裝備與控制工程專業(yè)的核心課程，也是上海市教委重點建設(shè)課程。該課程既講原理又講設(shè)備，涉及知識全面；由理論到應(yīng)用，教學(xué)邏輯明確。對激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的應(yīng)用能力有很大幫助。同時作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)質(zhì)量的好壞也直接影響其他專業(yè)課程的教學(xué)工作。因此，做好“過程原理與設(shè)備”課程建設(shè)對提高本科教學(xué)質(zhì)量，促進學(xué)生全面發(fā)展具有一定積極作用。

二、授課內(nèi)容設(shè)計

過程工業(yè)，一般來說，都與熱量傳遞、能量傳遞及質(zhì)量傳遞有關(guān)。過程工業(yè)中涉及的所有的機器（動設(shè)備）和（靜）設(shè)備，均屬于過程裝備。過程裝備可以分為以下幾大類：

1.流體動力過程及設(shè)備

滿足流體力學(xué)等相關(guān)規(guī)律的過程及設(shè)備。如液體的輸送與氣體的增壓，氣液非均相混合物的分離、液體的攪拌等。所用的設(shè)備有泵、鼓風(fēng)機、離心機、壓氣機、管道、沉降室等。

2.傳熱過程及設(shè)備

滿足熱量傳遞等相關(guān)規(guī)律的過程及設(shè)備。如冷卻、蒸發(fā)等。所用的設(shè)備有冷凝器、蒸發(fā)器、鍋爐等。

3.傳質(zhì)過程及設(shè)備

滿足質(zhì)量傳遞等相關(guān)規(guī)律的過程及設(shè)備。如干燥、分餾、吸附、吸收、結(jié)晶等。所用的設(shè)備有：干燥器、萃取塔、結(jié)晶器等。

4.機械過程及設(shè)備

滿足固體力學(xué)等相關(guān)規(guī)律的過程及設(shè)備。如固體的粉碎、篩分、輸送、給料等。常見的設(shè)備有粉碎機、振動篩、輸送設(shè)備、給料器等。

5.化學(xué)過程及設(shè)備

滿足化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)規(guī)律的過程及設(shè)備。如還原、氧化、加氫、水解、加聚等。常見的設(shè)備有攪拌反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器以及流化床反應(yīng)器等。

“工程熱力學(xué)”、“工程流體力學(xué)”、“傳熱學(xué)”為我校過程裝備與控制工程專業(yè)在能源與動力工程學(xué)院的三大基礎(chǔ)課程?！斑^程原理與設(shè)備”是過程裝備與控制工程專業(yè)的主修課程，其授課內(nèi)容大體與化工原理相近。由于傳熱、傳動量兩部分內(nèi)容已由其他老師在“傳熱學(xué)”、“過程流體機械”中主講，故在本課程中授課內(nèi)容以傳質(zhì)為主，傳熱、傳動量為輔。課程講述質(zhì)量傳遞原理、換熱、蒸發(fā)傳熱單元操作及吸收、精餾、萃取、吸附、結(jié)晶、膜分離等傳質(zhì)單元操作；熱量、質(zhì)量同時傳遞過程的特點及增減濕和干燥操作。具體內(nèi)容包括：

分離過程與傳遞現(xiàn)象，介紹混合物組成，基本操作方法和常用設(shè)備，傳質(zhì)分離的動力學(xué)方程；吸收基本原理，氣液相平衡、傳質(zhì)機理與傳質(zhì)速率、低濃度氣體的吸收與計算，高濃度氣體吸收、多組分吸收、化學(xué)吸收和解吸，吸收塔的結(jié)構(gòu)和設(shè)計；蒸餾基本原理，雙組分溶液的氣液相平衡、簡單蒸餾、平衡蒸餾和精餾及其雙組分連續(xù)精餾的計算和分析，間歇精餾和特殊精餾、多組分精餾，蒸餾塔的結(jié)構(gòu)和設(shè)計；氣液傳質(zhì)設(shè)備的工藝設(shè)計；液液平衡關(guān)系、部分互溶物系的萃取計算、完全不互溶物系的萃取計算及溶劑的選擇，其他萃取方法及萃取設(shè)備；濕空氣的性質(zhì)及濕度圖、干燥過程的物料衡算和熱量衡算、干燥速率和干燥時間，干燥器的類型、性能、結(jié)構(gòu)；蒸發(fā)原理、設(shè)備及計算熱量傳遞基礎(chǔ)，單效蒸發(fā)和真空蒸發(fā)的概念和計算，單效蒸發(fā)和提高加熱蒸汽經(jīng)濟性的其他措施及其蒸發(fā)設(shè)備；顆粒與顆粒層的特性、流體與顆粒間的相對運動及其流體通過顆粒床層的流動、重力沉降和過濾計算，了解氣體凈化的其他廣泛應(yīng)用和設(shè)備；膜分離傳質(zhì)單元操作的基本原理。

目前我校過程裝備與控制工程專業(yè)所用教材是陳敏恒等編著的《化工原理》（上、下）第三版（化學(xué)工業(yè)出版社）。所用參考教材有：蔣維鈞等編著的《化工原理》（上、下）（清華大學(xué)出版社），何洪潮等編著的《化工原理》（科學(xué)出版社），張斌編著的《過程原理與設(shè)備》（東北大學(xué)出版社）等。

在多年的教學(xué)過程中，我校能源與動力工程學(xué)院不斷探索教學(xué)內(nèi)容和方法。在總學(xué)時數(shù)受限定的情況下，結(jié)合實際情況，合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，既壓縮了課時，又避免了該課程與學(xué)院基礎(chǔ)課程內(nèi)容上的重復(fù)；在與其他課程的配置上，將該課程與“專業(yè)實驗”課程的進度合理搭配，用實驗設(shè)備模擬真實設(shè)備，邊學(xué)邊練，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生動手實踐能力；在改革教學(xué)內(nèi)容和方法的同時，還注意將現(xiàn)代化教學(xué)手段引入課堂，利用計算機教學(xué)軟件進行輔助教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

三、結(jié)論

“過程原理與設(shè)備”課程是過程裝備與控制工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其內(nèi)容涵蓋廣、實踐應(yīng)用性強。經(jīng)過多年的教學(xué)改革和探索，我校走出了一條內(nèi)容設(shè)計合理、教學(xué)方法多樣、注重實踐和創(chuàng)新的特色之路。過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生連續(xù)多年的高就業(yè)率和來自企業(yè)的積極反饋，體現(xiàn)了我校“過程原理與設(shè)備”教學(xué)的良好效果。

參考文獻：

[1]陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理（上、下）[M].第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]蔣維鈞，戴猷元，顧惠君.化工原理（上、下）[M].第三版.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

篇8

關(guān)鍵詞 土木工程 自然科學(xué) 工程師 現(xiàn)狀及未來

現(xiàn)代的土木工程已經(jīng)是一門多學(xué)科交叉的綜合，相關(guān)的自然科學(xué)和社會科學(xué)學(xué)科的進步都會對土木工程的發(fā)展產(chǎn)生影響。作為土木工程理論的一個支柱，力學(xué)在19-20世紀(jì)取得了巨大的發(fā)展。由于實際需要的推動，力學(xué)發(fā)展出許多小的門類，如彈性力學(xué)，損傷力學(xué)等，都服務(wù)于土木工程?，F(xiàn)在的理論力學(xué)已經(jīng)達到了一個相當(dāng)成熟的境界。數(shù)學(xué)工具和計算機技術(shù)的發(fā)展也使得一些以前無法分析的問題可以為工程師們所掌握。本時間初，隨著邊界層理論的發(fā)展，流體力學(xué)逐漸發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了湍流理論。固體力學(xué)也有很大的發(fā)展，對土木工程有直接作用的斷裂力學(xué)的發(fā)生使得工程師們可以比較可靠的估計建筑物的強度和可靠性。這一發(fā)展改變了設(shè)計的觀念。大大推動了結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展。預(yù)應(yīng)力理論的提出標(biāo)志著力學(xué)理論進入了一個新時期。另一方面，有限元分析等新的數(shù)學(xué)分析方法在計算機技術(shù)的支持下迅速發(fā)展，拓寬了工程師的研究對象，使得工程師們能夠把握更加復(fù)雜的系統(tǒng)。數(shù)學(xué)工具的發(fā)展不但作用在結(jié)構(gòu)分析計算上，也體現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中。概率與數(shù)例統(tǒng)計的應(yīng)用完善了各種結(jié)構(gòu)物的計算。材料科學(xué)的發(fā)展為土木工程帶來了廣闊的發(fā)展空間，新的工程材料，如碳纖維，高強度混凝土，高分子復(fù)合材料等加入到土木工程的應(yīng)用中來，為工程師提供了更多的選擇。

在不同的專業(yè)方向上，隨著超高層建筑的發(fā)展，結(jié)構(gòu)理論也不斷發(fā)展，從框架到剪力墻再到筒式體系，越來越成熟。在橋梁工程方面，從比較原始的板梁橋，拱橋發(fā)展到現(xiàn)代常用的斜拉橋，懸索橋。發(fā)展不但體現(xiàn)在形式上，而且也體現(xiàn)內(nèi)涵上。多種技術(shù)的交叉運用突破了單純的橋梁結(jié)構(gòu)的種類劃分。并且出現(xiàn)了一些獨特的斜橋和曲線橋。 電腦在土木工程設(shè)計上的重要性，已不再需要辯論。利用電腦繪制各類平面、立面、剖面、細(xì)部等二度空間圖集已成為全球事務(wù)所的標(biāo)準(zhǔn)方法。CAD技術(shù)使得工程師從煩瑣的繪圖作業(yè)中解放出來，大大提高了效率。CAD最重要的一個功能是它的虛擬現(xiàn)實功能，可以直觀的反應(yīng)和模擬建筑的外觀，結(jié)構(gòu)，以及在不同外力作用下的效果。在國家大劇院的設(shè)計中，太原理工大學(xué)土木系結(jié)構(gòu)分析工作站，采用ANSYS軟件成功地對中國國家大劇院進行了結(jié)構(gòu)分析。驗證計算內(nèi)力、多種載荷組合工況下的變形、結(jié)構(gòu)抗震分析以及驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與可靠性。

和工業(yè)化大生產(chǎn)相適應(yīng)，土木工程也經(jīng)歷了一個標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化的過程。現(xiàn)在土木工程的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)達到了相當(dāng)?shù)母叨?，不僅僅完成了單位和術(shù)語的統(tǒng)一，也形成了一整個由行業(yè)規(guī)范和國家強制標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)體系。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范使得技術(shù)資料有更大的通用性，同時也保證工程設(shè)施的可靠性?，F(xiàn)代土木工程的建設(shè)，尤其是大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，牽涉到社會的各個方面。對社會產(chǎn)生巨大的影響，包括經(jīng)濟的，政治的，甚至思想觀點的影響。廣泛的社會協(xié)作是現(xiàn)代土木工程的一個重要特點。小到一個城市道路岔口的改造。大到三峽工程這樣的世紀(jì)工程，都體現(xiàn)了社會對土木的影響，有協(xié)助也有干預(yù)。從工程建設(shè)的規(guī)劃，立項，預(yù)算到建設(shè)過程，社會力量廣泛的參與其中。同時工程自身也會對社會影響產(chǎn)生回饋。工程對資金，材料，設(shè)備，人員的要求，工程對周圍環(huán)境的影響，工程建成后使用過程中的經(jīng)濟，環(huán)境等問題，都不僅限于土木工程技術(shù)本身。

在可以預(yù)見的將來，土木工程工程技術(shù)理論的核心部分仍然是力學(xué)，新的分析方法和新的數(shù)值處理方法將是土木工程中力學(xué)的突破方向。在對復(fù)雜結(jié)構(gòu)，流體介質(zhì)等情況下的受力分析和近似上，現(xiàn)有的方法仍然具有很大的局限性。更加專門化的數(shù)學(xué)在將來也應(yīng)該有很大的發(fā)展，用以處理土木工程技術(shù)中復(fù)雜的數(shù)值問題。更先進的電子計算機的應(yīng)用，使得對復(fù)雜的情況的模擬更有把握，更接近于現(xiàn)實。力學(xué)也會突破宏觀框架，向微觀發(fā)展，控制論，虛擬現(xiàn)實等技術(shù)也在力學(xué)中加深影響。

信息化的特點將更深的滲透到未來的土木工程中，重點是但又不僅僅限于CAD方面，也對工程進度的管理。運行中數(shù)據(jù)資料的收集，分析，整理。對建筑物結(jié)構(gòu)，強度，可靠性的分析和相應(yīng)對策的決策等。這些也是主動控制和智能化實現(xiàn)的基礎(chǔ)。全過程信息化對今后的土木建筑構(gòu)造物的維護有很大的意義。我國現(xiàn)在正是基本建設(shè)的。信息化也成為專家系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)。程序的解題能力不僅取決于它所采用的形式化體系和推理模式，而且取決于它所擁有的知識。要使一個程序具有智能，必須向它提供大量有關(guān)問題領(lǐng)域的高質(zhì)量的信息輸入。

篇9

關(guān)鍵詞： 普通高校 材料學(xué)專業(yè) 大學(xué)物理課程 教學(xué)改革

物理學(xué)是最基本的、包羅萬象的一門學(xué)科，它對整個科學(xué)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。物理是材料學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，材料學(xué)的發(fā)展離不開物理，最新的研究方向更是從偏重化學(xué)試驗轉(zhuǎn)向偏重物理分析。因為物理學(xué)在所有現(xiàn)象中起著基本的作用，許多領(lǐng)域的學(xué)生都要學(xué)習(xí)物理學(xué)。大學(xué)物理課程不僅可以提供物理學(xué)的基本內(nèi)容，而且可以訓(xùn)練學(xué)生的實驗、計算、邏輯思維等方面的能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。可由于課時限制，大部分學(xué)生無法在課堂上完成全部的大學(xué)物理內(nèi)容的學(xué)習(xí)，無法有效建立起比較完整的物理思想。因此，有必要對現(xiàn)有的課程體系和教學(xué)內(nèi)容作出調(diào)整、壓縮、補充，進一步提高普通高校的教育質(zhì)量。

1.普通高校大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)動力

當(dāng)今社會功利主義思想盛行，大部分學(xué)生在學(xué)學(xué)物理時，不能理解其重要性，認(rèn)為專業(yè)和以后的工作都與大學(xué)物理沒什么聯(lián)系，只為拿到學(xué)分勉強學(xué)習(xí)。上課不認(rèn)真、學(xué)習(xí)其他課程甚至逃課，課后抄襲作業(yè)甚至不寫作業(yè)，考試時作弊等現(xiàn)象比比皆是。

1.2教材更新速度慢

目前，大部分學(xué)校使用的教材都是沿用上個世紀(jì)的教材體系，只添加少許現(xiàn)代科技發(fā)展的簡介，缺乏足夠的吸引力，太多的內(nèi)容與現(xiàn)在日益減少的課時存在矛盾。

1.3對各學(xué)科內(nèi)容無差異

現(xiàn)在，絕大部分學(xué)校在安排大學(xué)物理課程時，都是由物理系統(tǒng)一安排，對各專業(yè)、學(xué)科不加區(qū)分，讓學(xué)生無法體會本門課程與自身專業(yè)的聯(lián)系，從而無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［1］。

2.普通高校材料學(xué)專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)改革的探索

2.1普通高校材料學(xué)專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)改革的主要依據(jù)

材料學(xué)的發(fā)展離不開物理。材料學(xué)離開物理就會走入歧途，物理學(xué)不僅對現(xiàn)有材料學(xué)問題有著指導(dǎo)性作用，而且能影響材料學(xué)朝著夢想不到的方向前進。

相對而言，材料學(xué)學(xué)習(xí)更加枯燥、深奧，缺少趣味性，強調(diào)的是抽象思維和實踐結(jié)果；而物理則形象、系統(tǒng)得許多。大學(xué)物理解決的問題相比中學(xué)時所學(xué)的更實際，大部分是為解決日常生活中常見的現(xiàn)象、問題。少了對數(shù)學(xué)公式的嚴(yán)密證明，主要是要了解公式的物理意義及其實用性，因而更有趣味性，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

現(xiàn)在大部分物理老師把物理當(dāng)數(shù)學(xué)來講，將物理本身的趣味性全部丟棄，而著重于物理規(guī)律內(nèi)在的聯(lián)系和整個物理體系的嚴(yán)密性，無法充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，達不到好的教學(xué)效果。材料學(xué)專業(yè)的同學(xué)相對其他專業(yè)的學(xué)生，要求對物理學(xué)工具掌握得更好，并有一定的邏輯推理能力，所以講課時可以更注重對物理現(xiàn)象的描述、分析，并由此建立方程的物理過程的講解，而對具體解題過程弱化處理，幫助學(xué)生建立一定的物理思想，能用物理學(xué)工具解決材料學(xué)問題。

2.2普通高校大學(xué)物理教學(xué)改革的具體建議

我結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗，建議針對材料學(xué)專業(yè)學(xué)生將大學(xué)物理課程內(nèi)容做如下補充和調(diào)整。

2.2.1數(shù)學(xué)篇。

在課程開始前，要補充相關(guān)數(shù)學(xué)知識。材料學(xué)專業(yè)的學(xué)生，一般大學(xué)物理開得早，高等數(shù)學(xué)還沒有學(xué)完整，而大學(xué)物理課程是建筑在高等材料學(xué)基礎(chǔ)上的，在物理課前補充說明相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識是很有必要的。否則學(xué)生們在理解問題的物理過程時，會因為數(shù)學(xué)知識不足而不能理解整個解題過程，教學(xué)效果也會很不理想。

這部分知識主要是重建微元概念及矢量模式。與純數(shù)學(xué)不同，物理中的數(shù)學(xué)公式、變量更強調(diào)物理意義，一些量可以存在于數(shù)學(xué)中，卻因為沒有物理意義，必須在物理問題中舍去。最簡單常見的就是物理中一般是不存在負(fù)數(shù)時間的，但數(shù)學(xué)中卻允許它存在，在介紹微元概念時要區(qū)別于數(shù)學(xué)中的概念，強調(diào)它們的物理意義。在建立方程時更要關(guān)注是否有物理意義，方程兩邊量綱是否一致，等等。

另一個要重建的就是矢量概念，數(shù)學(xué)中矢量重點在于代數(shù)結(jié)果，忽略了方向問題。物理課前要重點強調(diào)矢量運算時結(jié)果的方向變化。

2.2.2力學(xué)、狹義相對論篇。

力學(xué)部分知識是經(jīng)典物理的基礎(chǔ)，也是同學(xué)們在高中階段有所了解的部分，但大學(xué)物理增加了知識容量，可以解決一些更加實際的問題。這部分知識的重點在于物理概念的由來、原始定義、使用范圍。利用物理規(guī)律，大部分現(xiàn)實問題可以通過建立合適的數(shù)學(xué)模型得以解決。對材料學(xué)專業(yè)的同學(xué)，更多練習(xí)要利用原始概念通過微積分計算物理量，而對各種守恒規(guī)律簡化計算的練習(xí)可適量減少。

除了傳統(tǒng)的內(nèi)容外，對材料學(xué)專業(yè)的同學(xué)可以適量補充流體力學(xué)、材料力學(xué)的內(nèi)容，讓同學(xué)們熟悉矩陣運算的方法。

而狹義相對論與材料學(xué)關(guān)系不大且難以理解，可略去不講。

2.2.3光學(xué)篇。

通用教材中力學(xué)部分大都包括振動、波動內(nèi)容，介紹完這部分可以直接講解光學(xué)內(nèi)容。因為力學(xué)部分補充了大量內(nèi)容，按一般習(xí)慣講解熱學(xué)部分或是電磁學(xué)部分，課時不夠，講解不充分，效果也不好。尤其對材料學(xué)專業(yè)學(xué)生，熱學(xué)部分是需要重點介紹的，涉及概率統(tǒng)計的內(nèi)容，如果放在第一學(xué)期是講不完的，到第二學(xué)期再接著講學(xué)生大都忘得差不多了，所以不如先講解光學(xué)部分，可以完整講完，這樣有助于學(xué)生建立比較完整的概念體系。

此外，在波動部分大部分教材都沒有涉及波速的問題，而材料力學(xué)牽涉到波速的問題，所以應(yīng)該對波速只取決于介質(zhì)本身性質(zhì)，而與其傳遞的振動無關(guān)做一個簡單的推導(dǎo)。

對材料學(xué)專業(yè)的學(xué)生，光學(xué)部分應(yīng)著重介紹光譜分析與應(yīng)用方面，并對最新的材料檢驗手段及其基本原理稍做介紹。

第一學(xué)期包括上述三個部分的內(nèi)容，重點在于讓學(xué)生們理解物理定義，掌握各定義、定理、定律之間的邏輯關(guān)系，了解抽象的材料學(xué)公式中蘊含的物理意義，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力，能對實際問題提出其中包含的物理過程并尋找物理解釋。

2.2.4熱學(xué)篇。

幫助學(xué)生理解概率統(tǒng)計在科學(xué)研究領(lǐng)域的作用。在微觀領(lǐng)域，由于參與的粒子量巨大，已經(jīng)無法利用分析單個粒子的物理性質(zhì)再外推到整個系統(tǒng)的傳統(tǒng)做法，必須用到統(tǒng)計概念，理解大量的偶然性中蘊含的必然性，看到完全無規(guī)則的微觀粒子卻在系統(tǒng)的宏觀層面顯示出了穩(wěn)恒的現(xiàn)象特征。

在介紹熱力學(xué)第一定律時補充焓的概念，介紹熱力學(xué)第二定律時補充熵的概念，因為熵與焓都是材料學(xué)中常用的表征材料特性的物理量。

2.2.5電磁學(xué)篇。

電磁學(xué)體系相對完整、嚴(yán)密，可在數(shù)學(xué)上完成推導(dǎo)并嚴(yán)格證明。講解時要避免上成數(shù)學(xué)課，必須強調(diào)物理概念、過程、思想。同時要說明所有的規(guī)律不僅是推導(dǎo)出來的，而且是經(jīng)過實驗證實的，要簡要介紹對應(yīng)的實驗方法、儀器、結(jié)論，并要看到數(shù)學(xué)工具對物理學(xué)發(fā)展的積極作用――有時可以預(yù)測還沒被發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象、規(guī)律，可以應(yīng)用到以后的材料學(xué)研究中。但這部分內(nèi)容整體上與材料學(xué)關(guān)系不太密切，可以略講，留出時間講解量子力學(xué)部分。

2.2.6量子力學(xué)篇。

這兩部分內(nèi)容相對材料學(xué)專業(yè)學(xué)生關(guān)系重大，且內(nèi)容復(fù)雜，如時間不夠，可僅介紹其基本思想、理論、方法，以及具體應(yīng)用；如果時間充裕，最好可以系統(tǒng)、詳盡地介紹量子力學(xué)及原子物理初步的知識，引入一部分固體物理的內(nèi)容，著重介紹分析問題的方法、步驟，對材料專業(yè)的學(xué)生更有幫助。

普通高校的學(xué)生學(xué)學(xué)物理的主動性一般，大部分學(xué)生還是沿用高中時期的學(xué)習(xí)方式跟隨老師的課堂教學(xué)學(xué)習(xí)。大學(xué)物理課程內(nèi)容多，無法對學(xué)生一一詳細(xì)介紹。為保證一定的學(xué)習(xí)效果，必須對課本內(nèi)容有所取舍。因為什么都教的結(jié)果必然是學(xué)生什么都學(xué)不會，不如大膽取舍，讓學(xué)生對所教授的內(nèi)容有系統(tǒng)的、深入的了解。

參考文獻：

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關(guān)鍵詞：圖形實時繪制自然景物仿真

計算機圖形學(xué)(ComputerGraphics，簡稱CG)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機顯示器的柵格形式的科學(xué)。簡單地說，計算機圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。經(jīng)過30多年的發(fā)展，計算機圖形學(xué)已成為計算機科學(xué)中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。本文將介紹計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容、發(fā)展歷史，應(yīng)用和圖形學(xué)前沿的方向。

1計算機圖形學(xué)的發(fā)展簡史

1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院(MIT)旋風(fēng)號—(Whirlwind)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似示波的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有子管計算機，用機器語言編程，主要應(yīng)用于科學(xué)計算，為這些計算機置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計算機圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時期并稱之為：“被動式”圖形學(xué)。1963年，伊凡•蘇澤蘭在麻省理工學(xué)院發(fā)表了名為《畫板》的博士論文，它標(biāo)志著計算機圖形學(xué)的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計算機圖形學(xué)，計算機可以部分地表現(xiàn)人的右腦功能了，計算機圖形學(xué)的建立意義重大。

2計算機圖形學(xué)的應(yīng)用

2.1計算機輔助設(shè)計與制造

CAN/CAN是計算機圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛，最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)被用來進行土建工程，機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計，包括設(shè)計飛機、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形，然而更常用的是對所設(shè)計的系統(tǒng)，產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進行人—機交互設(shè)計和修改，經(jīng)過反復(fù)的選代設(shè)計，便可利用結(jié)果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。在電子工業(yè)中，計算機圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板，電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢十分明顯。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，已成為CAD領(lǐng)域最熱門的課題之一。現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計已不再是一個設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問題，而是綜合了產(chǎn)品各個相關(guān)領(lǐng)域，相關(guān)過程，相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程。

CAD領(lǐng)域另一個非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類，綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點、線、面及其拓?fù)潢P(guān)素，從而實現(xiàn)形體的重建。

2.2科學(xué)計算可視化

目前科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，流體力學(xué)，有限元分析，氣象分析當(dāng)中。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機械做腦部手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上很熱門的課題，而這些技術(shù)的實現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。當(dāng)我們做腦部手術(shù)時，可視化技術(shù)技術(shù)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確的判別病人的體內(nèi)患處，然后通過碰撞檢測一類的技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。我們利用了可視化技術(shù)。天氣氣象站將大量數(shù)據(jù)，通過可視化技術(shù)轉(zhuǎn)化成形象逼真的圖形后，經(jīng)過仔細(xì)的分析就可以清晰的預(yù)見幾天后的天氣情況。

2.3圖形實時繪制與自然景物仿真

重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制主要是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關(guān)系等等。在自然景物仿真這項技術(shù)中我們需要過行消除隱藏線及面、明暗效應(yīng)、顏色模型、紋理、光線跟蹤，輻射度等工作。這其中光照和表面屬性是最難摸擬的。而且還必須處理物體表面的明暗效應(yīng)，以便用不同的色彩灰度來增加圖形的真實感。自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制，科學(xué)計算等方面應(yīng)用范圍很廣。除了建造計算機可實現(xiàn)的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短的時間內(nèi)繪制出最真實的場景。

2.4計算機動畫

隨著計算機圖形和計算機硬件的不斷發(fā)展，計算機動畫應(yīng)運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對前一幅小部分修改，如何修改便是計算機動畫的研究內(nèi)容，這樣，當(dāng)這些連續(xù)播放時，整個場景就動起來。

早期的計算機動畫靈感來源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱作“關(guān)健幀”，連續(xù)播放時2個關(guān)健幀就被有機的結(jié)合起來了。計算機動畫內(nèi)容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。近年來人們普遍將注意力轉(zhuǎn)向基于物理模型的計算機動畫生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學(xué)和流體力學(xué)的方程進行計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律。然而要真正到達真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現(xiàn)很自然的人走路的畫面，計算機方程非常復(fù)雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內(nèi)容需要進一步研究。

2.5計算機藝術(shù)

用計算機從事藝術(shù)創(chuàng)作，計算機圖形學(xué)除了廣泛用于藝術(shù)品的制造，如各種圖案、花紋及傳統(tǒng)的油畫、中國國畫等。還成功的用來制造廣告、動畫片甚至電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎。這是電影界最高的殊榮。目前國內(nèi)外不少人士正在研制人體模擬系統(tǒng)，這使得在不久的將來把歷史上早已去世的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。這是一個傳統(tǒng)的藝術(shù)家無法實現(xiàn)也不可想象的。