流体力学的常用研究方法范文
时间：2023-12-21 17:20:42
导语：如何才能写好一篇流体力学的常用研究方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
关键词：流体力学；教学模式；改革
作者简介：杨卫波（1975-），男，湖北安陆人，扬州大学能源与动力工程学院，副教授；毛红亚（1976-），女，湖北天门人，扬州大学财务处，会计师。（江苏 扬州 225127）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0083-02
“流体力学”作为土木、机械、能源、动力、环境、化工等学科的一门主干技术基础课程，由于其理论性强、概念抽象、方程繁琐、难以理解与记忆，导致学生学习的难度较大，从而影响教学进程和专业人才培养的质量。因此，如何针对“流体力学”课程自身特点，结合专业建设目标，探索出一套新的适合各专业培养目标的流体力学教学模式具有非常重要的意义。本文结合工科院校学生的实际情况及笔者教学实践与体会，从教学内容、教学方法及考核方式三方面对流体力学教学模式改革进行了深入的探析。
一、教学内容
1.教学内容的选择
教学内容的选择对于提高教学质量、改善教学效果具有重要的意义。根据教育心理学理论，[1]在教学中应把课程中具有广泛迁移价值的科学成果作为教材的主要内容，从而可实现利用已有知识来同化现有知识的作用，提高学生的接受能力。“流体力学”作为大学工科专业的一门课程，虽然其内容相对比较陌生，但其所包含的基本知识却贯穿于中学相关课程之中。如流体力学中的速度、压力、压强、质量守恒方程、能量守恒方程及动量守恒方程等，学生均在中学物理中均学过，因此在讲述相关内容时可以将其与中学内容相联系，从而提高学生的理解能力。又如在讲述管路的串联与并联特性时，其流量、阻力及阻抗特性正好与中学物理中电学的串联与并联电路的电流、电阻特性一致，如果在讲述之前引出中学的电路串并联原理，则可大大加强学生对管路串并联水力特性的理解能力。因此，根据学习迁移理论，将相关内容与学生已有知识进行对接，并阐述其相互之间的关系，不仅可以有效发挥学生利用所学知识来同化现有知识的作用，而且对于改善教学效果具有积极作用。
2.教学内容的编排
要合理编排教学内容就必须使教材结构化、一体化，以使构成教材内容的各要素具有科学、合理的逻辑关系。目前，国内“流体力学”课程的教学体系一般包括流体静力学、流体动力学（理想流体流动与实际流体流动）、流动阻力损失、孔口管嘴管路流动及特殊流动现象等。每部分内容既独立，同时各部分之间又有相互的联系。为了使学生容易学习，可以按照流体力学实际应用路线由简单到复杂的方式来编排教学内容。如可以从最简单的流体静力学部分开始，因为静力学部分中学物理中已讲授，生活中很常见，学生容易接受。由于静止是相对的，运动才是绝对的，自然界流体应用中更多的是运动着的流体，让学生明白这个道理后很自然将教学内容过渡到流体动力学部分，从而可提高学生继续往下学习的兴趣。在讲述流体动力学部分时，先从简单的一元理想流体运动部分着手，然后逐步过渡到多元理想流体流动及实际流体运动。在讲到实际流体运动时，由于能量方程中出现了阻力损失项，这样就很自然将内容过渡到流动阻力损失计算这一部分内容。由于生活中的复杂管路往往是由简单管路串联与并联而构成，因此，复杂管路的水力特性（流量、阻力等）需要确定，这样就可以根据流体力学实际应用需要将内容由阻力损失部分转移到孔口管嘴管路流动部分。最后，根据各专业培养需要，选择适合的特殊流动现象内容进行讲解，以加强流体力学的实际工程应用。这种以流体力学实际应用路线由简单到复杂作为主线的教学内容选择模式，内容组织层次感较强，讲起来更加引人入胜和重点突出，教学过程相对简化。
3.教学内容的弹性化
教学内容弹性化有两个方面的含义：一方面要根据每届学生不同的知识背景和不同的定位要求，采用不同的表达方式，以满足学生多样化的学习需要。另一方面是要根据时代的发展，不断更新教学内容，以适应最新科技发展的需要。[2]例如在“流体力学”教学过程中，为了让学生更容易接受，可以删去大量的数学公式推导，如流体连续性方程、动量方程、能量方程的推导等，这些内容对于学生是否掌握流体力学基本知识并无影响。又如，对于不同的学生群体，应根据学生今后的定位不同选择适当的教学内容，对于高职高专的学生，由于其毕业后大多数要走出校门从事实际工作，因此，在讲述时应侧重于流体力学实际应用方面的知识。而对于普通本科院校的学生而言，毕业后有相当一部分的学生要继续从事相关的研究工作（如考研等）。因此，应加强学生流体力学理论方面的教学与培养，以提高学生将来的研究能力。随着时代的发展和计算机的普及，将计算机用于求解流体力学问题的计算流体力学已越来越显示出其重要的作用。所以，流体力学教学中，适当介绍当今常用的计算流体力学商业软件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以扩充学生的知识视野，为今后有意继续深造的学生提供铺垫。
4.教学内容与工程实际相结合
兴趣是最好的教师。教育心理学[1]的研究表明：当学习内容与学生已有的知识和生活实际相联系时，才能激发学生学习和解决问题的兴趣。因此，在流体力学教学过程中，应结合专业目标尽可能多地介绍流体力学广泛的工程应用背景，引导学生提高自主学习流体力学的兴趣和积极性。如在讲述流体静力学中液体作用在曲面的总压力计算时，可以介绍1998年特大洪水灾害长江决堤事件等；在讲到流体静力学中平面总压力计算时，可以适当引入长江三峡水坝闸门的设计与计算；在讲到沿程与局部阻力损失[3]时，可以讲述如何选择水泵，并以每天生活用水管道供水为例来分析等；在讲到动量方程应用时，引入如何确定弯管及分叉管路中水流对管道的冲击力，从而可计算出管道支墩所受的推力；在讲述毕托管时，可讲述如何测量风管的风量与风压，在讲述倾斜式微压计时，可与毕托管一起讲述如何利用两者来测量正压与负压风管段的动压、静压及全压等。任课教师在平时授课过程中，结合专业培养目标适当穿插讲述一些发生在我们身边的与流体力学有关的实例，使学生认识到流体力学在生活及工程中的重要性，激发其学习兴趣，以提高教学效果。
二、教学方法
目前课堂授课中常用的教学方法主要有传统教学模式与以多媒体技术为代表的现代教学模式。传统教学模式是指教师通过口授、板书完成特定教学内容的一种课堂教学形式，该模式学生容易接受，可以达到预期教学目标。但缺乏创新与探索知识的功能，尤其是在当今知识快速更新的年代，更是面临严峻的挑战。现代教学模式是指在课堂教学中引入多媒体技术，通过形象逼真的动画的运用，生动形象地展示教学内容，从而可以充分发挥学生学习的积极性，使教学方式形象生动，有利于培养学生的思维能力、想象能力和创造能力。
考虑到传统与现代教学模式各自的优缺点，在流体力学教学过程中应将两种教学方法有机结合起来。如在讲述相关理论公式时，就以传统的板书教学为主，对公式的推导和例题的讲解，用板书的方式条理化，通过板书一边写、一边对学生提问，一边推导相关公式，让学生参与到教学中，从而可以加强学生与教师间的互动，激发与调动学生的学习积极性。而在流体力学理论的工程应用部分则较多地采用多媒体课件，例如在讲授层流与紊流[3]这部分内容时，单纯地板书讲解其概念很抽象，用多媒体课件展示雷洛实验讲解则直观生动，容易理解。在讲解孔口管嘴管路流动及虹吸现象时，用生动动画显示其流动全过程，可说明其流动过程中截面收缩及可能出现的真空现象，从而给学生留下深刻的印象。
三、考核方式
考核的作用主要是了解教师教与学生学的情况，及时发现问题以便改进。考核方式的合理性不仅能激发学生学习的兴趣，同时还可以提高教学效果。“流体力学”作为一门理论性极强的基础课程，传统的考核通常采用平时考核与期末闭卷考试相结合的方式，两者所占比例通常为30%与70%。平时考核主要是学生的出勤率与作业完成情况，而期末考试主要是卷面所取得的成绩。这种考核方式存在一定的问题，不仅不能激发学生的学习热情，在某种程度上还会使学生产生抵触心理。由于流体力学中有大量的经验公式和图表，如阻力系数计算公式与莫迪图、纳维-斯托克斯方程等，若采取闭卷考试，则势必要求学生背熟这么多的公式，容易陷入死记硬背的怪圈。
事实上，这部分内容的教学要求是让学生能熟练应用这些公式和图表解决工程实际问题，而不需要死记硬背。因此，在考核方式中可以尝试平时开卷考核与期末闭卷考核相结合的考核方式。即将不适合闭卷考试的一些无法记忆而又要求学生掌握与应用的内容，放在平时教学中进行开卷考核，而将一些基本原理、基本概念、基本计算方法的考核放在期末闭卷考试中。这样，一方面，通过平时不定期的考核能提高平时学生的出勤率，另一方面，通过平时考核也可以激发学生平时的学习兴趣，提高学习效率；此外还可以通过考核及时发现问题，改善教学方法。通过这样的考核方式，既能激发学生平时的学习兴趣，同时还可以提高教学效果，考试结果能较真实地反映学生对本课程知识的掌握和应用能力。
四、结语
教学不仅是一门科学，也是一门艺术。每一种教学模式都有其特定的适用范围和条件。流体力学作为工科院校相关专业的一门主干技术基础课，由于其理论性强、概念抽象、经验公式多，给其教与学带来难度。如何根据专业特点将其与各专业培养目标进行有机结合，通过教学模式的探索使其教学融入到各专业人才培养中，将是“流体力学”教学模式改革的进一步目标。
参考文献：
[1]谭顶良.高等教育心理学[M].南京：河海大学出版社，2006.
[2]刘立平，师少鹏.传热学课程教学的改革探索[J].高等农业教育，
篇2
关键词：工程流体力学；教学改革；大学；专业基础课
中图分类号：642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2013）03-0030-02
“工程流体力学”课程是以高等数学、大学物理、工程力学、工程热力学为基础，集概念、公式、实际应用于一体的一门专业基础课。该课程基本概念抽象，公式结构复杂，实际应用众多，尤其在石油行业尤为突出。石油工业中的许多问题都要采用流体力学理论解决，诸如钻井液循环压力和流速的设计，套管强度的校核，采油过程中油井采出的流体在泵或井筒内的流动规律分析，地面管线的布设，管径设计，管线强度的校核，压差与流量之间关系的确定，输液泵的选择和安装位置的确定，储油罐强度的校核，油品装卸时间的计算，油品和天然气的计量，气蚀和水击等现象的预防等。解决这些问题，要求从事石油工程技术的科学工作者必须具备“工程流体力学”知识，以便在石油工程的建设和管理中更好地发挥作用。为了使学生能够更好地学习掌握该课程的内容，教学环节尤为重要。对如何设计教学环节，本文主要从以下四个方面加以说明。
一、教学由多媒体与板书共同完成
教学板书是教师教学思路的整体反映，是教师在教学过程中引导学生学习，帮助学生理解和记忆，以及启发学生思考的重要手段，是教学过程中不可缺少的组成部分。教学板书以文字、符号、图表等手段将教学内容直接诉诸学生的视觉，丰富了学生的感知表象，有助于学生吸收和掌握知识信息。在授课过程中，笔者把学生对使用板书和多媒体的意见进行调查，90%的学生更倾向于使用板书教学。
由于“工程流体力学”课程，基本概念多、难理解，公式复杂难懂，采用板书边写边讲解，给学生留有足够的时间去理解，去认知，接受起来更容易一些。但是流体本身运动复杂，没有固定的形状，在外力作用下，流体流动状态、流动规律是什么样的，在板书上表达起来可能不够准确，不够形象、逼真；而采用多媒体[1]，将其制作成图片或动画课件，则直观明了，生动具体，给学生在视觉上以新颖的感觉，在头脑里的印象会更深刻一些。比如：讲工程流体力学的发展史，单纯讲授枯燥无味。此时，制作多媒体课件展示给大家， 比如弧线球也称香蕉球，找一个足球明星踢弧线球的视频放里面，边放映边讲解，学生很感兴趣，还学到了知识，同时也激发了学生的学习热情，起到了很好的引导效果。
二、将计算流体动力学软件融入到理论教学中
“工程流体力学”一般采用理论方法、实验方法和数值计算三种方法研究，其中，数值计算就是使用计算流体动力学软件计算[2]，是当今比较常用也比较流行的方法。计算流体动力学（简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。CFD方法克服了理论方法和实验方法的局限性，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算机并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节；如激波的运动、强度、涡的生成与传播、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有区别。
目前，CFD软件中比较著名的就是Fluent软件。所以可以在教学中使用Fluent软件模拟，给学生展示流动规律和流动结果。例如：冯・卡门涡街，不同形状物体绕流使用Fluent进行模拟，既直观又能清楚地展现流动规律，同时对流体本身产生无限的向往，对“工程流体力学”课程充满了期待和兴趣，为学生以后学习软件打下了基础。
三、实施双语教学
随着我国与世界的接轨，随着世界一体化进程，迫切需要大量精通两种以上语言的人才，作为一种培养国际化人才的有效手段，双语教学势在必行。高等教育作为教育的前沿阵地，也要同国际接轨。双语教学本身就是我国高等教育国际化趋势的客观要求，对高校来讲，可以加强国内高校和国外高校的教学合作，高校之间的合作项目越来越多，有助于国内外专业领域知识体系的统一和完善；对教师来说，可以促进国内高校教师同国外高校教师的学术交流，国内高校教师可从中了解到很多世界前沿知识，并有效地传递给学生；从学生自身来看，打破了语言障碍，学生能够在专业技术领域内较好地将母语和英语这两种语言之间根据交际对象和工作环境的需要进行切换，有效地开展交流与合作，并且多掌握一种语言，就多了一份生存的手段，多了一份了解外部先进世界的途径，多一份机会。双语教学不仅可以培养学生运用外语解决实际问题的能力，而且有利于学生学习、掌握、精通一门外语（主要是英语），能够多一种思维方式，学会从多种角度，用不同观点看问题，进而提升竞争能力，同时也为培养“复合型”人才奠定了基础。
现今实施“双语教学”，既符合与时俱进的要求，又能够提升教学水平，这意味着在教学中实施“双语教学”势在必行。在“工程流体力学”专业基础课教学中改变使用单纯母语（汉语）的教学方式，将外语（主要是英语）运用于其教学的全过程之中，使之与母语教学互相融合、互相促进，既体现专业基础课教学的特色和针对性的同时，又能够全面提高学生的外语应用能力和综合素质，使教学更好地适应新世纪人才培养目标的要求。在“工程流体力学”教学中推行双语教学，使学生在双语教学课堂中提高英语水平，学会用英语表达专业知识，继而过渡到用英语去思维、求知、交流，以便熟练地用外语来解决实际问题。这种教学模式既符合经济迅速发展对涉外人才基本素质的要求，也符合大学各专业交叉融合的发展方向，是教学改革的重要内容。
根据“工程流体力学”课程的特点，在其教学中可以使用综合型教学模式。即对一些基本概念、基本理论，比较好理解的，可以采用浸入型；而对一些公式的推导，专业性比较强的，难于理解的采用过渡型。另外，将一些流体发展的历史、实例用多媒体教学手段进行授课，达到直观的效果。
四、注重实验环节
“工程流体力学”也是一门实验科学[3]。很多流体力学理论都是以实验为基础建立起来的，理论分析得出的结果需要通过实验来验证，而实验的进行又需要用分析得出的理论来指导。因此，实验是“工程流体力学”课程的重要组成部分，是必不可少的教学环节。它不仅是为了验证理论，有助于学生学好流体力学，而且是培养学生进行科学研究、提高独立工作和创新能力的重要环节。
随着大学教育的普及，受教育的人数迅猛增长，而实验教学设备与人数增长不成比例，导致教学和实验的间隔周期较长，使得实验前，有些学生并没有做好充分的准备，并且缺乏必要的理论复习，对即将做的实验相关知识没概念，致使理论和实验严重脱节，实验效果不佳。但是对学生的考核仅仅是一份实验报告，导致有些报告抄袭严重，甚至有些学生做实验，看别人怎么做就怎么做。这样，学生的动手能力、实践能力怎么能培养出来？更不用说培养学生的创新能力和发散思维。实验课是教学的必要环节，也是重要环节，不容忽视。
1.实验前，回顾与实验相关的知识点，让学生在短时间内了解本次实验和相关理论，这里的相关理论不是本实验的结论，实验结论应该由学生通过做实验总结出来；也可以将本实验过程录制成一段视频，让学生提前看一下，熟悉一下实验过程，视觉在人心中留的印象会更深刻一些，做到心中有数，这样真正自己动手做实验就不会茫然。
2.由于时间和设备的限制，实验只能就某一种情况进行操作，对其他条件变化时会有什么样的规律不能面面俱到，这时在实验教学中应用计算流体动力学软件演示也会收到很好的教学效果。所以，计算流体动力学软件不仅在教学中，在实验中的作用也是显著的。
3.在实验课教学改革的同时，实验课考核的方法也应该相应地加以整改。通过纯粹的书面实验报告和出勤率进行考核，学生互相抄袭，敷衍了事，实验做完后真正的原理还没弄明白。为了避免此类情况的发生，一方面，考核每个学生亲自动手做实验，边做实验边讲解，不仅能够锻炼学生动手的实验能力，语言表达能力相应地也有所提高，为此应该增加实验教师的人数；另一方面，除了增加实验课在最终成绩的比例（10%）外，还要在期末试卷中增加实验内容，以检验学生对实验的理解能力和掌握情况。
为了使学生能够更好地掌握“工程流体力学”课程的内容，教学需要改革，这就要求当代大学教师不断地尝试、不断地探索新的教学模式，充分调动学生的学习热情。本文针对“工程流体力学”这门专业基础课程的特点，提出了几点教学建议，希望对工作在一线的流体力学教师有点帮助。
参考文献：
[1]于靖博，张文孝，李广华.工程流体力学课程教学改革与实践[J].装备制造技术，2011，（11）.
篇3
关键词：全英文课程；计算流体力学；课程建设；研究生
中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）33-0221-03
一、引言
伴随着经济全球化潮流，高等教育也在走向国际化。高校与国际接轨的能力决定了其吸引国外高水平师资和优秀学生的能力[1]，进一步会影响到所在国的科技水平和国际形象。因此，全英文教学逐渐成为我国高校研究生教学改革的重点[2]，并有制度化和常态化的趋势。在这种背景下，中国石油大学（北京）作为唯一一所教育部直属的石油类高等学府，已将国际化办学提升到了学校发展战略的高度[3]，相继出台了聘请外教、接收来华留学生、提升教师国际化水平、推动全英文课程体系建设等一系列举措。作为这一体系中的一环，计算流体力学全英文课程在中国石油大学（北京）机械与储运工程学院的大力推进下已作为该院的第一门全英文课程开设起来。计算流体力学被选为机械与储运工程学院的第一门全英文课程与其学科特点有关。该院的油气储运工程、热能工程等专业无论在基础研究和工程应用方面都或多或少需要用到计算流体力学，且随着研究生培养质量的提高，研究生参加国际会议、发表高水平国际期刊论文、出国联合培养等涉外科研活动日益频繁。他们在这些活动中能否得到国际同行的高度认可，毫无疑问地取决于研究生是否能够用英语无障碍地与国际同行就专业领域、研究方向甚至日常生活等方方面面进行深入交流，包括英语的听说读写能力甚至更高级的英语思维能力。
然而，用英语进行科研活动对于母语非英语国家的学生来说是一大难题，尤其是我国学生长期处于单一汉语教学语境中，到了研究生阶段早已习惯了十几年的汉语教学。这使他们进入科研工作后也不由自主地倾向于阅读中文科技文献、撰写中文科技论文，大大局限了研究生的视野、局限了原创性成果的传播范围，也使他们在开会、毕业、出国、就业等压力下不得不使用英语表达其科研成果时，往往“张不开嘴”、“下不了笔”，即使勉力为之也经常词不达意，难以清晰准确地体现其科研成果的精髓，影响了与国际同行的交流效果。据笔者调查，大多数硕士生会用三分之一甚至更多的时间学习英语，博士生中能够自如地用英文撰写科技论文的人数也在少数，即使一些研究生通过了托福、雅思等英语考试，但是当其在生活和科研中使用英文时仍然感觉格格不入、困难重重。
出现上述问题的原因来源于两方面：一方面，我们给学生提供的教学、科研环境是全汉语的，与专业知识相关的词汇、概念、原理、定律等都只用中文讲授，使得学生在学习时已经先入为主地把知识与中文绑定了，不知道这些知识地道的英文表达是什么。另一方面，学生为了通过各种英语水平考试所进行的是泛泛的英语训练，由于缺乏应用背景，往往是考试结束没多久学生就把所记的词汇、语法忘光了，不知道如何把英语用到自己的专业中形成综合的英语能力。总之，学生在教学、科研、英语这三项活动中做的几乎是互不相关的三件事。
解决这一问题的途径之一就是把专业知识的教学环境改变为全英语，把英语有针对性地用到教学进而科研中[4]。因此，以“计算流体力学”全英文课程建设为契机，通过一系列的教学研究，希望探索出一条适合中国学生实际情况的、行之有效的特色全英文教学之路，切实提高研究生的专业英语的全面应用能力，进而提高其科研创新和国际交流能力。本文针对第一次开课所遇到的问题进行了初步探讨，为后续优化该课程的设置提供借鉴。
二、“计算流体力学”全英文课程课堂教学分析
为了切实分析出“计算流体力学”全英文课程的初次授课得失，以利于后续改进提高教学质量，仅从教师本身的经验体会进行归纳是远远不够的，需要来自学生的第一手反馈资料。因此，从课程的时间安排、教学材料的难度和组织、教学方式、考核方式4个方面对学习了该课程的37名研究生进行了问卷调查（选项间可以多选）。调查是采用网上下载问卷匿名填写的方式进行的，因此具有较高的可信度。
研究生课程与其他阶段学生的课程最大的不同在于要求在第一年即修完所有课程，为后两年研究工作的开展打下基础。其中大部分课程均集中在第一年的第一学期。新开的“计算流体力学”全英文课程的时间安排，实质上体现了与已有研究生课程的衔接关系以及学生的接受程度，而从学习者的切身体会去了解最为真实可靠。因此，问卷调查首先从课程的时间安排入手，结果示于图1中。45%的学生认为虽然课程时间安排得太紧凑但是有利于锻炼英语，也有20%的学生认为时间太紧而影响学习效果。出现这种情况的原因主要来自于该门课程目前的授课模式是从国外大学引进外教来讲课，外教在国外大学本身承担了科研和教学工作，因此只能根据其空余时间来华集中授课（2周），因此授课强度高。但是凡事皆有正反两面，集中高强度授课对于汉语课程或许不适宜，但是对于英语作为授课语言的课程反而会因为高频度的语言刺激而使学生较快掌握专业英语。这一点从45%的学生的正面评价即有所反映，从教师课堂上的观察也得出了相同结论，即从第2堂课开始学生已基本摆脱了第1堂课的完全听不懂的状态，掌握了基本的专业词汇，从第4堂课开始已有较多学生能和教师用英语进行专业知识的简单交流。另有15%的学生认为安排在第一学期较好因为有利于集中学习，20%的学生认为安排在第二学期较好因为需要一些知识准备。这两方面其实也是各有利弊。安排在第一学期可以和绝大部分研究生课程同时学习，减轻后续学习和科研压力；安排在第二学期可以在第一学期已经学习了张量、数值传热学等汉语环境的课程后有较为充分的知识准备，有助于提高全英文环境下的学习效果，毕竟对于外语来说，内容本身越熟悉越容易听懂[5]。
在教学内容难易度方面（图2），绝大多数学生（96%）反映教学内容偏难偏多，感觉课堂上应接不暇（25%）、课下需要较多时间消化吸收（43%），还有一些学生希望围绕几个难易适中、理论与实践结合的话题来展开（28%）。就这些问题，经过与外教的交流，发现外教已经降低难度并减少内容来授课了，这一调查结果恰恰反映出中外学生英语能力差别悬殊。在后续开课过程中要充分认识到这一差别，做到循序渐进，逐渐增加难度。另外，由于外教的学科背景与修习该课程的学生不一致，导致了学生觉得讲授内容偏理论化，不知如何应用于工程。这一点在本校接手该课程后可以着手改善。
在教学材料适应性方面（图3）主要反映了2个问题：（1）目前的主要教学材料依靠记录老师板书而获得，既熟悉了英文（39%），又部分影响了听课效果（27%）；（2）给学生提供的参考教材虽为国外教材，但都是面面俱到地介绍计算流体力学知识，没有针对性和侧重点，与课堂教学内容的联系也不紧密（21%）。针对这两个问题，需要对教学材料进行重新组织，挑选适合本专业特点的教学材料。
教学方式包括课堂组织形式（图4）和语言环境（图5）两个相互关联的方面。绝大多数学生对目前的授课形式比较满意，认为引入了国外的授课模式后课堂氛围轻松，更有利于对知识的吸收（41%），每堂课开始前先让学生用英文总结上节课内容，既复习了知识又锻炼了口语（43%）。这说明学生对全英文授课模式是认可的，并不是仅仅将中文替换为英文的换汤不换药的形式。具体到语言环境上，39%的学生认为强制全程使用英文，虽然感觉不适应但是避免了对中文翻译的依赖，直接用英文学习知识更有收获；26%的学生乐于接受教师边讲课边书写的形式，因为听与看结合起来更易于听懂和理解教学内容；28%的学生希望遇到陌生英文词汇时教师能用较浅显的词汇进行解释，这样更便于从英文角度直接掌握知识。从图4和图5反映出的学生对于提问和强制使用英文的抵触情绪，教师一方面应坚持原则，另一方面应多鼓励学生直接使用英文学习与交流，疏解学生的紧张畏难心理。
在课程考核方式方面（图6），压倒性的意见（占92%）认为目前采用大作业形式来考核很好，并且大作业题目本身比较灵活，在解决具体问题时强化了学习效果。也有少量呼声要求在期末大作业之外增加平时小作业（3%），以及采用期末考试的形式（5%）。可以考虑以后的考核方式多元化，增加学习过程考核，可能会收到更好地教学效果。
三、“计算流体力学”全英文课程建设初步意见
基于以上教学调查结果，将学生的反馈意见与教师的授课经验结合，分析得到了以下课程建设意见：
1.课时安排应紧凑适度。总体上该课程应安排在数值传热学、张量基础等课程之后，使得学生在中文环境下预先掌握一定的计算流体力学基础知识，更有利于向全英文环境的过渡。具体课时安排应既不太紧也不太松，以平均每周3次课，每次2课时为宜，使得学生既能跟上课程进度又不会因为上课间隔太长而遗忘已学的专业英语。
2.教学内容应精挑细选。应该结合专业特点，以本专业工程中的典型案例为背景，围绕难度适中的常用计算流体力学方法进行讲解。不求面面俱到，但求针对性强。建议在完善教学PPT的基础上编写专门用于这门课的讲义和教材。
3.教学方式应去中入西。正因为中国学生长期习惯于中文课堂的讲授式教学，不需要与教师和同学进行较多的交流，甚至讲台和课桌分别成为了教师和学生的“堡垒”，才导致容易将这一模式带入到英文环境的课堂学习中。然而，这一带入是极其不利的，因为学生面对的是英文和专业知识的双重困难，如不在课堂上进行充分地交流，学习效果非常有限且专业英文水平无法得到提高，最终必将陷入“英文阻碍专业知识的学习，专业知识反过来阻碍英文的学习”这一怪圈。只有教师首先从自身做起，放弃传统中式课堂的“上下级”教学模式，引入西式课堂的“平等式”、“开放式”授课模式，通过师生互动、生生交流、英文答辩等形式，才有可能让学生乐于在英文环境下学习专业知识，全面培养专业背景下的英语综合能力。
参考文献：
[1]宋培晶，陈红，胡泊.非英语国家高校开设全英文授课硕士生培养项目现状比较分析[J].学位与研究生教育，2008，（9）.
[2]马吉平.专业课全英文教学探讨[J].湖北第二师范学院学报，2014，31（3）.
[3]林伯韬，林青，庞惠文.石油工程专业材料力学全英文课程教学探索与实践[J].大学教育，2016，（1）.
篇4
关键词：机械设计;方法原理
中图分类号：TU74文章标识码：A
1、设计方法
1.1经验设计
机械的连接结构、传动结构和支撑结构等已经积淀有汗牛充栋的实践案例，但如何掌握这些案例的基本原理和设计方法，而不是记忆这些案例的具体结构设计，这是经验设计中的关键。具体的产品设计，例如车床，其结构设计可以参考前人的设计图纸，这对于提高设计效率，汲取前人经验、避免犯前人的错误具有实际意义。通过借鉴前人的经验，可以吸收他人的结构创新方法，同时也拓宽了自己的设计思路。随着机械结构数据库的出现和搜索方式的更新，对他人的相关结构设计的学习将更加方便。经验知识是结构设计的宝贵财富，也是公司的知识资产。通过对国内外同类型专利知识的学习，也是一条提升自己结构设计能力的途径。另一方面，要注意避免侵犯他人的知识产权。“古人传下来的学问，就是装在船里的货物。现在的新潮流、新趋势，就是行船的风。”在学习他人的结构设计创新点的基础上，设计者应有自己的革新与发明、自己的创造。
1.2理论设计
机械结构设计的理论方法，讨论的是机械结构设计的理性方法，具体的有：模块化和组合化设计、复合化设计、分级结构设计、载荷均布性设计和变结构设计。随着结构优化、结构可靠性和概率设计等方面的发展和具体应用，机械结构的理性设计方法也在不断的推陈出新。
1.3模块化和组合化设计
一台机器总体是由提供不同功能的结构单元有机的组合而成，因此模块化的以及模块之间的组合化就是早期的方法之一。在复杂的机电系统和设备中，模块化和组合化的设计理念是有效的结构设计方法，同时也是机械制造的方法之一。例如，组合航空母舰的设计概念；我国的组合化机床的设计在上世纪70年代就已经取得了很大的成功。模块化和组合化，一般是按功能单元、结构单元来划分模块，然后组合起来成为一台机器。
1.4复合化设计
复合化的基本特点就是将两个或两个以上的功能零件组合成一个部件或构件来设计，其功能可以是运动功能、承载功能等。例如，组合凸轮结构的设计就是将两个凸轮设计成一个零件；一根连杆在组合结构中同时作为两个或两个以上机构的结构件。复合化方法可以降低机械的制造成本、减轻机器的重量、缩小机器的尺寸和降低产品的成本。
1.5分级结构设计
复杂的制造设备是由分级的机械结构组成，大功能层次的结构是由若干个分功能结构组成。层次化不仅是功能树结构的要求，而且也是制造工艺对结构设计的要求。例如，床头箱由多个轮系组成，而每个轮系又由次一层次的系统组成。复杂机电产品的设计，例如组合挖掘机的设计，集推土机和挖掘机的功能在一起，而共用一个动力系统，在执行系统处分开。层次化结构设计方法在构想分级结构阶段，能够帮助设计者厘清思路，从而找出结构设计的关键点，集中解决结构设计中的难点问题。
1.6载荷均布性设计
由于机械结构设计的特点，希望载荷分布均匀，充分发挥材料的机械力学性能或者取得降低最大载荷的目的。例如，修形齿轮的设计、对数滚子的设计，为了取得接触应力的均布，从而修形零件，实现结构的优化设计。行星齿轮减速器的设计也体现了载荷均布性的设计理念，从机构运动学来看只需一只行星齿轮；然而从受力平衡、承载能力和提高齿面的抗磨损来说，三只行星齿轮的结构设计更好。
1.7变结构设计
机械结构的创新常常采用变结构的方法，变结构可以改变机械结构的功能，例如，非圆连接形式的成形连接、曲柄滑块结构设计变为转动导杆结构设计。变结构可以改变实现功能的形式，例如径向柱塞泵和轴向柱塞泵的设计。变结构也可以降低机器的设计成本，例如利用死点的桌面支承设计。
1.8模型试验设计
相似模型试验设计。基于机器物理模型的相似，运用相似科学理论，对于大型的机器设备进行模型试验设计。通过模型结构设计和试验分析，获取机械结构的可靠性、并预测机器的工作性能。模型相似的设计方法已在工程领域有广泛的运用，例如大型水轮机组的结构设计。通过制造大型水轮机组的模型，测试试验模型的工作性能以及其可靠性等指标，优化水轮机组的结构设计和工作能力。机械结构的设计方法不是一成不变的，而是随着人们的发明和新的科学原理的发现，在日新月异地发展，不断出现新的机械结构设计方法，同时对前人的机械结构设计进行革新。
2、设计原理
机械结构的设计必然要依据技术科学的原理，例如：理论力学原理、材料力学原理、弹性力学原理、疲劳力学原理、流体力学原理、热力学原理、摩擦学原理、声学原理、智能原理和一切可能的新物理原理。这里讨论以上各种原理在机械结构设计中的应用，以期总结机械结构设计的常用原理，讨论机械结构设计的原理在今后结构创新设计中的可能性。
2.1理论力学原理
理论力学是机构设计的基础理论，对于机器的运动学和动力学分析，得到的结构必然反映到机械结构的设计中来。例如，轴承转子系统动力学的设计，其动力学及其稳定性的设计，要求修改轴承的设计和轴的刚度设计。
2.2材料力学原理
机械零件的强度和刚度设计是基于材料力学理论的，强度或刚度不足时，就需要修改零件的结构设计。例如，齿轮轮齿接触强度和齿根弯曲疲劳强度的设计，当齿面接触强度不足时就要求增大小齿轮的分度圆直径；当齿根弯曲强度不够时就要求增大齿轮的模数。
2.3弹性力学原理
弹性力学分析是零件应力应变计算的基础，例如滚动轴承中滚子修形的设计，基于弹性力学的接触分析，确定滚子的修形曲线和修形量。在机械零件的结构优化设计中，常常用到弹性力学理论。
2.4疲劳力学原理
机械零件上的机械载荷在工作过程中常常是变动的，例如汽车中的轴、轴承和齿轮上的载荷都是变化的，这种变化的载荷具有一定的统计特征。变载荷下轴和滚动轴承的疲劳寿命设计等工程内容，已经发展成机械零件的概率设计。为了更精确地设计机械零部件，疲劳力学在机械结构设计中会得到越来越多的应用。
2.5流体力学原理
流体传动和动静压轴承等的设计是依据流体力学原理的，流体力学也是机械结构创新的基本原理之一。例如静压导轨的设计、动压滑动轴承的设计，要依据流体的质量守恒定律、平衡原理等，优化设计的结果要求修改导轨或轴承的结构型式和尺寸参数。
2.6热学原理
热力学和传热学在机械零部件的设计中有很广泛的应用，导轨的热精度设计、齿轮和滚动轴承的胶合分析、隔热结构设计等等。
2.7摩擦学原理
耐磨或加快磨损是摩擦学设计的核心，例如圆锥销的设计、组合螺母的设计，就是为了补偿零件的磨损，使得零件在磨损后仍能实现其设计的功能。磨削和抛光制造工艺是利用零件磨损的加工方法。
2.8声学原理
在机械系统的噪声分析和研究中，依据物理声学的原理及其分析方法，得到噪声的频谱和功率谱等分析结果，以指导机械结构的设计，例如低噪声滚动轴承的设计。今后，可以考虑利用机械噪声来进行产品设计，例如声爆弹的设计、信号中噪声信息干扰的设计等。
3、结语
综合上述，机械结构的设计涉及的方面比较广，在设计过程当中需要考虑的地方有很多。需要设计者从实际情况出发，按照设计的基本准则，采用适用设计要求的一些设计方法。
参考文献：
[1]朱林,陈发,浅谈机械结构设计的新思想[J].新疆农机化.2002
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关键词：生化工程；生物技术；计算机技术；过程控制；反应器
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）51-0136-02
自上世纪50年代初在国内高校首开发酵工程专业以来，《生化工程》课程一直作为江南大学生物工程专业重点建设的专业基础课程。围绕培养实践型、应用型发酵工程人才，我们在教学中，坚持理论与实践结合，在教学方法上进行了有益的尝试。在生化工程的教学过程中，除了围绕《生化工程》的相关教材讲述生化反应动力学与反应器方面的基础理论外，重点还介绍了最新技术在发酵过程优化与控制以及生化反应器放大中的应用。
一、基于代谢工程和智能工程的集约型发酵过程控制
发酵过程控制技术是利用过程自动控制和系统工程的手段，通过动态调控诸如底物流加速度、通风量、搅拌速度、温度、pH、操作时间和方式等外部环境因子对发酵过程的性能指标实施优化。发酵过程控制技术可以称得上是发酵工程的核心关键技术。近年来，以人工神经网络为代表的智能工程技术和以代谢工程为代表的现代生物技术已经逐步、大量地渗入到发酵过程的建模、过程故障诊断和早期预警乃至过程控制与优化等诸多领域。先进的过程控制技术、智能工程技术、代谢工程技术与发酵工程的融合才是现酵过程控制的发展方向和大趋势。人工神经网络（artificial neural network，ANN）作为人工智能技术的核心，其固有的学习特性和模拟非线性的能力非常适合发酵过程，目前在发酵工程中的应用相当普遍，在系统辨识、建模、优化、控制等各方面都有广泛的应用和显著的效果[1]。神经网络能由已知的过程输入得到过程的输出，从而建立过程模型。
人工神经网络的广泛应用主要是由于它具有以下特点：（1）神经网络具有典型黑箱模型的特性。（2）对于复杂系统，网络内部各接点间的连接权值包含着对过程输入、输出关系的描述，通过选择一定的网络拓扑结构和较为方便的学习过程，多层前馈神经网络能以任意精度逼近任意非线性映射，带来了一种有效的、智能的表达工具。（3）模型一般为多输入和多输出的并行信息存储与处理结构，从而具有独特的容错性和并行计算特点，大量复杂的控制算法能够得以快速实现，因此可方便地用于多变量控制系统。（4）固有的学习能力降低了系统的不确定性，适应环境变化的泛化能力得到了增加。在估计预测过程中，网络内部的连接权值的综合作用即是模型的具体表达，使模型充当了一个逼近真实过程模型的角色。用于网络的训练样本和检验样本能否达到令人满意的精度或可信度是衡量神经网络建模效果好坏的主要依据。ANNPR控制策略在控制和优化毕赤酵母生产外源蛋白的控制中起到了很好的效果。例如该控制策略在甘油流加培养阶段维持较高的重组毕赤酵母比生长速率，同时避免诱导前甘油的积累，最终提高pIFN-α的产率。除了pIFN-α发酵生产过程，这一新的控制方法还能用于其他毕赤酵母表达外源蛋白的过程。
二、发酵过程在线故障诊断和早期预警技术
在实际的发酵生产过程中，仅仅依靠发酵过程的控制和优化并不能确保生产过程中每一批次的高效和稳定。而且一些在线参数测量电极在工业上的应用还不够成熟。一旦过程参数偏离最优的控制水平，发酵产量就会大大下降，甚至导致发酵彻底失败。甲醇营养型毕赤酵母是目前应用效果好且用途最广泛的一种外源蛋白表达系统。它具有许多明显的优势，蛋白分泌表达的启动子受到诱导剂甲醇的严格调控，诱导表达的大部分目标蛋白可以分泌到胞外，有利于降低下游的分离和纯化的成本等。在发酵生产过程中，基于OUR变化模式的故障诊断方法是一种常用的方法，但运用单一过程参数进行过程控制和分析不具有代表性。通过选取多个在线参数，针对不同的毕赤酵母发酵过程，建立通用的诊断模型具有广泛的意义。在毕赤酵母表达重组融合蛋白过程中，在诱导期如何准确有效地控制甲醇的浓度并保持pH值的稳定是发酵过程控制的关键。以前的各种基于神经网络的故障诊断方法大都基于复杂的数据分析和各种网络的构建，没有具体结合发酵过程的特性，菌体的代谢以及生理状态分析，参数的选择也没有针对不同阶段的发酵特性，识别的效果相对较差。但是通过对所有的在线数据进行评价筛选，基于对诱导期菌体生理状态和发酵过程参数的深入研究，提出的基于自联想神经网络的故障诊断系统能起到很好的效果[2]。
建立具有故障诊断和早期预警功能的自我联想型神经网络AANN大致包括五个主要步骤。首先在正常发酵条件下，对一些关键过程参数进行在线的监测和存储，建立具有系统生成、实时数据库生成等功能的软件和数据库。然后建立上述状态变量的数值以及相应的误测数据与“正常”和“非正常”发酵的性能指标（以产物浓度、生产强度、糖酸转化率等为基准）间的简单、定性关系表，从而为实现早期预警后、反推故障原因、及时采取补救措施提供依据和可能的信息。接着建立具有故障诊断和早期预警功能的自我联想型神经网络AANN。通过对已知正常发酵样本数据中未参与训练、学习的数据进行验证计算，确认所建立的AANN模型的通用性和精确度可以达到和满足规定要求。然后建立基于AANN模型的在线故障诊断和早期预警。最后一旦AANN模型检测到发酵处于“异常”状态，则可以反推可能造成发酵处于“异常”状态的原因。比如说，检查一下温度、pH、溶氧电极和尾气分析仪是否出现故障，气路和水路（冷却水）有无堵塞，等等。如果能够找到原因，则采取相应的补救措施，促使发酵尽快恢复正常；如果确实找不到原因，则可继续等待一段时间、观察发酵能否自动恢复正常。如果仍然不行，则应当机立断、及时放罐。总之，应用自我联想型神经网络的目的在于建立以人工智能工程为基础的、简易、通用和集约型发酵过程控制系统，并实现发酵过程中的故障诊断和早期预警。
三、计算流体动力学在生化反应器设计和放大中的应用
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟是21世纪流体力学领域的重要技术之一，该模拟技术的基本原理是利用离散化的数值算法求解控制流体流动的微分方程，得出连续流场在一定区域上的离散分布规律，从而“模拟”流体流动情况。FLUENT是目前世界应用范围最广的商业CFD软件包之一，该软件在对流态进行数值仿真模拟计算方面有着广泛应用。带搅拌的生物反应器在发酵工业有着广泛应用，搅拌和混合是化学工业中重要的单元操作，体系混合过程和效果往往成为影响反应产率等的重要因素。为评估和研究搅拌系统的传氧效率和功率消耗，优化反应器的整体结构，采用计算流体力学技术对所设计的新型反应器进行了计算机模拟，采用FLUENT？作为计算平台，采用基于Euler-Euler方法的Mixture模型处理气液两相流问题，气泡聚并和破裂过程通过群落平衡方程计算，最后将计算结果与实验测量数据进行比较[3]。计算表明CFD计算的各参数预测值与测量值偏差均在±10%以内，能够较准确地再现设备内流体的运动状态。这为利用数值模拟技术优化反应器设计和生物反应器工程放大奠定了基础。在前期工作中，通过中试生产和80立方生产规模下的结冷胶发酵过程试验，新型通风发酵罐表现出优良的传质性能和节能效果，不仅是结冷胶的发酵产率从18g/L提高到22g/L，而且单批发酵过程的电耗节省20%，显示出技术良好的应用前景。由于这种新型的通风发酵设备在发酵领域具有普遍意义和宽广应用范围，对于通风发酵领域的产品都有参考意义，所建立的设计和制造方法对于大型发酵罐的放大方法具有重要的现实参考意义。
采用以CFD数值模拟为主结合实验测量验证的方法研究了三层组合桨对黄原胶溶液的气液分散及混合的效果。根据发酵罐下部通气的特点，底层搅拌桨选择径向流搅拌桨，中层和上层桨设置了轴向流搅拌桨。具体桨型选择为径向流桨为SPT桨，轴向流桨为四叶旋桨式搅拌器（KSX）。
四、结束语
生化工程课程具有知识点多，学科交叉性和应用性强的特点。课程项目在实施过程中，教学团队应该结合最新科研转化成果，提炼生化工程的典型案例，将生化工程的理论学习与工程学习紧密结合起来。新增案例库、例题库等，以典型发酵工程案例为引子，结合生化工程的理论知识，注重培养学生的自学能力和科学的思维方法。注重在课堂上引入最新科研成果，对开拓学生视野、了解生化工程领域最新科学前沿技术的发展具有重要作用。
参考文献：
[1]史仲平，潘丰.发酵过程解析、控制与检测技术[M].北京：化学工业出版社，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.
关键词： 湍流模型；导弹；仿真
Key words： turbulence model；missile；simulation
中图分类号：TJ760 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）19-0324-03
0 引言
随着计算机仿真技术的广泛应用和计算流体力学的不断发展，在导弹的设计和研制过程中，气动参数的获取越来越多地依靠费效比更高的气动仿真而非完全的实物试验。在气动仿真过程中，仿真精度是最受关注的问题，对湍流模型的选择对精度有重要影响。目前在大多数使用数值仿真方法对导弹气动特性的研究中，都是通过求解N-S方程来进行的，采用的湍流模型不尽相同。各种湍流模型在推导过程中都针对不同流体和工况进行了一定程度的假设和近似，不存在通用的湍流模型。为了研究湍流模型对某型导弹气动仿真的影响，将常见的几种湍流模型运用仿真过程中，将数值仿真所得气动参数与风洞试验结果进行对比，确定适用于该型带导弹气动仿真的湍流模型。
1 仿真几何模型
该型导弹为典型的“+-+”布局，外形为钝头圆柱形，有4片弹翼和4片尾舵，如图1所示。底部原本存在结构复杂的内凹（发动机喷管和燃气舵）结构，根据以往实践经验，认为底部内凹结构对通过仿真获取气动参数影响很小，为简单起见，在构建几何模型时，将尾部处理为平面。
2 网格划分
该型导弹的仿真区域和外表面的网格划分如图2所示。在确定仿真区域时，为了能够充分模拟导弹的外流场，减小边界条件引入的误差，选取的径向尺寸至少为弹径的10倍[1]。该型导弹的弹径为127mm，据此设定仿真区域大小为4460mm×2890mm×2890mm。在弹体表面采用壁面函数法对流场进行计算，并在壁面处对网格进行局部加密。利用GAMBIT软件进行网格划分，网格总数为2132244个。边界条件设定为：进口处给定静温和流体速度，出口处采用无回流边界，弹体壁面采用无滑移壁面边界，其他边界采用无反射边界。
3 控制方程
该型导弹的的飞行速度为高亚声速段，空气的可压缩性不可忽略。通常需要对控制流体流动的Navier-Stokes方程进行Favre平均，忽略掉高阶小量，可以得到平均量的控制方程为[7]：
■（■）+■=（■■■）=0，■=-■+■（■■-？籽■）+■g■，■=■+■（-■■）+■。（1）
式中：u■■为流体流动速度的Favre平均脉动值；■■为分子粘性应力张量的雷诺平均值；g■为体积力；■■是分子扩散引起的比焓通量向量的雷诺平均值；h■为流体比焓的Favre平均脉动值；S■为因可压缩性、粘性耗散和辐射等引起的比焓源项。
4 常用湍流模型
（1）标准k-？着湍流模型
标准k-？着湍流模型是在k-？着湍流模型[2]基础上发展起来的，其表达式如下：
■=Pk-■？着+■[（？滋+■）■]
■=■[（？滋+■）■]-C？着1■Pk-C？着2■■
Pk=-■■，？滋t=C？滋■■
模型参数的取值如下：
C？滋=0.09 C？着1=1.44 C？着2=1.92 ？滓k=1 ？滓？着=1.3
（2）RNGk-？着湍流模型
该模型把湍流当作受随机力驱动的输运过程，运用频谱分析的方法消去小尺度涡，将其影响归并到涡粘性中，从而可以得到所需尺度上的输运过程。k和？着的控制方程分别为[3]：
■=pk-■？着+■[（？滋+■）■]
■=■[（？滋+■）■]+■（C■■Pk-C2■？着）
Pk=-■■，？滋t=C？滋■■
模型参数为：C？滋=0.0845 C1=1.42 C2=1.69 ？滓k=1
？滓？着=1.3 ？浊0=4.377 ？茁=0.012
（3）带广义可压缩修正的k-？着湍流模型
在文献[4]中，韩省思等考虑了膨胀可压缩性效应和结构可压缩性效应，导出了一种新的可压缩修正k-ε湍流模型。该模型在研究超声速横侧射流现象时取得了很好的修正效果。该湍流模型的表达式为：
■=-■■-■？着+■[（？滋+■）■]+■
■（■？着s）+■（■■■？着s）
=C？着1■（-■■）-C？着2■■+■[（？滋+■）■]
■=？琢3（■■）M■■+？琢4■？着sM■■
？着d=？琢1？着sM■■
？滋t=min（C？滋■■，■■■）
C？滋=0.09exp（？琢5Mg）
模型参数为：？琢1=0.2，？琢3=0.16，？琢4=0.08，？琢5=-0.8
式中：Mt代表湍流马赫数，Mg是梯度马赫数，S代表应变率张量，湍动能耗散率可以写成无散度部分和速度散度不为零引起的可压缩部分，即■？着=■？着s+■？着d。
（4）标准k-？棕湍流模型
为了模拟逆压梯度下的边界层分离，发展出了标准k-？棕湍流模型，该模型在低雷诺数流动中能很好得模拟近壁面的边界层和自由剪切等流动问题。其控制方程表达式为：
■=pk-？茁*k■？棕+■[（？滋+■）■]
■=■[（？滋+■）■]+？琢■Pk-？茁■？棕2
Pk=-■■，？滋t=■■
模型参数为：
？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-？棕湍流模型考虑湍流剪切力的传播，通过限制湍流粘性系数提高了该模型在研究近壁自由流中的精度和可信度。该模型在壁面附近采用k-？棕模型，在远区采用k-？棕模型。其控制方程表达式为[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是常数，F2是混合函数。
模型参数为：
？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个运动粘度系数的输运方程，模型中用代数表达式ky定义了一个长度尺度，并发展了一种计算外流场气动特性的简便算法。模型中定义的运动粘度系数■与动力粘度系数？滋t的关系为：？滋t=■■fv1，其中fv1=fv1（■/v）是壁面阻尼函数，在高雷诺数流动中■等于湍流运动粘度系数vt，在壁面处fv1趋向于零。运动粘度系数的输运方程为[6]：
■=■{■[（？滋+■■）]■+Cb2■■■}+Cb1■■■-C？棕1■（■）2f？棕
■=？赘+■fv2
？赘=■
？赘ij=■（■-■）
式中：fv2（■/v）和f？棕=f？棕（■/（■？资2y2））均是壁面阻尼函数。模型参数为：
？滓v=2/3 ？资=0.4187 Cb1=0.1355 Cb2=0.622
C？棕1=Cb1+？资2■
5 数值仿真结果与试验数据的对比
利用linux操作系统下的开源OpenFOAM软件，分别对马赫数为0.4和0.8，攻角为0°和20°时的导弹气动特性进行仿真。
表1-4中分别列出了马赫数为0.4、0.6和0.8，攻角为0°和20°时，分别采用6种湍流模型（模型参数均设为默认值）仿真得到的气动参数与风洞试验结果的对比情况。Cx、Cy、Mz分别为阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数；误差=|（仿真值-试验值）/试验值|×100%。模型1-6分别代表前述6种模型。
在攻角为0度时，理论上不产生升力和俯仰力矩，但0度攻角下升力系数和俯仰力矩系数的仿真结果有的不为0，这是由于数据迭代误差所致；风洞试验数据不为0是由于模型加工和安装误差导致的不对称性引起的。0度攻角下的这两种数据均无意义，所以不对其加以对比。
6 结论
从以上数据对比可以看出，采用带可压缩性修正的湍流模型（即模型3）仿真得到的气动参数误差最小，均在10%左右或以内，采用其它模型的误差则相对较大。需要说明的是，以上数据为各模型中系数采用默认值的结果，如果根据结果对各模型中的系数进行修改，也可以得到满足精度要求的参数，但是这需要耗费较多的人力和时间，而且修改后的系数也不具有扩展性。以上对比结果说明，在各湍流模型中的系数采用默认值这一条件下，带可压缩修正的k-？着湍流模型在仿真计算类似外形的弹箭的气动参数时，能够起到提高仿真精度的作用。
参考文献：
[1]李向群，安亦然，王世安，等.高速飞机的全机气动力数值分析[J].水动力学研究与进展，2004，19（增刊）：838-848.
[2]赵学端，廖其奠.粘性流体力学[M].机械工业出版社，1992：168-170.
[3]H K Versteeg， W Malalasekera. An Introduction to Computational Fluid Dynamics[M].世界图书出版公司， 2007：87-88.
[4]韩省思，叶桃红，朱旻明，等.一个新的可压缩性修正的k-ε模型[J].空气动力学报，2009，27（6）：677-682.
[5]张强.两方程湍流模型的应用研究[D].西安：西北工业大学， 2004.
篇7
关键词：过程装备控制工程；过程原理与设备；教学内容
作者简介：苏文献（1967-），男，山东栖霞人，上海理工大学能源与动力工程学院，副教授；孙丽（1982-），女，山东海阳人，上海理工大学能源与动力工程学院，讲师。（上海 200093）
基金项目：本文系上海市教委重点课程建设项目（项目编号：1K12301002）、上海理工大学核心课程建设项目（项目编号：5811301003）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）25-0120-02
过程装备与控制工程专业的前身是化工设备与机械专业（简称“化机”），1998年根据发展需要，教育部对普通高等学校大学本科专业目录进行了调整，将化工设备与机械（本科）专业更名为过程装备与控制工程专业。该专业主要研究石油、化工、炼油、轻工、核能与电力、冶金、环境、食品及制药等过程工业中处理流体和类流体必需的装备、技术与控制等。属于融机械、化工和控制等多工程学科领域于一体的复合交叉型学科。
过程装备与控制工程本科专业相对应的研究生教育的学科名称为化工过程机械，属于动力工程及工程热物理一级学科下的二级学科。
动力工程及工程热物理学科主要研究能量以热和功及其他相关的形式在转化、传递过程中的基本规律，以及按此规律有效地实现这些过程的装备及系统所涉及的应用科学及应用基础科学；主要应用于工农业、国防领域，与人类生活、生产密切相关；同时又几乎与所有的科学技术领域密切有关，可以推动人类更好地利用能源与现代动力技术的发展。
上海理工大学（以下简称“我校”）过程装备与控制工程专业依托于我校动力工程与工程热物理一级学科，该学科具有博士后流动站，并在1997年第一批被批准为我国具有一级学科博士学位授予权单位；所属二级学科化工机械方向在70年代就已具有培养硕士和博士的能力。
在这样的背景下，我校能源与动力工程学院不断修改和丰富本科生培养计划和培养方案，开设了“过程原理与设备”课程，作为过程装备与控制工程专业的专业基础课程。经过多年的教学改革和不断探索，在教学方法、授课内容设计和提高学生创新能力方面取得了一定成果。
一、专业概况和课程定位
化工设备与机械专业更名为“过程装备与控制工程”专业后，其内涵和外延都有了根本变化。更名后的专业，从单纯的机械学科转向机械与控制交叉学科。虽然它自己仍然属于机械大学科，但它和通用机械有区别，与原来的行业范围局限于化工不同，新行业可以广泛服务于机械、电子、化工等相关过程工业；同时，新行业的发展也和机械电子、控制工程、化工机械、动力机械等密切相关。过程工业，通常来说，是利用化学和物理方法改变物料物化性能，用以生产新产品的加工工业，广泛应用于工农业等众多相关行业部门。过程装备与控制工程专业主要涉及的对象是与流程有关的物料，从原材料到成品或者半成品过程中需要经过一系列化学或者物理变化。因此，整个过程需要有数量不同、功能各异的单元操作并联或者串联组成，而每一个单元操作均需要一个能够实现特定功能的设备或者机器来完成。每个单元操作对应的设备称为单元设备，而这些单元设备需要用一系列的部件如阀门、管道、三通等连在一起构成过程装备。在过程工业中，通常需要确保各个单元设备以及整个装备能够安全稳定地运行，因此需要对各个流程中的物料的各种相关参数进行严格控制，如压力、速率、温度、浓度等。
过程装备与控制工程专业是以过程装备的设计、制造、运行、维护、管理为主体，过程工业原理与装备控制技术应用为两翼的多学科交叉型专业。通过系统学习，学生将具有较强的机械基础、过程装备、力学基础、控制工程、计算机应用等基础理论知识，具有较好的工程技术基本素质和综合解决工程问题的能力。其培养目标是具备过程装备设计制造及其控制理论，并具备研究开发、设计制造、运行控制、维护管理等综合能力的高级科学研究和技术人才。
我校以科研教学型为办学定位。“过程原理与设备”课程是过程装备与控制工程专业技术基础课程之一，是过程装备与控制工程专业的核心课程，也是上海市教委重点建设课程。该课程既讲原理又讲设备，涉及知识全面；由理论到应用，教学逻辑明确。对激发学生的创新思维，提高学生的应用能力有很大帮助。同时作为专业基础课程，其教学质量的好坏也直接影响其他专业课程的教学工作。因此，做好“过程原理与设备”课程建设对提高本科教学质量，促进学生全面发展具有一定积极作用。
二、授课内容设计
过程工业，一般来说，都与热量传递、能量传递及质量传递有关。过程工业中涉及的所有的机器（动设备）和（静）设备，均属于过程装备。过程装备可以分为以下几大类：
1.流体动力过程及设备
满足流体力学等相关规律的过程及设备。如液体的输送与气体的增压，气液非均相混合物的分离、液体的搅拌等。所用的设备有泵、鼓风机、离心机、压气机、管道、沉降室等。
2.传热过程及设备
满足热量传递等相关规律的过程及设备。如冷却、蒸发等。所用的设备有冷凝器、蒸发器、锅炉等。
3.传质过程及设备
满足质量传递等相关规律的过程及设备。如干燥、分馏、吸附、吸收、结晶等。所用的设备有：干燥器、萃取塔、结晶器等。
4.机械过程及设备
满足固体力学等相关规律的过程及设备。如固体的粉碎、筛分、输送、给料等。常见的设备有粉碎机、振动筛、输送设备、给料器等。
5.化学过程及设备
满足化学反应等相关规律的过程及设备。如还原、氧化、加氢、水解、加聚等。常见的设备有搅拌反应器、固定床反应器以及流化床反应器等。
“工程热力学”、“工程流体力学”、“传热学”为我校过程装备与控制工程专业在能源与动力工程学院的三大基础课程。“过程原理与设备”是过程装备与控制工程专业的主修课程，其授课内容大体与化工原理相近。由于传热、传动量两部分内容已由其他老师在“传热学”、“过程流体机械”中主讲，故在本课程中授课内容以传质为主，传热、传动量为辅。课程讲述质量传递原理、换热、蒸发传热单元操作及吸收、精馏、萃取、吸附、结晶、膜分离等传质单元操作；热量、质量同时传递过程的特点及增减湿和干燥操作。具体内容包括：
分离过程与传递现象，介绍混合物组成，基本操作方法和常用设备，传质分离的动力学方程；吸收基本原理，气液相平衡、传质机理与传质速率、低浓度气体的吸收与计算，高浓度气体吸收、多组分吸收、化学吸收和解吸，吸收塔的结构和设计；蒸馏基本原理，双组分溶液的气液相平衡、简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏及其双组分连续精馏的计算和分析，间歇精馏和特殊精馏、多组分精馏，蒸馏塔的结构和设计；气液传质设备的工艺设计；液液平衡关系、部分互溶物系的萃取计算、完全不互溶物系的萃取计算及溶剂的选择，其他萃取方法及萃取设备；湿空气的性质及湿度图、干燥过程的物料衡算和热量衡算、干燥速率和干燥时间，干燥器的类型、性能、结构；蒸发原理、设备及计算热量传递基础，单效蒸发和真空蒸发的概念和计算，单效蒸发和提高加热蒸汽经济性的其他措施及其蒸发设备；颗粒与颗粒层的特性、流体与颗粒间的相对运动及其流体通过颗粒床层的流动、重力沉降和过滤计算，了解气体净化的其他广泛应用和设备；膜分离传质单元操作的基本原理。
目前我校过程装备与控制工程专业所用教材是陈敏恒等编著的《化工原理》（上、下）第三版（化学工业出版社）。所用参考教材有：蒋维钧等编著的《化工原理》（上、下）（清华大学出版社），何洪潮等编著的《化工原理》（科学出版社），张斌编著的《过程原理与设备》（东北大学出版社）等。
在多年的教学过程中，我校能源与动力工程学院不断探索教学内容和方法。在总学时数受限定的情况下，结合实际情况，合理设置教学内容，既压缩了课时，又避免了该课程与学院基础课程内容上的重复；在与其他课程的配置上，将该课程与“专业实验”课程的进度合理搭配，用实验设备模拟真实设备，边学边练，激发学生学习兴趣，增强学生动手实践能力；在改革教学内容和方法的同时，还注意将现代化教学手段引入课堂，利用计算机教学软件进行辅助教学，取得了良好的教学效果。
三、结论
“过程原理与设备”课程是过程装备与控制工程专业重要的专业基础课程之一，其内容涵盖广、实践应用性强。经过多年的教学改革和探索，我校走出了一条内容设计合理、教学方法多样、注重实践和创新的特色之路。过程装备与控制工程专业学生连续多年的高就业率和来自企业的积极反馈，体现了我校“过程原理与设备”教学的良好效果。
参考文献：
[1]陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理（上、下）[M].第三版.北京：化学工业出版社，2012.
[2]蒋维钧，戴猷元，顾惠君.化工原理（上、下）[M].第三版.北京：清华大学出版社，2009.
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关键词 土木工程 自然科学 工程师 现状及未来
现代的土木工程已经是一门多学科交叉的综合，相关的自然科学和社会科学学科的进步都会对土木工程的发展产生影响。作为土木工程理论的一个支柱，力学在19-20世纪取得了巨大的发展。由于实际需要的推动，力学发展出许多小的门类，如弹性力学，损伤力学等，都服务于土木工程。现在的理论力学已经达到了一个相当成熟的境界。数学工具和计算机技术的发展也使得一些以前无法分析的问题可以为工程师们所掌握。本时间初，随着边界层理论的发展，流体力学逐渐发展，并在此基础上发展出了湍流理论。固体力学也有很大的发展，对土木工程有直接作用的断裂力学的发生使得工程师们可以比较可靠的估计建筑物的强度和可靠性。这一发展改变了设计的观念。大大推动了结构研究的发展。预应力理论的提出标志着力学理论进入了一个新时期。另一方面，有限元分析等新的数学分析方法在计算机技术的支持下迅速发展，拓宽了工程师的研究对象，使得工程师们能够把握更加复杂的系统。数学工具的发展不但作用在结构分析计算上，也体现在优化设计当中。概率与数例统计的应用完善了各种结构物的计算。材料科学的发展为土木工程带来了广阔的发展空间，新的工程材料，如碳纤维，高强度混凝土，高分子复合材料等加入到土木工程的应用中来，为工程师提供了更多的选择。
在不同的专业方向上，随着超高层建筑的发展，结构理论也不断发展，从框架到剪力墙再到筒式体系，越来越成熟。在桥梁工程方面，从比较原始的板梁桥，拱桥发展到现代常用的斜拉桥，悬索桥。发展不但体现在形式上，而且也体现内涵上。多种技术的交叉运用突破了单纯的桥梁结构的种类划分。并且出现了一些独特的斜桥和曲线桥。 电脑在土木工程设计上的重要性，已不再需要辩论。利用电脑绘制各类平面、立面、剖面、细部等二度空间图集已成为全球事务所的标准方法。CAD技术使得工程师从烦琐的绘图作业中解放出来，大大提高了效率。CAD最重要的一个功能是它的虚拟现实功能，可以直观的反应和模拟建筑的外观，结构，以及在不同外力作用下的效果。在国家大剧院的设计中，太原理工大学土木系结构分析工作站，采用ANSYS软件成功地对中国国家大剧院进行了结构分析。验证计算内力、多种载荷组合工况下的变形、结构抗震分析以及验证结构设计的合理性与可靠性。
和工业化大生产相适应，土木工程也经历了一个标准化规范化的过程。现在土木工程的规范化和标准化已经达到了相当的高度，不仅仅完成了单位和术语的统一，也形成了一整个由行业规范和国家强制标准共同构成的标准体系。统一的标准和规范使得技术资料有更大的通用性，同时也保证工程设施的可靠性。现代土木工程的建设，尤其是大型基础设施的建设，牵涉到社会的各个方面。对社会产生巨大的影响，包括经济的，政治的，甚至思想观点的影响。广泛的社会协作是现代土木工程的一个重要特点。小到一个城市道路岔口的改造。大到三峡工程这样的世纪工程，都体现了社会对土木的影响，有协助也有干预。从工程建设的规划，立项，预算到建设过程，社会力量广泛的参与其中。同时工程自身也会对社会影响产生回馈。工程对资金，材料，设备，人员的要求，工程对周围环境的影响，工程建成后使用过程中的经济，环境等问题，都不仅限于土木工程技术本身。
在可以预见的将来，土木工程工程技术理论的核心部分仍然是力学，新的分析方法和新的数值处理方法将是土木工程中力学的突破方向。在对复杂结构，流体介质等情况下的受力分析和近似上，现有的方法仍然具有很大的局限性。更加专门化的数学在将来也应该有很大的发展，用以处理土木工程技术中复杂的数值问题。更先进的电子计算机的应用，使得对复杂的情况的模拟更有把握，更接近于现实。力学也会突破宏观框架，向微观发展，控制论，虚拟现实等技术也在力学中加深影响。
信息化的特点将更深的渗透到未来的土木工程中，重点是但又不仅仅限于CAD方面，也对工程进度的管理。运行中数据资料的收集，分析，整理。对建筑物结构，强度，可靠性的分析和相应对策的决策等。这些也是主动控制和智能化实现的基础。全过程信息化对今后的土木建筑构造物的维护有很大的意义。我国现在正是基本建设的。信息化也成为专家系统技术的基础。程序的解题能力不仅取决于它所采用的形式化体系和推理模式，而且取决于它所拥有的知识。要使一个程序具有智能，必须向它提供大量有关问题领域的高质量的信息输入。
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关键词： 普通高校 材料学专业 大学物理课程 教学改革
物理学是最基本的、包罗万象的一门学科，它对整个科学的发展有着深远的影响。物理是材料学发展的基础，材料学的发展离不开物理，最新的研究方向更是从偏重化学试验转向偏重物理分析。因为物理学在所有现象中起着基本的作用，许多领域的学生都要学习物理学。大学物理课程不仅可以提供物理学的基本内容，而且可以训练学生的实验、计算、逻辑思维等方面的能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。可由于课时限制，大部分学生无法在课堂上完成全部的大学物理内容的学习，无法有效建立起比较完整的物理思想。因此，有必要对现有的课程体系和教学内容作出调整、压缩、补充，进一步提高普通高校的教育质量。
1.普通高校大学物理教学现状分析
1.1学生缺乏学习动力
当今社会功利主义思想盛行，大部分学生在学学物理时，不能理解其重要性，认为专业和以后的工作都与大学物理没什么联系，只为拿到学分勉强学习。上课不认真、学习其他课程甚至逃课，课后抄袭作业甚至不写作业，考试时作弊等现象比比皆是。
1.2教材更新速度慢
目前，大部分学校使用的教材都是沿用上个世纪的教材体系，只添加少许现代科技发展的简介，缺乏足够的吸引力，太多的内容与现在日益减少的课时存在矛盾。
1.3对各学科内容无差异
现在，绝大部分学校在安排大学物理课程时，都是由物理系统一安排，对各专业、学科不加区分，让学生无法体会本门课程与自身专业的联系，从而无法激发学生的学习兴趣［1］。
2.普通高校材料学专业大学物理教学改革的探索
2.1普通高校材料学专业大学物理教学改革的主要依据
材料学的发展离不开物理。材料学离开物理就会走入歧途，物理学不仅对现有材料学问题有着指导性作用，而且能影响材料学朝着梦想不到的方向前进。
相对而言，材料学学习更加枯燥、深奥，缺少趣味性，强调的是抽象思维和实践结果；而物理则形象、系统得许多。大学物理解决的问题相比中学时所学的更实际，大部分是为解决日常生活中常见的现象、问题。少了对数学公式的严密证明，主要是要了解公式的物理意义及其实用性，因而更有趣味性，更能激发学生的学习兴趣。
现在大部分物理老师把物理当数学来讲，将物理本身的趣味性全部丢弃，而着重于物理规律内在的联系和整个物理体系的严密性，无法充分调动学生的主观能动性，达不到好的教学效果。材料学专业的同学相对其他专业的学生，要求对物理学工具掌握得更好，并有一定的逻辑推理能力，所以讲课时可以更注重对物理现象的描述、分析，并由此建立方程的物理过程的讲解，而对具体解题过程弱化处理，帮助学生建立一定的物理思想，能用物理学工具解决材料学问题。
2.2普通高校大学物理教学改革的具体建议
我结合教学经验，建议针对材料学专业学生将大学物理课程内容做如下补充和调整。
2.2.1数学篇。
在课程开始前，要补充相关数学知识。材料学专业的学生，一般大学物理开得早，高等数学还没有学完整，而大学物理课程是建筑在高等材料学基础上的，在物理课前补充说明相应的数学知识是很有必要的。否则学生们在理解问题的物理过程时，会因为数学知识不足而不能理解整个解题过程，教学效果也会很不理想。
这部分知识主要是重建微元概念及矢量模式。与纯数学不同，物理中的数学公式、变量更强调物理意义，一些量可以存在于数学中，却因为没有物理意义，必须在物理问题中舍去。最简单常见的就是物理中一般是不存在负数时间的，但数学中却允许它存在，在介绍微元概念时要区别于数学中的概念，强调它们的物理意义。在建立方程时更要关注是否有物理意义，方程两边量纲是否一致，等等。
另一个要重建的就是矢量概念，数学中矢量重点在于代数结果，忽略了方向问题。物理课前要重点强调矢量运算时结果的方向变化。
2.2.2力学、狭义相对论篇。
力学部分知识是经典物理的基础，也是同学们在高中阶段有所了解的部分，但大学物理增加了知识容量，可以解决一些更加实际的问题。这部分知识的重点在于物理概念的由来、原始定义、使用范围。利用物理规律，大部分现实问题可以通过建立合适的数学模型得以解决。对材料学专业的同学，更多练习要利用原始概念通过微积分计算物理量，而对各种守恒规律简化计算的练习可适量减少。
除了传统的内容外，对材料学专业的同学可以适量补充流体力学、材料力学的内容，让同学们熟悉矩阵运算的方法。
而狭义相对论与材料学关系不大且难以理解，可略去不讲。
2.2.3光学篇。
通用教材中力学部分大都包括振动、波动内容，介绍完这部分可以直接讲解光学内容。因为力学部分补充了大量内容，按一般习惯讲解热学部分或是电磁学部分，课时不够，讲解不充分，效果也不好。尤其对材料学专业学生，热学部分是需要重点介绍的，涉及概率统计的内容，如果放在第一学期是讲不完的，到第二学期再接着讲学生大都忘得差不多了，所以不如先讲解光学部分，可以完整讲完，这样有助于学生建立比较完整的概念体系。
此外，在波动部分大部分教材都没有涉及波速的问题，而材料力学牵涉到波速的问题，所以应该对波速只取决于介质本身性质，而与其传递的振动无关做一个简单的推导。
对材料学专业的学生，光学部分应着重介绍光谱分析与应用方面，并对最新的材料检验手段及其基本原理稍做介绍。
第一学期包括上述三个部分的内容，重点在于让学生们理解物理定义，掌握各定义、定理、定律之间的逻辑关系，了解抽象的材料学公式中蕴含的物理意义，培养学生的物理思维能力，能对实际问题提出其中包含的物理过程并寻找物理解释。
2.2.4热学篇。
帮助学生理解概率统计在科学研究领域的作用。在微观领域，由于参与的粒子量巨大，已经无法利用分析单个粒子的物理性质再外推到整个系统的传统做法，必须用到统计概念，理解大量的偶然性中蕴含的必然性，看到完全无规则的微观粒子却在系统的宏观层面显示出了稳恒的现象特征。
在介绍热力学第一定律时补充焓的概念，介绍热力学第二定律时补充熵的概念，因为熵与焓都是材料学中常用的表征材料特性的物理量。
2.2.5电磁学篇。
电磁学体系相对完整、严密，可在数学上完成推导并严格证明。讲解时要避免上成数学课，必须强调物理概念、过程、思想。同时要说明所有的规律不仅是推导出来的，而且是经过实验证实的，要简要介绍对应的实验方法、仪器、结论，并要看到数学工具对物理学发展的积极作用――有时可以预测还没被发现的物理现象、规律，可以应用到以后的材料学研究中。但这部分内容整体上与材料学关系不太密切，可以略讲，留出时间讲解量子力学部分。
2.2.6量子力学篇。
这两部分内容相对材料学专业学生关系重大，且内容复杂，如时间不够，可仅介绍其基本思想、理论、方法，以及具体应用；如果时间充裕，最好可以系统、详尽地介绍量子力学及原子物理初步的知识，引入一部分固体物理的内容，着重介绍分析问题的方法、步骤，对材料专业的学生更有帮助。
普通高校的学生学学物理的主动性一般，大部分学生还是沿用高中时期的学习方式跟随老师的课堂教学学习。大学物理课程内容多，无法对学生一一详细介绍。为保证一定的学习效果，必须对课本内容有所取舍。因为什么都教的结果必然是学生什么都学不会，不如大胆取舍，让学生对所教授的内容有系统的、深入的了解。
参考文献：
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关键词：图形实时绘制自然景物仿真
计算机图形学(ComputerGraphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。本文将介绍计算机图形学的研究内容、发展历史，应用和图形学前沿的方向。
1计算机图形学的发展简史
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风号—(Whirlwind)计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似示波的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。在整个50年代，只有子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期并称之为：“被动式”图形学。1963年，伊凡•苏泽兰在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文，它标志着计算机图形学的正式诞生。此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，计算机图形学的建立意义重大。
2计算机图形学的应用
2.1计算机辅助设计与制造
CAN/CAN是计算机图形学在工业界最广泛，最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程，机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统，产品和工程的相关图形进行人—机交互设计和修改，经过反复的选代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板，电子线路和网络分析等方面的优势十分明显。在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已成为CAD领域最热门的课题之一。现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域，相关过程，相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。
CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类，综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关素，从而实现形体的重建。
2.2科学计算可视化
目前科学计算可视化广泛应用于医学，流体力学，有限元分析，气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化。当我们做脑部手术时，可视化技术技术将医用CT扫描的数据转化成图象，使得医生能够看到并准确的判别病人的体内患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。我们利用了可视化技术。天气气象站将大量数据，通过可视化技术转化成形象逼真的图形后，经过仔细的分析就可以清晰的预见几天后的天气情况。
2.3图形实时绘制与自然景物仿真
重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制主要是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等。在自然景物仿真这项技术中我们需要过行消除隐藏线及面、明暗效应、颜色模型、纹理、光线跟踪，辐射度等工作。这其中光照和表面属性是最难摸拟的。而且还必须处理物体表面的明暗效应，以便用不同的色彩灰度来增加图形的真实感。自然景物仿真在几何图形、广告影视、指挥控制，科学计算等方面应用范围很广。除了建造计算机可实现的逼真物理模型外，真实感绘制还有一个研究重点是研究加速算法，力求能在最短的时间内绘制出最真实的场景。
2.4计算机动画
随着计算机图形和计算机硬件的不断发展，计算机动画应运而生。事实上动画也只是生成一幅幅静态的图象，但是每一幅都是对前一幅小部分修改，如何修改便是计算机动画的研究内容，这样，当这些连续播放时，整个场景就动起来。
早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称作“关健帧”，连续播放时2个关健帧就被有机的结合起来了。计算机动画内容丰富多彩，生成动画的方法也多种多样，比如基于特征的图象变形，二维形状混合，轴变形方法，三维自由形体变形等。近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的计算机动画生成方法。这是一种崭新的方法，该方法大量运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。然而要真正到达真实运动是很难的，比如人的行走或跑步，要实现很自然的人走路的画面，计算机方程非常复杂和计算量极大，基于物理模型的计算机动画还有许多内容需要进一步研究。
2.5计算机艺术
用计算机从事艺术创作，计算机图形学除了广泛用于艺术品的制造，如各种图案、花纹及传统的油画、中国国画等。还成功的用来制造广告、动画片甚至电影，其中有的影片还获得了奥斯卡奖。这是电影界最高的殊荣。目前国内外不少人士正在研制人体模拟系统，这使得在不久的将来把历史上早已去世的著名影视明星重新搬上新的影视片成为可能。这是一个传统的艺术家无法实现也不可想象的。
