水动力学案例库建设及教学实践

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［摘要］案例教学法作为一种“行为引导式”的教学形式，在计算水动力学教学行动中起到积极作用。围绕“由浅入深、循序渐进、深入浅出、由表及里”的教学目标，构建全方位、多层次的计算水动力学案例库，并开展了案例教学。教学实践表明，案例教学法充分融合了理论知识与实践工作，激发了学生学习兴趣，加深了学生对课程知识的理解和掌握，提高学生分析问题和解决问题的能力，帮助学生掌握和具备工程实践和科研工作的基础技能。

［关键词］计算水动力学；案例库建设；案例教学

一、引言

案例教学法是一种“以案例为主线、教师为主导、学生为主体”的教学方法，将被动的教学模式转换为“行为引导式”教学形式，根据教学目标，构建典型的课程教学案例库，围绕“案例与理论”展开教学行动，进而优化整个教学过程。通过案例与理论结合，用理论知识指导实践，在实践中创新和改进，开阔学生视野，促进学生主动参与，提高探索和解决问题的能力。案例库建设及案例教学实践的教育理念在各学科领域教学行动中均可起到重大的作用[1]。近二三十年来，随着计算机的出现和现代信息技术的发展，已可用计算机数值求解流体力学中各种各样的问题.这样就构成了流体力学的另外一个分支———计算水动力学[2]。计算水动力学水利类、环境类等专业研究生重要的学科基础课。该课程以数学模型和计算机模拟为基础，对水利工程中各种水流、海洋、水环境污染，水资源等问题用数学方程进行描述，模拟以水体为载体的物质传输过程，解决理论问题或实际工程等问题，是一门主要利用计算机进行实验的课程[3，4]。目前计算水动力学的数值模拟计算，在非恒定流、渗流、自由面溢流、粘性流与紊流模拟等方面都取得了较大的进展，与物理模型相比，它具有省钱，省时，不受模型比尺限制，应用面广，适用性强等特点。由于本课程与工程实践和科研工作联系十分紧密，在教学行动中结合授课教师的科研工作或引入实际应用案例，将理论与实践相结合，利于学生掌握理论知识，明晰这门课程的意义与本质，提高学习实践的积极性，对学生今后进行工程实践和科研工作具有重要意义。因此，有必要在计算水动力学这门课程中引入案例教学法，以加深学生对课程理论内容的理解与掌握，并加以应用。

二、计算水动力学案例库建设与教学实践

（一）案例库建设。以计算水动力学的课程内容为主体，剖析工程实践和前沿课题中的基础理论，围绕“由浅入深、循序渐进、深入浅出、由表及里”的教学目标，对具有代表性和典型性的案例加以重组和改进，构建全方位、多层次的计算水动力学案例库。案例应与课程内容直接相关，涵盖课程内容的多个知识点，兼顾课程内容重点和难点，多方面、多角度地将理论学习与实践应用结合起来，帮助学生深入理解、深刻把握、深化领会，起到巩固和强化理论学习的作用。（二）案例教学实践。针对计算水动力学课程内容中的重点和难点问题，引入案例并组织学生进行分析和讨论，从案例出发，有针对性地讲解工程实践和科研工作中的各种理论问题，结合数据资料和目标要求建立数学模型，根据案例特点选取适当的数值计算方法对数学模型进行求解，并对结果进行分析、讨论，探寻案例背后的本质和物理意义，重新认识课程的研究理论和学术价值。计算水动力学的大部分理论知识，都可结合案例库开展教学行动。比如，对于计算水动力学中的一维河网数值模拟计算，引入三峡库区干支流的一维河网非恒定流数值计算案例[5]，结合课程内容注重讲解案例中的圣维南方程及其数值计算方法、汊点处理、初始条件设定、上下游边界条件处理等问题。对于二维非恒定流和溃坝水流数值分析问题，引入峡山水库溃坝洪水的演进过程案例[6]，结合课程内容注重讲解案例中的二维非恒定流浅水方程及其数值计算方法，最大溃口流量、溃坝流量过程线的计算、河段网格结构、初始条件设定、上下游边界条件处理等问题。对于水利、环境、海洋工程中的紊流模拟，引入底坎紊流分离流计算案例[7]，结合课程内容注重讲解案例中的标准模型和雷诺应力模型，连续方程和雷诺时均方程，初始条件设定、进口边界、出口边界、固壁边界和自由表面边界处理等问题。在建立案例模型后，引入案例的自编软件，通过程序源代码加深学生对理论和计算方法的理解。同时，可以设定不同的情景条件和要求利用不同的数值计算方法进行求解，比较不同情景条件下的水流特性，分析不同计算方法下的结果差异。这样，将案例拆分重组，不仅可帮助学生多角度地理解课本中的理论知识和案例中的常见问题，还可启发学生对源代码进行完善和改进。通过案例教学将课本知识和工程实践结合在一起，学生不仅可以深入理解课本中的理论知识，还可以深入领会理论知识的实际作用和意义，提高学习兴趣和科研实践能力。（三）案例教学实践检验。为了更好地提高计算水动力学的教学质量，需要对案例教学实践进行检验。通过学生的学习状态、学习效果，源代码的修改、完善和改进，结果的讨论和分析等情况，判断学生对于本课程的学习兴趣是否浓厚，是否理解抽象的理论知识，是否将理论知识联系到工程实际中去，以此对案例教学效果进行评定，对不足之处加以改善，对欠缺部分进行补充，为下次课堂教学提供参考。实践表明，案例教学法和计算水动力学课程契合度很高，可以把课本中抽象的物理方程具体化、形象化、通俗化，便于理解和接受，让理论回归实际，让认识走向实践，充分提高了学生理解问题、分析问题、解决问题的能力，掌握和具备了工程实践和科研工作的基础技能。通过以学促练，以练促学，在学习与实践上做到相辅相成，使学生学会真本领。

三、结语

“计算水动力学”已经广泛应用于各个科学技术领域，学生通过课程学习应掌握这门课的理论知识和基本技能，并具备加以应用的能力。通过案例库建设及案例教学实践可以进一步提高教学质量，选取有代表性和典型性的案例，将理论学习与实践应用结合起来，将知识点落细、落小、落实，可以帮助学生学深悟透、融会贯通，培养浓厚的学习兴趣和严谨的科研实践能力。

参考文献

［1］田立江,张洁,何士龙,等.案例教学法在工程类课程教学中的实践［J］.西部素质教育,2017(24):151-152,167.

［2］郑邦民,赵昕等.计算水动力学［M］.湖北:武汉大学出版社,2001.

［3］戴昱,汪德爟,丁全林.“计算水力学”课程构建与教学模式研究［J］.中国电力教育,2012(17):68-69.

［4］周雪漪.计算水动力学［M］.北京:清华大学出版社,1995.

［5］彭杨,张红武.三峡库区非恒定一维水沙数值模拟［J］.水动力学研究与进展(A辑),2006(3):285-292.

［6］彭杨,峡山水库水利模型研究阶段报告［R］.华北电力大学,2014.

［7］鲁俊,王玲玲.几种紊流模型在底坎紊流分离流计算中的对比［J］.水科学进展,2009(2):255-260.

作者:彭杨 张尚弘 张成 单位:华北电力大学