針對建筑類研究生的計算流體力學課程建構研究
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摘 要：文章結合教改項目的實施，確立了建筑類相關學科計算力體力學研究生課程“為工程服務”和“理論與實踐并舉”的教學原則，介紹了在課堂教學內容組織、教材建設和實踐環節等方面的有益探索和實踐。通過推行“項目”考核方法，全面提高建筑類研究生的學習興趣與教學效果。
關鍵詞：計算流體力學;教學方法;虛擬仿真教學平臺;課程考核
作者簡介：劉京，哈爾濱工業大學建筑學院教授、博導，研究方向為建筑環境相關研究;郭亮，哈爾濱工業大學環境學院;王昭俊，哈爾濱工業大學建筑學院;冷紅，哈爾濱工業大學建筑學院。（黑龍江 哈爾濱 150090）
基金項目：本文系2017-2019黑龍江省高等教育教學改革項目“市政環境虛擬仿真實驗教學模式探索”（項目編號：SJGY20170649）的研究成果。
中圖分類號：G643 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2019）03-0028-03
隨著計算機硬件、軟件功能的飛速提升和計算算法的發展，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，以下簡稱CFD）目前在所有與流體相關的學科，如物理學、天文學、氣象學、海洋學、宇宙機械、機械、土木與建筑學、環境學、生物學等領域內得到了廣泛的應用。很多相關學科開設了以CFD為教學內容的研究生課程，積累了大量的教學經驗和成果，反過來又推進了計算流體力學的普及發展。[1][2]
CFD模擬越來越受到建筑類相關學術界和工程界的重視。[3]但近年來出現了令人憂慮的趨勢，一些CFD使用者只是簡單地把CFD商用軟件作為“傻瓜型”的計算工具來使用，對CFD的基本理論和應用原則缺乏必要的認識。因此，針對建筑類相關學科開設有針對性的CFD模擬研究生課程就顯得十分必要。
一、教學難點
筆者自2009年起為哈爾濱工業大學本部供熱、供燃氣、通風及空調學科（下文簡稱“暖通”）開設并主講“計算流體及數值模擬技術”，2012年起為哈爾濱工業大學深圳研究生院建筑學與城鄉規劃學科開設并主講“城市區域熱氣候與風環境CFD模擬”，自2013年起為哈爾濱工業大學本部建筑學、城鄉規劃學、風景園林學等學科開設并主講“建筑物理環境模擬”等研究生課程。教學實踐表明，與暖通等工科色彩更鮮明的學科相比，針對建筑類相關學科開設CFD課程存在一些特殊的困難。主要包括：
1. 知識基礎差異大。哈爾濱工業大學建筑學及建筑環境與能源應用工程專業的部分本科課程開設情況的不完全統計對比如下：
?。?）數學類基礎課程。建筑學：文科數學I、II（計96學時）。建筑環境與能源應用工程專業：微積分I、II，代數與幾何、概率論與數理統計（計288學時）。
?。?）物理類基礎課程。建筑學：無。建筑環境與能源應用工程專業：大學物理I、II，大學物理實驗（計185學時）
?。?）力學類專業基礎課、專業課。建筑學：建筑力學與結構、建筑物理（熱）（計104學時）。建筑環境與能源應用工程專業：工程流體力學、工程熱力學、傳熱學（計208學時）;其他所有相關專業基礎課、專業課（計408學時）。
?。?）計算機類課程。建筑學：大學計算機—計算思維導論（計32學時）。建筑環境與能源應用工程專業：大學計算機—計算思維導論、C語言程序設計、暖通計算機應用實踐（計136學時）。
?。?）制圖、設計類課程。建筑學：計1120學時。建筑環境與能源應用工程專業：計56學時。
可以明顯看出，兩個專業的課程體系完全不同。這意味著暖通學科學生具有更扎實的數理和計算機理論基礎，同時絕大多數專業基礎課及專業課都在不斷強化與建筑環境、設備相關的物理概念和運算能力。另一方面，建筑類相關學科的學生更側重于培養解決復雜多元的建筑設計問題的能力，藝術、人文氣息更為濃厚，但數理及數值計算的理論基礎相對薄弱，除了建筑物理課外，對于建筑環境及能源問題的分析更多來自直觀感受，缺乏更深層面的知識儲備。
2. 課程內容與課時之間的矛盾。由于研究生課程學時總數的限制，筆者承擔的“城市區域熱氣候與風環境CFD模擬”和“建筑物理環境模擬”課程均只有16學時。而CFD模擬作為揭示和預測復雜湍流流動內在規律的學科，本身有著嚴謹的理論支撐和豐富的實踐內涵，相關的教材、文獻汗牛充棟，在如此短的教學周期內對CFD進行充分講解并使缺乏相關知識基礎的學生掌握正確的使用方法幾乎是不可能完成的任務。如何精心地挑選課程內容，在有限的時間內讓學生學有所得，是本課程面臨的最大挑戰。
二、課程建設原則
1. 為工程服務原則。對于建筑類相關學科的學生來講，最關心的是如何用CFD手段來解決本領域的工程實際問題，一般不會深入討論CFD的數值理論以及湍流的內在機理。所以，最重要的是培養學生在進行CFD模擬時所需要的正確的工程概念，對計算流體力學理論的介紹要提綱挈領，能夠宏觀了解即可，不追求面面俱到。但另一方面，對計算流體力學所依賴的核心理論又不能完全回避。如果完全不講理論，則學生在將來實際應用時無法對模擬結果進行科學合理的解釋和分析。
2. 理論與實踐并舉原則。目前CFD商用軟件在工程界發揮著越來越大的作用，是利用CFD來研究建筑環境問題，提出改善建筑環境設計方法的強有力工具。雖然總體課時極為有限，仍然有必要通過實踐環節的有效設置，結合具體案例，讓學生初步掌握CFD商用軟件的基本操作技巧，以及利用商用軟件進行CFD模擬的大致流程，以便于將來的科研工作和工程實際應用。
三、課程建設思路與方法
基于上述課程建設原則，筆者提出了建筑類相關學科計算流體力學課程的建設思路和方法，具體如下：
1. 課堂教學內容組織。課程分為課堂教學和上機實踐教學兩部分。課堂教學共計13學時，首先是計算流體力學的背景知識介紹，包括增加了少量講解CFD所必須的本科流體力學知識，如流動性、湍流、繞流阻力等的基本概念，注意教學的深入淺出，用圖片、視頻等方式提高內容的趣味性。其次，挑選出進行CFD模擬最為關鍵的知識環節，包括湍流計算模型、網格劃分、邊界條件、離散方法、迭代求解和誤差分析等進行較為系統的介紹。講解時盡可能做到：①突出主線，如湍流計算模型有很多種，每一種的建模思路和適用性都不盡相同。②淡化各環節的理論部分，如一般CFD教材中，關于離散處理部分會涉及到有限體積法的數學推導、空間和時間微分項中各種離散格式的數學表述和性質分析等，內容比較抽象枯燥。③精選出建筑熱環境、空氣品質、建筑外環境等前人文獻中的經典研究案例，結合之前的學習內容，從問題的導入、CFD模擬過程到模擬結果分析予以較為細致地解讀，在有限的教學時間內加強學生對CFD模擬知識的掌握，同時提高對建筑環境問題的分析能力。 2. 教材建設。課程的教學效果在很大程度上依賴于教材的幫助。結合自身的實際教學經驗和學生反饋意見，編寫了研究生教材《建筑環境計算流體力學及其應用》，由哈爾濱工業大學出版社出版，該教材被列入“十二五”國家重點圖書出版規劃項目。該書的特點是前半部分對CFD計算原理和計算方法進行了簡明扼要的介紹，后半部分通過大量與建筑環境相關的具體案例，系統介紹了利用商用CFD軟件模擬的正確操作方法以及CFD在建筑環境領域的應用。
3. 實踐平臺建設與應用。3學時的上機實踐環節在哈爾濱工業大學市政環境國家級虛擬仿真實驗教學中心進行。該實驗教學中心在借鑒國外經驗的基礎上，充分考慮國情和專業特點，綜合利用互聯網、將多屏顯示、圓桌體驗、可移動終端、人機交互、情境感知等技術手段有機組合，建設成虛擬仿真專用實驗場地。其特點是融教室和實驗室的角色于一體，營造出以學生為主體，激發主動學習興趣、強調分工合作、啟發與創新并存的新穎虛擬仿真實驗教學環境。
4. 課程考核。本課程采用“項目”考核方法。設計了四種典型的建筑環境模擬案例，再加上湍流計算模型、邊界條件等的不同組合，可實現一人一項目。學生利用課余時間按3.2節所述教材第4章《建筑環境CFD軟件模擬》的詳細講解，在規定期限內完成模擬任務并參考實際項目要求撰寫研究報告。學生還可通過虛擬仿真實驗教學中心的實驗管理平臺與任課教師、助教進行在線答疑等互動，進一步提高學習質量。
四、結語
針對建筑類相關學科開設計算流體力學課程是一項具有挑戰性的教學探索。由于課程理論性強、概念抽象、教學內容相對枯燥，同時又緊密結合現代計算技術，對學生的計算機軟件操作能力要求也較高，對于數理基礎相對薄弱的建筑類研究生掌握難度很大。筆者所在教學團隊結合自身教學經驗及教改項目的實施，在該課程教學體系、教學內容及教學方法、教材等方面進行了有益的改革和實踐，同時充分利用虛擬仿真教學平臺、加強實踐環節，采用“項目”考核辦法，全面提高學生學習興趣，提高教學效果。
參考文獻：
[1] 王福軍，周凌九，嚴海軍.計算流體力學課程教學改革與實踐[J].高等農業教育，2005，（11）： 65-66.
[2] 李強，章大海，許偉偉，周昌靜.基于工程實踐能力培養的計算流體力學課程教學改革實踐與探索[J].化工高等教育，2017，34，（1）： 36-40.
[3] 郭衛宏，劉驍，袁旭.基于CFD模擬的綠色建筑自然通風優化設計研究[J].建筑節能，2015，（9）： 45-52.
責任編輯 郝 嬋
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