流體力學的常用研究方法范文

導語：如何才能寫好一篇流體力學的常用研究方法，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：流體力學；教學模式；改革

作者簡介：楊衛波（1975-），男，湖北安陸人，揚州大學能源與動力工程學院，副教授；毛紅亞（1976-），女，湖北天門人，揚州大學財務處，會計師。（江蘇 揚州 225127）

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

“流體力學”作為土木、機械、能源、動力、環境、化工等學科的一門主干技術基礎課程，由于其理論性強、概念抽象、方程繁瑣、難以理解與記憶，導致學生學習的難度較大，從而影響教學進程和專業人才培養的質量。因此，如何針對“流體力學”課程自身特點，結合專業建設目標，探索出一套新的適合各專業培養目標的流體力學教學模式具有非常重要的意義。本文結合工科院校學生的實際情況及筆者教學實踐與體會，從教學內容、教學方法及考核方式三方面對流體力學教學模式改革進行了深入的探析。

一、教學內容

1.教學內容的選擇

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

2.教學內容的編排

要合理編排教學內容就必須使教材結構化、一體化，以使構成教材內容的各要素具有科學、合理的邏輯關系。目前，國內“流體力學”課程的教學體系一般包括流體靜力學、流體動力學（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象等。每部分內容既獨立，同時各部分之間又有相互的聯系。為了使學生容易學習，可以按照流體力學實際應用路線由簡單到復雜的方式來編排教學內容。如可以從最簡單的流體靜力學部分開始，因為靜力學部分中學物理中已講授，生活中很常見，學生容易接受。由于靜止是相對的，運動才是絕對的，自然界流體應用中更多的是運動著的流體，讓學生明白這個道理后很自然將教學內容過渡到流體動力學部分，從而可提高學生繼續往下學習的興趣。在講述流體動力學部分時，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了阻力損失項，這樣就很自然將內容過渡到流動阻力損失計算這一部分內容。由于生活中的復雜管路往往是由簡單管路串聯與并聯而構成，因此，復雜管路的水力特性（流量、阻力等）需要確定，這樣就可以根據流體力學實際應用需要將內容由阻力損失部分轉移到孔口管嘴管路流動部分。最后，根據各專業培養需要，選擇適合的特殊流動現象內容進行講解，以加強流體力學的實際工程應用。這種以流體力學實際應用路線由簡單到復雜作為主線的教學內容選擇模式，內容組織層次感較強，講起來更加引人入勝和重點突出，教學過程相對簡化。

3.教學內容的彈性化

教學內容彈性化有兩個方面的含義：一方面要根據每屆學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，以滿足學生多樣化的學習需要。另一方面是要根據時代的發展，不斷更新教學內容，以適應最新科技發展的需要。[2]例如在“流體力學”教學過程中，為了讓學生更容易接受，可以刪去大量的數學公式推導，如流體連續性方程、動量方程、能量方程的推導等，這些內容對于學生是否掌握流體力學基本知識并無影響。又如，對于不同的學生群體，應根據學生今后的定位不同選擇適當的教學內容，對于高職高專的學生，由于其畢業后大多數要走出校門從事實際工作，因此，在講述時應側重于流體力學實際應用方面的知識。而對于普通本科院校的學生而言，畢業后有相當一部分的學生要繼續從事相關的研究工作（如考研等）。因此，應加強學生流體力學理論方面的教學與培養，以提高學生將來的研究能力。隨著時代的發展和計算機的普及，將計算機用于求解流體力學問題的計算流體力學已越來越顯示出其重要的作用。所以，流體力學教學中，適當介紹當今常用的計算流體力學商業軟件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以擴充學生的知識視野，為今后有意繼續深造的學生提供鋪墊。

4.教學內容與工程實際相結合

興趣是最好的教師。教育心理學[1]的研究表明：當學習內容與學生已有的知識和生活實際相聯系時，才能激發學生學習和解決問題的興趣。因此，在流體力學教學過程中，應結合專業目標盡可能多地介紹流體力學廣泛的工程應用背景，引導學生提高自主學習流體力學的興趣和積極性。如在講述流體靜力學中液體作用在曲面的總壓力計算時，可以介紹1998年特大洪水災害長江決堤事件等；在講到流體靜力學中平面總壓力計算時，可以適當引入長江三峽水壩閘門的設計與計算；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，可講述如何測量風管的風量與風壓，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壓風管段的動壓、靜壓及全壓等。任課教師在平時授課過程中，結合專業培養目標適當穿插講述一些發生在我們身邊的與流體力學有關的實例，使學生認識到流體力學在生活及工程中的重要性，激發其學習興趣，以提高教學效果。

二、教學方法

目前課堂授課中常用的教學方法主要有傳統教學模式與以多媒體技術為代表的現代教學模式。傳統教學模式是指教師通過口授、板書完成特定教學內容的一種課堂教學形式，該模式學生容易接受，可以達到預期教學目標。但缺乏創新與探索知識的功能，尤其是在當今知識快速更新的年代，更是面臨嚴峻的挑戰?，F代教學模式是指在課堂教學中引入多媒體技術，通過形象逼真的動畫的運用，生動形象地展示教學內容，從而可以充分發揮學生學習的積極性，使教學方式形象生動，有利于培養學生的思維能力、想象能力和創造能力。

考慮到傳統與現代教學模式各自的優缺點，在流體力學教學過程中應將兩種教學方法有機結合起來。如在講述相關理論公式時，就以傳統的板書教學為主，對公式的推導和例題的講解，用板書的方式條理化，通過板書一邊寫、一邊對學生提問，一邊推導相關公式，讓學生參與到教學中，從而可以加強學生與教師間的互動，激發與調動學生的學習積極性。而在流體力學理論的工程應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的真空現象，從而給學生留下深刻的印象。

三、考核方式

考核的作用主要是了解教師教與學生學的情況，及時發現問題以便改進?？己朔绞降暮侠硇圆粌H能激發學生學習的興趣，同時還可以提高教學效果?！傲黧w力學”作為一門理論性極強的基礎課程，傳統的考核通常采用平時考核與期末閉卷考試相結合的方式，兩者所占比例通常為30%與70%。平時考核主要是學生的出勤率與作業完成情況，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，不僅不能激發學生的學習熱情，在某種程度上還會使學生產生抵觸心理。由于流體力學中有大量的經驗公式和圖表，如阻力系數計算公式與莫迪圖、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，這部分內容的教學要求是讓學生能熟練應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生掌握與應用的內容，放在平時教學中進行開卷考核，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生的出勤率，另一方面，通過平時考核也可以激發學生平時的學習興趣，提高學習效率；此外還可以通過考核及時發現問題，改善教學方法。通過這樣的考核方式，既能激發學生平時的學習興趣，同時還可以提高教學效果，考試結果能較真實地反映學生對本課程知識的掌握和應用能力。

四、結語

教學不僅是一門科學，也是一門藝術。每一種教學模式都有其特定的適用范圍和條件。流體力學作為工科院校相關專業的一門主干技術基礎課，由于其理論性強、概念抽象、經驗公式多，給其教與學帶來難度。如何根據專業特點將其與各專業培養目標進行有機結合，通過教學模式的探索使其教學融入到各專業人才培養中，將是“流體力學”教學模式改革的進一步目標。

參考文獻：

[1]譚頂良.高等教育心理學[M].南京：河海大學出版社，2006.

[2]劉立平，師少鵬.傳熱學課程教學的改革探索[J].高等農業教育，

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關鍵詞：工程流體力學；教學改革；大學；專業基礎課

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

“工程流體力學”課程是以高等數學、大學物理、工程力學、工程熱力學為基礎，集概念、公式、實際應用于一體的一門專業基礎課。該課程基本概念抽象，公式結構復雜，實際應用眾多，尤其在石油行業尤為突出。石油工業中的許多問題都要采用流體力學理論解決，諸如鉆井液循環壓力和流速的設計，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的流動規律分析，地面管線的布設，管徑設計，管線強度的校核，壓差與流量之間關系的確定，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，氣蝕和水擊等現象的預防等。解決這些問題，要求從事石油工程技術的科學工作者必須具備“工程流體力學”知識，以便在石油工程的建設和管理中更好地發揮作用。為了使學生能夠更好地學習掌握該課程的內容，教學環節尤為重要。對如何設計教學環節，本文主要從以下四個方面加以說明。

一、教學由多媒體與板書共同完成

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

由于“工程流體力學”課程，基本概念多、難理解，公式復雜難懂，采用板書邊寫邊講解，給學生留有足夠的時間去理解，去認知，接受起來更容易一些。但是流體本身運動復雜，沒有固定的形狀，在外力作用下，流體流動狀態、流動規律是什么樣的，在板書上表達起來可能不夠準確，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：講工程流體力學的發展史，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，學生很感興趣，還學到了知識，同時也激發了學生的學習熱情，起到了很好的引導效果。

二、將計算流體動力學軟件融入到理論教學中

“工程流體力學”一般采用理論方法、實驗方法和數值計算三種方法研究，其中，數值計算就是使用計算流體動力學軟件計算[2]，是當今比較常用也比較流行的方法。計算流體動力學（簡稱CFD）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。CFD可以看作是在流動基本方程控制下對流動的數值模擬。通過這種數值模擬，可以得到極其復雜問題的流場內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果在屏幕上顯示，就可以看到流場的各種細節；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。數值模擬可以形象地再現流動情景，與做實驗沒有區別。

目前，CFD軟件中比較著名的就是Fluent軟件。所以可以在教學中使用Fluent軟件模擬，給學生展示流動規律和流動結果。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流動規律，同時對流體本身產生無限的向往，對“工程流體力學”課程充滿了期待和興趣，為學生以后學習軟件打下了基礎。

三、實施雙語教學

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，作為一種培養國際化人才的有效手段，雙語教學勢在必行。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，可以加強國內高校和國外高校的教學合作，高校之間的合作項目越來越多，有助于國內外專業領域知識體系的統一和完善；對教師來說，可以促進國內高校教師同國外高校教師的學術交流，國內高校教師可從中了解到很多世界前沿知識，并有效地傳遞給學生；從學生自身來看，打破了語言障礙，學生能夠在專業技術領域內較好地將母語和英語這兩種語言之間根據交際對象和工作環境的需要進行切換，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。雙語教學不僅可以培養學生運用外語解決實際問題的能力，而且有利于學生學習、掌握、精通一門外語（主要是英語），能夠多一種思維方式，學會從多種角度，用不同觀點看問題，進而提升競爭能力，同時也為培養“復合型”人才奠定了基礎。

現今實施“雙語教學”，既符合與時俱進的要求，又能夠提升教學水平，這意味著在教學中實施“雙語教學”勢在必行。在“工程流體力學”專業基礎課教學中改變使用單純母語（漢語）的教學方式，將外語（主要是英語）運用于其教學的全過程之中，使之與母語教學互相融合、互相促進，既體現專業基礎課教學的特色和針對性的同時，又能夠全面提高學生的外語應用能力和綜合素質，使教學更好地適應新世紀人才培養目標的要求。在“工程流體力學”教學中推行雙語教學，使學生在雙語教學課堂中提高英語水平，學會用英語表達專業知識，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。這種教學模式既符合經濟迅速發展對涉外人才基本素質的要求，也符合大學各專業交叉融合的發展方向，是教學改革的重要內容。

根據“工程流體力學”課程的特點，在其教學中可以使用綜合型教學模式。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，專業性比較強的，難于理解的采用過渡型。另外，將一些流體發展的歷史、實例用多媒體教學手段進行授課，達到直觀的效果。

四、注重實驗環節

“工程流體力學”也是一門實驗科學[3]。很多流體力學理論都是以實驗為基礎建立起來的，理論分析得出的結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。因此，實驗是“工程流體力學”課程的重要組成部分，是必不可少的教學環節。它不僅是為了驗證理論，有助于學生學好流體力學，而且是培養學生進行科學研究、提高獨立工作和創新能力的重要環節。

隨著大學教育的普及，受教育的人數迅猛增長，而實驗教學設備與人數增長不成比例，導致教學和實驗的間隔周期較長，使得實驗前，有些學生并沒有做好充分的準備，并且缺乏必要的理論復習，對即將做的實驗相關知識沒概念，致使理論和實驗嚴重脫節，實驗效果不佳。但是對學生的考核僅僅是一份實驗報告，導致有些報告抄襲嚴重，甚至有些學生做實驗，看別人怎么做就怎么做。這樣，學生的動手能力、實踐能力怎么能培養出來？更不用說培養學生的創新能力和發散思維。實驗課是教學的必要環節，也是重要環節，不容忽視。

1.實驗前，回顧與實驗相關的知識點，讓學生在短時間內了解本次實驗和相關理論，這里的相關理論不是本實驗的結論，實驗結論應該由學生通過做實驗總結出來；也可以將本實驗過程錄制成一段視頻，讓學生提前看一下，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，這樣真正自己動手做實驗就不會茫然。

2.由于時間和設備的限制，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律不能面面俱到，這時在實驗教學中應用計算流體動力學軟件演示也會收到很好的教學效果。所以，計算流體動力學軟件不僅在教學中，在實驗中的作用也是顯著的。

3.在實驗課教學改革的同時，實驗課考核的方法也應該相應地加以整改。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生，一方面，考核每個學生親自動手做實驗，邊做實驗邊講解，不僅能夠鍛煉學生動手的實驗能力，語言表達能力相應地也有所提高，為此應該增加實驗教師的人數；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容，以檢驗學生對實驗的理解能力和掌握情況。

為了使學生能夠更好地掌握“工程流體力學”課程的內容，教學需要改革，這就要求當代大學教師不斷地嘗試、不斷地探索新的教學模式，充分調動學生的學習熱情。本文針對“工程流體力學”這門專業基礎課程的特點，提出了幾點教學建議，希望對工作在一線的流體力學教師有點幫助。

參考文獻：

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

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關鍵詞：全英文課程；計算流體力學；課程建設；研究生

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

一、引言

伴隨著經濟全球化潮流，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秀學生的能力[1]，進一步會影響到所在國的科技水平和國際形象。因此，全英文教學逐漸成為我國高校研究生教學改革的重點[2]，并有制度化和常態化的趨勢。在這種背景下，中國石油大學（北京）作為唯一一所教育部直屬的石油類高等學府，已將國際化辦學提升到了學校發展戰略的高度[3]，相繼出臺了聘請外教、接收來華留學生、提升教師國際化水平、推動全英文課程體系建設等一系列舉措。作為這一體系中的一環，計算流體力學全英文課程在中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院的大力推進下已作為該院的第一門全英文課程開設起來。計算流體力學被選為機械與儲運工程學院的第一門全英文課程與其學科特點有關。該院的油氣儲運工程、熱能工程等專業無論在基礎研究和工程應用方面都或多或少需要用到計算流體力學，且隨著研究生培養質量的提高，研究生參加國際會議、發表高水平國際期刊論文、出國聯合培養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領域、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生來說是一大難題，尤其是我國學生長期處于單一漢語教學語境中，到了研究生階段早已習慣了十幾年的漢語教學。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、局限了原創性成果的傳播范圍，也使他們在開會、畢業、出國、就業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”，即使勉力為之也經常詞不達意，難以清晰準確地體現其科研成果的精髓，影響了與國際同行的交流效果。據筆者調查，大多數碩士生會用三分之一甚至更多的時間學習英語，博士生中能夠自如地用英文撰寫科技論文的人數也在少數，即使一些研究生通過了托福、雅思等英語考試，但是當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。

出現上述問題的原因來源于兩方面：一方面，我們給學生提供的教學、科研環境是全漢語的，與專業知識相關的詞匯、概念、原理、定律等都只用中文講授，使得學生在學習時已經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，學生為了通過各種英語水平考試所進行的是泛泛的英語訓練，由于缺乏應用背景，往往是考試結束沒多久學生就把所記的詞匯、語法忘光了，不知道如何把英語用到自己的專業中形成綜合的英語能力?？傊瑢W生在教學、科研、英語這三項活動中做的幾乎是互不相關的三件事。

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

二、“計算流體力學”全英文課程課堂教學分析

為了切實分析出“計算流體力學”全英文課程的初次授課得失，以利于后續改進提高教學質量，僅從教師本身的經驗體會進行歸納是遠遠不夠的，需要來自學生的第一手反饋資料。因此，從課程的時間安排、教學材料的難度和組織、教學方式、考核方式4個方面對學習了該課程的37名研究生進行了問卷調查（選項間可以多選）。調查是采用網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。其中大部分課程均集中在第一年的第一學期。新開的“計算流體力學”全英文課程的時間安排，實質上體現了與已有研究生課程的銜接關系以及學生的接受程度，而從學習者的切身體會去了解最為真實可靠。因此，問卷調查首先從課程的時間安排入手，結果示于圖1中。45%的學生認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%的學生認為時間太緊而影響學習效果。出現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引進外教來講課，外教在國外大學本身承擔了科研和教學工作，因此只能根據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生較快掌握專業英語。這一點從45%的學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論，即從第2堂課開始學生已基本擺脫了第1堂課的完全聽不懂的狀態，掌握了基本的專業詞匯，從第4堂課開始已有較多學生能和教師用英語進行專業知識的簡單交流。另有15%的學生認為安排在第一學期較好因為有利于集中學習，20%的學生認為安排在第二學期較好因為需要一些知識準備。這兩方面其實也是各有利弊。安排在第一學期可以和絕大部分研究生課程同時學習，減輕后續學習和科研壓力；安排在第二學期可以在第一學期已經學習了張量、數值傳熱學等漢語環境的課程后有較為充分的知識準備，有助于提高全英文環境下的學習效果，畢竟對于外語來說，內容本身越熟悉越容易聽懂[5]。

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

在教學材料適應性方面（圖3）主要反映了2個問題：（1）目前的主要教學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知識，沒有針對性和側重點，與課堂教學內容的聯系也不緊密（21%）。針對這兩個問題，需要對教學材料進行重新組織，挑選適合本專業特點的教學材料。

教學方式包括課堂組織形式（圖4）和語言環境（圖5）兩個相互關聯的方面。絕大多數學生對目前的授課形式比較滿意，認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生用英文總結上節課內容，既復習了知識又鍛煉了口語（43%）。這說明學生對全英文授課模式是認可的，并不是僅僅將中文替換為英文的換湯不換藥的形式。具體到語言環境上，39%的學生認為強制全程使用英文，雖然感覺不適應但是避免了對中文翻譯的依賴，直接用英文學習知識更有收獲；26%的學生樂于接受教師邊講課邊書寫的形式，因為聽與看結合起來更易于聽懂和理解教學內容；28%的學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反映出的學生對于提問和強制使用英文的抵觸情緒，教師一方面應堅持原則，另一方面應多鼓勵學生直接使用英文學習與交流，疏解學生的緊張畏難心理。

在課程考核方式方面（圖6），壓倒性的意見（占92%）認為目前采用大作業形式來考核很好，并且大作業題目本身比較靈活，在解決具體問題時強化了學習效果。也有少量呼聲要求在期末大作業之外增加平時小作業（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，增加學習過程考核，可能會收到更好地教學效果。

三、“計算流體力學”全英文課程建設初步意見

基于以上教學調查結果，將學生的反饋意見與教師的授課經驗結合，分析得到了以下課程建設意見：

1.課時安排應緊湊適度?？傮w上該課程應安排在數值傳熱學、張量基礎等課程之后，使得學生在中文環境下預先掌握一定的計算流體力學基礎知識，更有利于向全英文環境的過渡。具體課時安排應既不太緊也不太松，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的專業英語。

2.教學內容應精挑細選。應該結合專業特點，以本專業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PPT的基礎上編寫專門用于這門課的講義和教材。

3.教學方式應去中入西。正因為中國學生長期習慣于中文課堂的講授式教學，不需要與教師和同學進行較多的交流，甚至講臺和課桌分別成為了教師和學生的“堡壘”，才導致容易將這一模式帶入到英文環境的課堂學習中。然而，這一帶入是極其不利的，因為學生面對的是英文和專業知識的雙重困難，如不在課堂上進行充分地交流，學習效果非常有限且專業英文水平無法得到提高，最終必將陷入“英文阻礙專業知識的學習，專業知識反過來阻礙英文的學習”這一怪圈。只有教師首先從自身做起，放棄傳統中式課堂的“上下級”教學模式，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，才有可能讓學生樂于在英文環境下學習專業知識，全面培養專業背景下的英語綜合能力。

參考文獻：

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

篇4

關鍵詞：機械設計;方法原理

中圖分類號：TU74文章標識碼：A

1、設計方法

1.1經驗設計

機械的連接結構、傳動結構和支撐結構等已經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計方法，而不是記憶這些案例的具體結構設計，這是經驗設計中的關鍵。具體的產品設計，例如車床，其結構設計可以參考前人的設計圖紙，這對于提高設計效率，汲取前人經驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經驗，可以吸收他人的結構創新方法，同時也拓寬了自己的設計思路。隨著機械結構數據庫的出現和搜索方式的更新，對他人的相關結構設計的學習將更加方便。經驗知識是結構設計的寶貴財富，也是公司的知識資產。通過對國內外同類型專利知識的學習，也是一條提升自己結構設計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產權?！肮湃藗飨聛淼膶W問，就是裝在船里的貨物?，F在的新潮流、新趨勢，就是行船的風。”在學習他人的結構設計創新點的基礎上，設計者應有自己的革新與發明、自己的創造。

1.2理論設計

機械結構設計的理論方法，討論的是機械結構設計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設計、復合化設計、分級結構設計、載荷均布性設計和變結構設計。隨著結構優化、結構可靠性和概率設計等方面的發展和具體應用，機械結構的理性設計方法也在不斷的推陳出新。

1.3模塊化和組合化設計

一臺機器總體是由提供不同功能的結構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。在復雜的機電系統和設備中，模塊化和組合化的設計理念是有效的結構設計方法，同時也是機械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設計概念；我國的組合化機床的設計在上世紀70年代就已經取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結構單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機器。

1.4復合化設計

復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件來設計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結構的設計就是將兩個凸輪設計成一個零件；一根連桿在組合結構中同時作為兩個或兩個以上機構的結構件。復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品的成本。

1.5分級結構設計

復雜的制造設備是由分級的機械結構組成，大功能層次的結構是由若干個分功能結構組成。層次化不僅是功能樹結構的要求，而且也是制造工藝對結構設計的要求。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組成。復雜機電產品的設計，例如組合挖掘機的設計，集推土機和挖掘機的功能在一起，而共用一個動力系統，在執行系統處分開。層次化結構設計方法在構想分級結構階段，能夠幫助設計者厘清思路，從而找出結構設計的關鍵點，集中解決結構設計中的難點問題。

1.6載荷均布性設計

由于機械結構設計的特點，希望載荷分布均勻，充分發揮材料的機械力學性能或者取得降低最大載荷的目的。例如，修形齒輪的設計、對數滾子的設計，為了取得接觸應力的均布，從而修形零件，實現結構的優化設計。行星齒輪減速器的設計也體現了載荷均布性的設計理念，從機構運動學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，三只行星齒輪的結構設計更好。

1.7變結構設計

機械結構的創新常常采用變結構的方法，變結構可以改變機械結構的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結構設計變為轉動導桿結構設計。變結構可以改變實現功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設計。變結構也可以降低機器的設計成本，例如利用死點的桌面支承設計。

1.8模型試驗設計

相似模型試驗設計。基于機器物理模型的相似，運用相似科學理論，對于大型的機器設備進行模型試驗設計。通過模型結構設計和試驗分析，獲取機械結構的可靠性、并預測機器的工作性能。模型相似的設計方法已在工程領域有廣泛的運用，例如大型水輪機組的結構設計。通過制造大型水輪機組的模型，測試試驗模型的工作性能以及其可靠性等指標，優化水輪機組的結構設計和工作能力。機械結構的設計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發明和新的科學原理的發現，在日新月異地發展，不斷出現新的機械結構設計方法，同時對前人的機械結構設計進行革新。

2、設計原理

機械結構的設計必然要依據技術科學的原理，例如：理論力學原理、材料力學原理、彈性力學原理、疲勞力學原理、流體力學原理、熱力學原理、摩擦學原理、聲學原理、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構設計中的應用，以期總結機械結構設計的常用原理，討論機械結構設計的原理在今后結構創新設計中的可能性。

2.1理論力學原理

理論力學是機構設計的基礎理論，對于機器的運動學和動力學分析，得到的結構必然反映到機械結構的設計中來。例如，軸承轉子系統動力學的設計，其動力學及其穩定性的設計，要求修改軸承的設計和軸的剛度設計。

2.2材料力學原理

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

2.3彈性力學原理

彈性力學分析是零件應力應變計算的基礎，例如滾動軸承中滾子修形的設計，基于彈性力學的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機械零件的結構優化設計中，常常用到彈性力學理論。

2.4疲勞力學原理

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計特征。變載荷下軸和滾動軸承的疲勞壽命設計等工程內容，已經發展成機械零件的概率設計。為了更精確地設計機械零部件，疲勞力學在機械結構設計中會得到越來越多的應用。

2.5流體力學原理

流體傳動和動靜壓軸承等的設計是依據流體力學原理的，流體力學也是機械結構創新的基本原理之一。例如靜壓導軌的設計、動壓滑動軸承的設計，要依據流體的質量守恒定律、平衡原理等，優化設計的結果要求修改導軌或軸承的結構型式和尺寸參數。

2.6熱學原理

熱力學和傳熱學在機械零部件的設計中有很廣泛的應用，導軌的熱精度設計、齒輪和滾動軸承的膠合分析、隔熱結構設計等等。

2.7摩擦學原理

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

2.8聲學原理

在機械系統的噪聲分析和研究中，依據物理聲學的原理及其分析方法，得到噪聲的頻譜和功率譜等分析結果，以指導機械結構的設計，例如低噪聲滾動軸承的設計。今后，可以考慮利用機械噪聲來進行產品設計，例如聲爆彈的設計、信號中噪聲信息干擾的設計等。

3、結語

綜合上述，機械結構的設計涉及的方面比較廣，在設計過程當中需要考慮的地方有很多。需要設計者從實際情況出發，按照設計的基本準則，采用適用設計要求的一些設計方法。

參考文獻：

[1]朱林,陳發,淺談機械結構設計的新思想[J].新疆農機化.2002

篇5

關鍵詞：生化工程；生物技術；計算機技術；過程控制；反應器

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

自上世紀50年代初在國內高校首開發酵工程專業以來，《生化工程》課程一直作為江南大學生物工程專業重點建設的專業基礎課程。圍繞培養實踐型、應用型發酵工程人才，我們在教學中，堅持理論與實踐結合，在教學方法上進行了有益的嘗試。在生化工程的教學過程中，除了圍繞《生化工程》的相關教材講述生化反應動力學與反應器方面的基礎理論外，重點還介紹了最新技術在發酵過程優化與控制以及生化反應器放大中的應用。

一、基于代謝工程和智能工程的集約型發酵過程控制

發酵過程控制技術是利用過程自動控制和系統工程的手段，通過動態調控諸如底物流加速度、通風量、攪拌速度、溫度、pH、操作時間和方式等外部環境因子對發酵過程的性能指標實施優化。發酵過程控制技術可以稱得上是發酵工程的核心關鍵技術。近年來，以人工神經網絡為代表的智能工程技術和以代謝工程為代表的現代生物技術已經逐步、大量地滲入到發酵過程的建模、過程故障診斷和早期預警乃至過程控制與優化等諸多領域。先進的過程控制技術、智能工程技術、代謝工程技術與發酵工程的融合才是現酵過程控制的發展方向和大趨勢。人工神經網絡（artificial neural network，ANN）作為人工智能技術的核心，其固有的學習特性和模擬非線性的能力非常適合發酵過程，目前在發酵工程中的應用相當普遍，在系統辨識、建模、優化、控制等各方面都有廣泛的應用和顯著的效果[1]。神經網絡能由已知的過程輸入得到過程的輸出，從而建立過程模型。

人工神經網絡的廣泛應用主要是由于它具有以下特點：（1）神經網絡具有典型黑箱模型的特性。（2）對于復雜系統，網絡內部各接點間的連接權值包含著對過程輸入、輸出關系的描述，通過選擇一定的網絡拓撲結構和較為方便的學習過程，多層前饋神經網絡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構，從而具有獨特的容錯性和并行計算特點，大量復雜的控制算法能夠得以快速實現，因此可方便地用于多變量控制系統。（4）固有的學習能力降低了系統的不確定性，適應環境變化的泛化能力得到了增加。在估計預測過程中，網絡內部的連接權值的綜合作用即是模型的具體表達，使模型充當了一個逼近真實過程模型的角色。用于網絡的訓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網絡建模效果好壞的主要依據。ANNPR控制策略在控制和優化畢赤酵母生產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階段維持較高的重組畢赤酵母比生長速率，同時避免誘導前甘油的積累，最終提高pIFN-α的產率。除了pIFN-α發酵生產過程，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、發酵過程在線故障診斷和早期預警技術

在實際的發酵生產過程中，僅僅依靠發酵過程的控制和優化并不能確保生產過程中每一批次的高效和穩定。而且一些在線參數測量電極在工業上的應用還不夠成熟。一旦過程參數偏離最優的控制水平，發酵產量就會大大下降，甚至導致發酵徹底失敗。甲醇營養型畢赤酵母是目前應用效果好且用途最廣泛的一種外源蛋白表達系統。它具有許多明顯的優勢，蛋白分泌表達的啟動子受到誘導劑甲醇的嚴格調控，誘導表達的大部分目標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。在發酵生產過程中，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，針對不同的畢赤酵母發酵過程，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，在誘導期如何準確有效地控制甲醇的濃度并保持pH值的穩定是發酵過程控制的關鍵。以前的各種基于神經網絡的故障診斷方法大都基于復雜的數據分析和各種網絡的構建，沒有具體結合發酵過程的特性，菌體的代謝以及生理狀態分析，參數的選擇也沒有針對不同階段的發酵特性，識別的效果相對較差。但是通過對所有的在線數據進行評價篩選，基于對誘導期菌體生理狀態和發酵過程參數的深入研究，提出的基于自聯想神經網絡的故障診斷系統能起到很好的效果[2]。

建立具有故障診斷和早期預警功能的自我聯想型神經網絡AANN大致包括五個主要步驟。首先在正常發酵條件下，對一些關鍵過程參數進行在線的監測和存儲，建立具有系統生成、實時數據庫生成等功能的軟件和數據庫。然后建立上述狀態變量的數值以及相應的誤測數據與“正?！焙汀胺钦！卑l酵的性能指標（以產物濃度、生產強度、糖酸轉化率等為基準）間的簡單、定性關系表，從而為實現早期預警后、反推故障原因、及時采取補救措施提供依據和可能的信息。接著建立具有故障診斷和早期預警功能的自我聯想型神經網絡AANN。通過對已知正常發酵樣本數據中未參與訓練、學習的數據進行驗證計算，確認所建立的AANN模型的通用性和精確度可以達到和滿足規定要求。然后建立基于AANN模型的在線故障診斷和早期預警。最后一旦AANN模型檢測到發酵處于“異常”狀態，則可以反推可能造成發酵處于“異?！睜顟B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，則采取相應的補救措施，促使發酵盡快恢復正常；如果確實找不到原因，則可繼續等待一段時間、觀察發酵能否自動恢復正常。如果仍然不行，則應當機立斷、及時放罐?？傊瑧米晕衣撓胄蜕窠浘W絡的目的在于建立以人工智能工程為基礎的、簡易、通用和集約型發酵過程控制系統，并實現發酵過程中的故障診斷和早期預警。

三、計算流體動力學在生化反應器設計和放大中的應用

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）模擬是21世紀流體力學領域的重要技術之一，該模擬技術的基本原理是利用離散化的數值算法求解控制流體流動的微分方程，得出連續流場在一定區域上的離散分布規律，從而“模擬”流體流動情況。FLUENT是目前世界應用范圍最廣的商業CFD軟件包之一，該軟件在對流態進行數值仿真模擬計算方面有著廣泛應用。帶攪拌的生物反應器在發酵工業有著廣泛應用，攪拌和混合是化學工業中重要的單元操作，體系混合過程和效果往往成為影響反應產率等的重要因素。為評估和研究攪拌系統的傳氧效率和功率消耗，優化反應器的整體結構，采用計算流體力學技術對所設計的新型反應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，最后將計算結果與實驗測量數據進行比較[3]。計算表明CFD計算的各參數預測值與測量值偏差均在±10%以內，能夠較準確地再現設備內流體的運動狀態。這為利用數值模擬技術優化反應器設計和生物反應器工程放大奠定了基礎。在前期工作中，通過中試生產和80立方生產規模下的結冷膠發酵過程試驗，新型通風發酵罐表現出優良的傳質性能和節能效果，不僅是結冷膠的發酵產率從18g/L提高到22g/L，而且單批發酵過程的電耗節省20%，顯示出技術良好的應用前景。由于這種新型的通風發酵設備在發酵領域具有普遍意義和寬廣應用范圍，對于通風發酵領域的產品都有參考意義，所建立的設計和制造方法對于大型發酵罐的放大方法具有重要的現實參考意義。

采用以CFD數值模擬為主結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。根據發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、結束語

生化工程課程具有知識點多，學科交叉性和應用性強的特點。課程項目在實施過程中，教學團隊應該結合最新科研轉化成果，提煉生化工程的典型案例，將生化工程的理論學習與工程學習緊密結合起來。新增案例庫、例題庫等，以典型發酵工程案例為引子，結合生化工程的理論知識，注重培養學生的自學能力和科學的思維方法。注重在課堂上引入最新科研成果，對開拓學生視野、了解生化工程領域最新科學前沿技術的發展具有重要作用。

參考文獻：

[1]史仲平，潘豐.發酵過程解析、控制與檢測技術[M].北京：化學工業出版社，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.

關鍵詞： 湍流模型；導彈；仿真

Key words： turbulence model；missile；simulation

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

0 引言

隨著計算機仿真技術的廣泛應用和計算流體力學的不斷發展，在導彈的設計和研制過程中，氣動參數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。目前在大多數使用數值仿真方法對導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過程中都針對不同流體和工況進行了一定程度的假設和近似，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，將數值仿真所得氣動參數與風洞試驗結果進行對比，確定適用于該型帶導彈氣動仿真的湍流模型。

1 仿真幾何模型

該型導彈為典型的“+-+”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。底部原本存在結構復雜的內凹（發動機噴管和燃氣舵）結構，根據以往實踐經驗，認為底部內凹結構對通過仿真獲取氣動參數影響很小，為簡單起見，在構建幾何模型時，將尾部處理為平面。

2 網格劃分

該型導彈的仿真區域和外表面的網格劃分如圖2所示。在確定仿真區域時，為了能夠充分模擬導彈的外流場，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]。該型導彈的彈徑為127mm，據此設定仿真區域大小為4460mm×2890mm×2890mm。在彈體表面采用壁面函數法對流場進行計算，并在壁面處對網格進行局部加密。利用GAMBIT軟件進行網格劃分，網格總數為2132244個。邊界條件設定為：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）標準k-？著湍流模型

標準k-？著湍流模型是在k-？著湍流模型[2]基礎上發展起來的，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

該模型把湍流當作受隨機力驅動的輸運過程，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和結構可壓縮性效應，導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射流現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，Mg是梯度馬赫數，S代表應變率張量，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）標準k-？棕湍流模型

為了模擬逆壓梯度下的邊界層分離，發展出了標準k-？棕湍流模型，該模型在低雷諾數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，在遠區采用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，F2是混合函數。

模型參數為：

？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的輸運方程，模型中用代數表達式ky定義了一個長度尺度，并發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■與動力粘度系數？滋t的關系為：？滋t=■■fv1，其中fv1=fv1（■/v）是壁面阻尼函數，在高雷諾數流動中■等于湍流運動粘度系數vt，在壁面處fv1趨向于零。運動粘度系數的輸運方程為[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。模型參數為：

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

C？棕1=Cb1+？資2■

5 數值仿真結果與試驗數據的對比

利用linux操作系統下的開源OpenFOAM軟件，分別對馬赫數為0.4和0.8，攻角為0°和20°時的導彈氣動特性進行仿真。

表1-4中分別列出了馬赫數為0.4、0.6和0.8，攻角為0°和20°時，分別采用6種湍流模型（模型參數均設為默認值）仿真得到的氣動參數與風洞試驗結果的對比情況。Cx、Cy、Mz分別為阻力系數、升力系數和俯仰力矩系數；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，理論上不產生升力和俯仰力矩，但0度攻角下升力系數和俯仰力矩系數的仿真結果有的不為0，這是由于數據迭代誤差所致；風洞試驗數據不為0是由于模型加工和安裝誤差導致的不對稱性引起的。0度攻角下的這兩種數據均無意義，所以不對其加以對比。

6 結論

從以上數據對比可以看出，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誤差最小，均在10%左右或以內，采用其它模型的誤差則相對較大。需要說明的是，以上數據為各模型中系數采用默認值的結果，如果根據結果對各模型中的系數進行修改，也可以得到滿足精度要求的參數，但是這需要耗費較多的人力和時間，而且修改后的系數也不具有擴展性。以上對比結果說明，在各湍流模型中的系數采用默認值這一條件下，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時，能夠起到提高仿真精度的作用。

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[5]張強.兩方程湍流模型的應用研究[D].西安：西北工業大學， 2004.

篇7

關鍵詞：過程裝備控制工程；過程原理與設備；教學內容

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

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

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

過程裝備與控制工程專業的前身是化工設備與機械專業（簡稱“化機”），1998年根據發展需要，教育部對普通高等學校大學本科專業目錄進行了調整，將化工設備與機械（本科）專業更名為過程裝備與控制工程專業。該專業主要研究石油、化工、煉油、輕工、核能與電力、冶金、環境、食品及制藥等過程工業中處理流體和類流體必需的裝備、技術與控制等。屬于融機械、化工和控制等多工程學科領域于一體的復合交叉型學科。

過程裝備與控制工程本科專業相對應的研究生教育的學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科下的二級學科。

動力工程及工程熱物理學科主要研究能量以熱和功及其他相關的形式在轉化、傳遞過程中的基本規律，以及按此規律有效地實現這些過程的裝備及系統所涉及的應用科學及應用基礎科學；主要應用于工農業、國防領域，與人類生活、生產密切相關；同時又幾乎與所有的科學技術領域密切有關，可以推動人類更好地利用能源與現代動力技術的發展。

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

在這樣的背景下，我校能源與動力工程學院不斷修改和豐富本科生培養計劃和培養方案，開設了“過程原理與設備”課程，作為過程裝備與控制工程專業的專業基礎課程。經過多年的教學改革和不斷探索，在教學方法、授課內容設計和提高學生創新能力方面取得了一定成果。

一、專業概況和課程定位

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

過程裝備與控制工程專業是以過程裝備的設計、制造、運行、維護、管理為主體，過程工業原理與裝備控制技術應用為兩翼的多學科交叉型專業。通過系統學習，學生將具有較強的機械基礎、過程裝備、力學基礎、控制工程、計算機應用等基礎理論知識，具有較好的工程技術基本素質和綜合解決工程問題的能力。其培養目標是具備過程裝備設計制造及其控制理論，并具備研究開發、設計制造、運行控制、維護管理等綜合能力的高級科學研究和技術人才。

我校以科研教學型為辦學定位。“過程原理與設備”課程是過程裝備與控制工程專業技術基礎課程之一，是過程裝備與控制工程專業的核心課程，也是上海市教委重點建設課程。該課程既講原理又講設備，涉及知識全面；由理論到應用，教學邏輯明確。對激發學生的創新思維，提高學生的應用能力有很大幫助。同時作為專業基礎課程，其教學質量的好壞也直接影響其他專業課程的教學工作。因此，做好“過程原理與設備”課程建設對提高本科教學質量，促進學生全面發展具有一定積極作用。

二、授課內容設計

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

1.流體動力過程及設備

滿足流體力學等相關規律的過程及設備。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。所用的設備有泵、鼓風機、離心機、壓氣機、管道、沉降室等。

2.傳熱過程及設備

滿足熱量傳遞等相關規律的過程及設備。如冷卻、蒸發等。所用的設備有冷凝器、蒸發器、鍋爐等。

3.傳質過程及設備

滿足質量傳遞等相關規律的過程及設備。如干燥、分餾、吸附、吸收、結晶等。所用的設備有：干燥器、萃取塔、結晶器等。

4.機械過程及設備

滿足固體力學等相關規律的過程及設備。如固體的粉碎、篩分、輸送、給料等。常見的設備有粉碎機、振動篩、輸送設備、給料器等。

5.化學過程及設備

滿足化學反應等相關規律的過程及設備。如還原、氧化、加氫、水解、加聚等。常見的設備有攪拌反應器、固定床反應器以及流化床反應器等。

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

分離過程與傳遞現象，介紹混合物組成，基本操作方法和常用設備，傳質分離的動力學方程；吸收基本原理，氣液相平衡、傳質機理與傳質速率、低濃度氣體的吸收與計算，高濃度氣體吸收、多組分吸收、化學吸收和解吸，吸收塔的結構和設計；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，蒸餾塔的結構和設計；氣液傳質設備的工藝設計；液液平衡關系、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備；濕空氣的性質及濕度圖、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、結構；蒸發原理、設備及計算熱量傳遞基礎，單效蒸發和真空蒸發的概念和計算，單效蒸發和提高加熱蒸汽經濟性的其他措施及其蒸發設備；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用和設備；膜分離傳質單元操作的基本原理。

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

在多年的教學過程中，我校能源與動力工程學院不斷探索教學內容和方法。在總學時數受限定的情況下，結合實際情況，合理設置教學內容，既壓縮了課時，又避免了該課程與學院基礎課程內容上的重復；在與其他課程的配置上，將該課程與“專業實驗”課程的進度合理搭配，用實驗設備模擬真實設備，邊學邊練，激發學生學習興趣，增強學生動手實踐能力；在改革教學內容和方法的同時，還注意將現代化教學手段引入課堂，利用計算機教學軟件進行輔助教學，取得了良好的教學效果。

三、結論

“過程原理與設備”課程是過程裝備與控制工程專業重要的專業基礎課程之一，其內容涵蓋廣、實踐應用性強。經過多年的教學改革和探索，我校走出了一條內容設計合理、教學方法多樣、注重實踐和創新的特色之路。過程裝備與控制工程專業學生連續多年的高就業率和來自企業的積極反饋，體現了我校“過程原理與設備”教學的良好效果。

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：化學工業出版社，2012.

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

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關鍵詞 土木工程 自然科學 工程師 現狀及未來

現代的土木工程已經是一門多學科交叉的綜合，相關的自然科學和社會科學學科的進步都會對土木工程的發展產生影響。作為土木工程理論的一個支柱，力學在19-20世紀取得了巨大的發展。由于實際需要的推動，力學發展出許多小的門類，如彈性力學，損傷力學等，都服務于土木工程?，F在的理論力學已經達到了一個相當成熟的境界。數學工具和計算機技術的發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展，流體力學逐漸發展，并在此基礎上發展出了湍流理論。固體力學也有很大的發展，對土木工程有直接作用的斷裂力學的發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。這一發展改變了設計的觀念。大大推動了結構研究的發展。預應力理論的提出標志著力學理論進入了一個新時期。另一方面，有限元分析等新的數學分析方法在計算機技術的支持下迅速發展，拓寬了工程師的研究對象，使得工程師們能夠把握更加復雜的系統。數學工具的發展不但作用在結構分析計算上，也體現在優化設計當中。概率與數例統計的應用完善了各種結構物的計算。材料科學的發展為土木工程帶來了廣闊的發展空間，新的工程材料，如碳纖維，高強度混凝土，高分子復合材料等加入到土木工程的應用中來，為工程師提供了更多的選擇。

在不同的專業方向上，隨著超高層建筑的發展，結構理論也不斷發展，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，拱橋發展到現代常用的斜拉橋，懸索橋。發展不但體現在形式上，而且也體現內涵上。多種技術的交叉運用突破了單純的橋梁結構的種類劃分。并且出現了一些獨特的斜橋和曲線橋。 電腦在土木工程設計上的重要性，已不再需要辯論。利用電腦繪制各類平面、立面、剖面、細部等二度空間圖集已成為全球事務所的標準方法。CAD技術使得工程師從煩瑣的繪圖作業中解放出來，大大提高了效率。CAD最重要的一個功能是它的虛擬現實功能，可以直觀的反應和模擬建筑的外觀，結構，以及在不同外力作用下的效果。在國家大劇院的設計中，太原理工大學土木系結構分析工作站，采用ANSYS軟件成功地對中國國家大劇院進行了結構分析。驗證計算內力、多種載荷組合工況下的變形、結構抗震分析以及驗證結構設計的合理性與可靠性。

和工業化大生產相適應，土木工程也經歷了一個標準化規范化的過程?，F在土木工程的規范化和標準化已經達到了相當的高度，不僅僅完成了單位和術語的統一，也形成了一整個由行業規范和國家強制標準共同構成的標準體系。統一的標準和規范使得技術資料有更大的通用性，同時也保證工程設施的可靠性?，F代土木工程的建設，尤其是大型基礎設施的建設，牽涉到社會的各個方面。對社會產生巨大的影響，包括經濟的，政治的，甚至思想觀點的影響。廣泛的社會協作是現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工程，都體現了社會對土木的影響，有協助也有干預。從工程建設的規劃，立項，預算到建設過程，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生回饋。工程對資金，材料，設備，人員的要求，工程對周圍環境的影響，工程建成后使用過程中的經濟，環境等問題，都不僅限于土木工程技術本身。

在可以預見的將來，土木工程工程技術理論的核心部分仍然是力學，新的分析方法和新的數值處理方法將是土木工程中力學的突破方向。在對復雜結構，流體介質等情況下的受力分析和近似上，現有的方法仍然具有很大的局限性。更加專門化的數學在將來也應該有很大的發展，用以處理土木工程技術中復雜的數值問題。更先進的電子計算機的應用，使得對復雜的情況的模擬更有把握，更接近于現實。力學也會突破宏觀框架，向微觀發展，控制論，虛擬現實等技術也在力學中加深影響。

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。運行中數據資料的收集，分析，整理。對建筑物結構，強度，可靠性的分析和相應對策的決策等。這些也是主動控制和智能化實現的基礎。全過程信息化對今后的土木建筑構造物的維護有很大的意義。我國現在正是基本建設的。信息化也成為專家系統技術的基礎。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問題領域的高質量的信息輸入。

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關鍵詞： 普通高校 材料學專業 大學物理課程 教學改革

物理學是最基本的、包羅萬象的一門學科，它對整個科學的發展有著深遠的影響。物理是材料學發展的基礎，材料學的發展離不開物理，最新的研究方向更是從偏重化學試驗轉向偏重物理分析。因為物理學在所有現象中起著基本的作用，許多領域的學生都要學習物理學。大學物理課程不僅可以提供物理學的基本內容，而且可以訓練學生的實驗、計算、邏輯思維等方面的能力，培養學生分析問題、解決問題的能力?？捎捎谡n時限制，大部分學生無法在課堂上完成全部的大學物理內容的學習，無法有效建立起比較完整的物理思想。因此，有必要對現有的課程體系和教學內容作出調整、壓縮、補充，進一步提高普通高校的教育質量。

1.普通高校大學物理教學現狀分析

1.1學生缺乏學習動力

當今社會功利主義思想盛行，大部分學生在學學物理時，不能理解其重要性，認為專業和以后的工作都與大學物理沒什么聯系，只為拿到學分勉強學習。上課不認真、學習其他課程甚至逃課，課后抄襲作業甚至不寫作業，考試時作弊等現象比比皆是。

1.2教材更新速度慢

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

1.3對各學科內容無差異

現在，絕大部分學校在安排大學物理課程時，都是由物理系統一安排，對各專業、學科不加區分，讓學生無法體會本門課程與自身專業的聯系，從而無法激發學生的學習興趣［1］。

2.普通高校材料學專業大學物理教學改革的探索

2.1普通高校材料學專業大學物理教學改革的主要依據

材料學的發展離不開物理。材料學離開物理就會走入歧途，物理學不僅對現有材料學問題有著指導性作用，而且能影響材料學朝著夢想不到的方向前進。

相對而言，材料學學習更加枯燥、深奧，缺少趣味性，強調的是抽象思維和實踐結果；而物理則形象、系統得許多。大學物理解決的問題相比中學時所學的更實際，大部分是為解決日常生活中常見的現象、問題。少了對數學公式的嚴密證明，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，更能激發學生的學習興趣。

現在大部分物理老師把物理當數學來講，將物理本身的趣味性全部丟棄，而著重于物理規律內在的聯系和整個物理體系的嚴密性，無法充分調動學生的主觀能動性，達不到好的教學效果。材料學專業的同學相對其他專業的學生，要求對物理學工具掌握得更好，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，幫助學生建立一定的物理思想，能用物理學工具解決材料學問題。

2.2普通高校大學物理教學改革的具體建議

我結合教學經驗，建議針對材料學專業學生將大學物理課程內容做如下補充和調整。

2.2.1數學篇。

在課程開始前，要補充相關數學知識。材料學專業的學生，一般大學物理開得早，高等數學還沒有學完整，而大學物理課程是建筑在高等材料學基礎上的，在物理課前補充說明相應的數學知識是很有必要的。否則學生們在理解問題的物理過程時，會因為數學知識不足而不能理解整個解題過程，教學效果也會很不理想。

這部分知識主要是重建微元概念及矢量模式。與純數學不同，物理中的數學公式、變量更強調物理意義，一些量可以存在于數學中，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數時間的，但數學中卻允許它存在，在介紹微元概念時要區別于數學中的概念，強調它們的物理意義。在建立方程時更要關注是否有物理意義，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，數學中矢量重點在于代數結果，忽略了方向問題。物理課前要重點強調矢量運算時結果的方向變化。

2.2.2力學、狹義相對論篇。

力學部分知識是經典物理的基礎，也是同學們在高中階段有所了解的部分，但大學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。利用物理規律，大部分現實問題可以通過建立合適的數學模型得以解決。對材料學專業的同學，更多練習要利用原始概念通過微積分計算物理量，而對各種守恒規律簡化計算的練習可適量減少。

除了傳統的內容外，對材料學專業的同學可以適量補充流體力學、材料力學的內容，讓同學們熟悉矩陣運算的方法。

而狹義相對論與材料學關系不大且難以理解，可略去不講。

2.2.3光學篇。

通用教材中力學部分大都包括振動、波動內容，介紹完這部分可以直接講解光學內容。因為力學部分補充了大量內容，按一般習慣講解熱學部分或是電磁學部分，課時不夠，講解不充分，效果也不好。尤其對材料學專業學生，熱學部分是需要重點介紹的，涉及概率統計的內容，如果放在第一學期是講不完的，到第二學期再接著講學生大都忘得差不多了，所以不如先講解光學部分，可以完整講完，這樣有助于學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，而材料力學牽涉到波速的問題，所以應該對波速只取決于介質本身性質，而與其傳遞的振動無關做一個簡單的推導。

對材料學專業的學生，光學部分應著重介紹光譜分析與應用方面，并對最新的材料檢驗手段及其基本原理稍做介紹。

第一學期包括上述三個部分的內容，重點在于讓學生們理解物理定義，掌握各定義、定理、定律之間的邏輯關系，了解抽象的材料學公式中蘊含的物理意義，培養學生的物理思維能力，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熱學篇。

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

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

2.2.5電磁學篇。

電磁學體系相對完整、嚴密，可在數學上完成推導并嚴格證明。講解時要避免上成數學課，必須強調物理概念、過程、思想。同時要說明所有的規律不僅是推導出來的，而且是經過實驗證實的，要簡要介紹對應的實驗方法、儀器、結論，并要看到數學工具對物理學發展的積極作用――有時可以預測還沒被發現的物理現象、規律，可以應用到以后的材料學研究中。但這部分內容整體上與材料學關系不太密切，可以略講，留出時間講解量子力學部分。

2.2.6量子力學篇。

這兩部分內容相對材料學專業學生關系重大，且內容復雜，如時間不夠，可僅介紹其基本思想、理論、方法，以及具體應用；如果時間充裕，最好可以系統、詳盡地介紹量子力學及原子物理初步的知識，引入一部分固體物理的內容，著重介紹分析問題的方法、步驟，對材料專業的學生更有幫助。

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

參考文獻：

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關鍵詞：圖形實時繪制自然景物仿真

計算機圖形學(ComputerGraphics，簡稱CG)是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內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。經過30多年的發展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。本文將介紹計算機圖形學的研究內容、發展歷史，應用和圖形學前沿的方向。

1計算機圖形學的發展簡史

1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風號—(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，主要應用于科學計算，為這些計算機置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期并稱之為：“被動式”圖形學。1963年，伊凡•蘇澤蘭在麻省理工學院發表了名為《畫板》的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，計算機圖形學的建立意義重大。

2計算機圖形學的應用

2.1計算機輔助設計與制造

CAN/CAN是計算機圖形學在工業界最廣泛，最活躍的應用領域。計算機圖形學被用來進行土建工程，機械結構和產品的設計，包括設計飛機、汽車、船舶的外形和發電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產生工程和產品相應結構的精確圖形，然而更常用的是對所設計的系統，產品和工程的相關圖形進行人—機交互設計和修改，經過反復的選代設計，便可利用結果數據輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數據加工代碼的指令。在電子工業中，計算機圖形學應用到集成電路、印刷電路板，電子線路和網絡分析等方面的優勢十分明顯。在網絡環境下進行異地異構系統的協同設計，已成為CAD領域最熱門的課題之一?，F代產品設計已不再是一個設計領域內孤立的技術問題，而是綜合了產品各個相關領域，相關過程，相關技術資源和相關組織形式的系統化工程。

CAD領域另一個非常重要的研究領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造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關素，從而實現形體的重建。

2.2科學計算可視化

目前科學計算可視化廣泛應用于醫學，流體力學，有限元分析，氣象分析當中。尤其在醫學領域，可視化有著廣闊的發展前途。依靠精密機械做腦部手術是目前醫學上很熱門的課題，而這些技術的實現的基礎則是可視化。當我們做腦部手術時，可視化技術技術將醫用CT掃描的數據轉化成圖象，使得醫生能夠看到并準確的判別病人的體內患處，然后通過碰撞檢測一類的技術實現手術效果的反饋，幫助醫生成功完成手術。我們利用了可視化技術。天氣氣象站將大量數據，通過可視化技術轉化成形象逼真的圖形后，經過仔細的分析就可以清晰的預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，光學性質，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關系等等。在自然景物仿真這項技術中我們需要過行消除隱藏線及面、明暗效應、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，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，科學計算等方面應用范圍很廣。除了建造計算機可實現的逼真物理模型外，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展，計算機動畫應運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態的圖象，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容，這樣，當這些連續播放時，整個場景就動起來。

早期的計算機動畫靈感來源于傳統的卡通片，在生成幾幅被稱作“關健幀”，連續播放時2個關健幀就被有機的結合起來了。計算機動畫內容豐富多彩，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和流體力學的方程進行計算，力求使動畫過程體現出最適合真實世界的運動規律。然而要真正到達真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現很自然的人走路的畫面，計算機方程非常復雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內容需要進一步研究。

2.5計算機藝術

用計算機從事藝術創作，計算機圖形學除了廣泛用于藝術品的制造，如各種圖案、花紋及傳統的油畫、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。目前國內外不少人士正在研制人體模擬系統，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。這是一個傳統的藝術家無法實現也不可想象的。