“计算水力学”课程构建及教学模式探究

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1、“计算水力学”课程构建及教学模式探究摘要：“计算水力学”是一门水利、交通、环境、土木等工科专业研究生重要的专业基础课程。从课程背景、课程特色出发，阐述了开设“计算水力学”课程的必要性和实用性。按照“重组基础、反映现代、融入前沿、综合交叉”的原则，对该课程的教学内容进行了精选优化。采用“基础理论+应用实例+教学软件+学科前沿”的教学模式实施教学，培养了学生利用计算水力学方法分析问题、解决问题的能力，同时开拓了学生的视野，促进了创新思维的激发及科研实践能力的提高。关键词：计算水力学；课程构建；教学模式作者简介：戴昱（1979-），女，江西南昌人，河海大学力学与材料学院，讲师；汪

2、德爟（1942-），男，安徽太平人，河海大学环境学院，教授。（江苏南京210098）基金项目：本文系2010年河海大学研究生精品课程建设项目（项目编号：6）的研究成果。中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）17-0068-029“计算水力学”是水利、交通、环境、土木等工科专业研究生重要的专业基础课程，课程涉及数学、经典和现代水力学、数值分析、计算方法、计算机技术、资料处理技术等专业的理论知识。河海

3、大学于1983年开设了这门课程，修读的学生人数从开始的12人发展为近十年来的每年一百多人。“计算水力学”已经成为这些学生在工程实践和科研工作中分析问题、解决问题的重要手段。更加合理地构建计算水力学课程，使学生真正掌握课程的理论精髓及应用技术，是教学过程中需要重点解决的问题。通过对教学内容的精选优化及教学模式的改进，实现了由单纯传授知识向培养能力的转变，使计算水力学真正成为一门由浅入深，循序前进，易于掌握，易于应用的实用性课程。一、“计算水力学”课程背景“计算水力学”作为一门独立的新型学科，形成于20世纪60年代中期，它的出现标志着工程流体力学发展的一个新阶段，是世界经济迅猛

4、发展、科学技术水平不断提高，特别是高速、大容量电子计算机的快速更新换代为计算技术的发展提供了雄厚技术基础的一个硕果。[1]它的研究对象是水动力学及以水体为载体的物质的传输过程的理论问题和实际工程问题。919世纪中叶开始应用物理模型研究船舶的水动力特性以来，水利、交通等领域主要采用物理模型理论与方法解决问题。但是随着工程的不断大型化，社会、经济、环境的综合考虑在整个工程规划中占据越来越重要的地位。大型水利、航运工程的规划和工程结构设计，不能仅考虑紧邻区域的水力条件及其影响，而必须考虑该项工程对于整个区域（例如，河流的整个流域），甚至对邻近区域的影响。但物理模型对整个流域的系统

5、研究是难以奏效的，并且经济上也是不合理的。另外在环境问题中，物理比尺模型模拟生物、化学过程等问题在理论上并不合理。这就迫使人们不得不寻求其他研究手段，在此背景下以数学模型为基础计算水力学方法也就应运而出。“计算水力学”可以说是一门研究如何利用计算机进行实验的课程。该课程的基本原理是将已知的物理、化学和生物、生态等过程的基本规律用数学方程进行描述。用离散的方法将数学方程离散成代数方程，在一定的定解条件（初始条件和边界条件）下求解这些代数方程，实现模拟某个水动力学及以水体为载体的物质的传输过程，解决理论问题或实际工程问题。因此，计算水力学不仅为学生后续相关课程的学习打下必要的理

6、论基础，也是其今后进行工程实践和科研工作的重要工具。二、“计算水力学”课程特色9“计算水力学”融合了经典和现代水力学、数值分析、计算方法等学科的知识，数学理论和专业理论基础深厚，内容广泛，概念抽象。“计算水力学”中的控制方程为偏微分方程（组），但更注重方程中每一项所代表的物理、化学和生物、生态概念，在什么条件下可以略去方程中的某些项而仍能确切地模拟某些特定的物理、化学和生物、生态过程。方程中涉及的物理、生化参数等的正确确定，边界条件的合理给定，均需要对所模拟的水动力学现象及以水体为载体的物质的传输过程的物理和生化本质有深切的理解。为了证明一个数学模型是水动力学现象及以水体为

7、载体的物质的传输过程的可靠模型，则又需要利用数值分析中的线性理论，对所用数学模式的收敛性、相容性和稳定性进行证明。而计算结果的质量则又与资料的收集、整理和正确利用休戚相关。随着计算机技术突飞猛进的发展，计算水力学与其紧密结合，实现数值模拟并广泛应用于各个科学技术领域。因此，“计算水力学”是一门基础理论深厚且实践应用广泛的课程。在教学过程中，教师应将广泛的内容具体化，抽象的概念形象化。通过对课程内容的优化及教学模式进行改进，“计算水力学”已成为一门具有“由浅入深，循序前进，易于掌握，易于应用”的特色课程。三、“计算水