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摘要：计算机技术是培养工科学生实践能力、提升工科学生专业理念的重要工具。结合“卓越工程师教育培养计划”和流体机械及工程专业课程的教学实践，提出将计算机辅助设计（CAD）、计算流体动力学（CFD）和计算机辅助工程（CAE）技术有机结合的思路。通过合理安排教学内容，深入发掘计算机技术的潜在作用，达到提高工程实践能力、激发学生创新思维的目的。
关键词：卓越工程师；能力；计算机辅助一体化技术；教学改革；专业课程
作者简介：康灿（1978-），男，河北宁晋人，江苏大学能源与动力工程学院，副教授；杨敏官（1952-），男，江苏常州人，江苏大学能源与动力工程学院，教授。（江苏 镇江 212013）
基金项目：本文系江苏高校优势学科建设工程资助项目（项目编号：苏财教[2011]8号）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0013-02
2010年教育部实施的“卓越工程师教育培养计划”是新世纪高等教育改革的一个关键切入点。[1]江苏大学是首批参与该计划的61所高校之一，江苏大学流体机械及工程专业的48名本科生成为首批实施该计划的对象。江苏大学流体机械及工程学科是国家级重点学科，也是进入江苏省“优势学科”建设点的二级学科，在国内教学、科研和流体机械产品制造领域具有较强的影响力。多年来，流体机械及工程学科为社会输送了大批优秀人才，这与本学科多年来结合市场对高素质人才的需求而进行教学改革密不可分。
流体机械及工程专业的教学内容涉及的范围广，不但包含以液体为输送介质的叶片泵与水轮机，还涵盖以气体为输送介质的风机与压缩机。同时，对学生的基础知识掌握要求高，学生除要学习一般工科学生要求学习的数学、力学知识外，还要学习多学时流体力学课程，且在专业课教学过程中还要穿插弹性力学和有限元的相关知识。[2-3]近年来，随着国际国内市场的竞争加剧，企业对人才提出了更高的要求，对毕业生的素质和综合能力的评价标准提高到了一个新的高度。[4]卓越工程师培养计划是适应市场需求和时代需求的工程人才培养方案，也对工科人才的知识结构提出了更高的要求。
本文阐述笔者近年来在本专业教学工作中采取的将计算机辅助一体化技术与教学内容紧密相连的思路与具体措施，该教学思路有助于提高学生的实践能力与综合素质，同时，也为“卓越工程师培养计划”的实施提供了具体可行的方案。
一、专业课程内容与层次
图1为本专业学生的专业知识框架，这一框架也适用于卓越工程师培养的专业知识体系。框架中的具体内容要结合市场的需求和流体机械产品的技术升级。在流体机械原理方面，学生需进行深层次内容的学习，目的是为了与前期学习的传热学、流体力学、一般力学等基础知识相结合，并能够解释和解决在实际设计过程中遇到的一些与流体流动、传热、机械振动等有关的机理性问题。对于生产实践环节和测试技术，希望学生对相关的流体机械产品的加工和性能考核身体力行进行验证。由于卓越工程师培养要求学生在实践基地完成1年时间的学习和实践任务，这为相关的实践环节提供了最佳的平台。开设的流体机械CAD、流体机械内部流动分析和流体机械强度计算均是技巧性和实用性较强的课程。这三门课程均以计算机为辅助工具，以相关的软件为操作环境。本专业本科生培养的目标明确，学生所掌握的专业知识和解决问题的方法都体现在流体机械的设计过程中。若能结合产品的功能、使用特点和存在的问题，将创新性思维科学地运用到产品的优化设计过程中，将会达到更好的效果。
二、课程改革思路
2005年以前，在流体机械产品制造企业中，开展数值模拟和有限元分析工作的极少。而自2005年到现在，多个流体机械产品制造企业在自己的技术团队中成立了CFD小组，并对将该手段运用于新产品的研发投入了很多的精力。一些企业甚至在面试时直接让毕业生现场操作CFD软件，还提出一些泵内部流动的光学测量、影响泵运行的深层次机理等带有研究性质的问题。这些问题对于一般本科毕业生来说难度较大，但给我们的教学工作带来了很大的启发，让我们意识到，人才培养必须紧密结合不断发展的社会需要，必须采取实际措施为学生提供更广阔的认知空间。相应地，我们对三个涉及计算机技术的内容模块进行了重新规划与调整。
原流体机械CAD课程以培养学生使用商用CAD软件进行水力设计和绘制结构图纸为目的。其中涉及一些诸如流线分点、保角变换思想的实现等几何与算法相结合的知识难点，同时在本课程中学生辅助学习CAD二次开发技术。由于工科学生的计算机技术基础较好，在课程结束时多数学生可以用二次开发技术编写菜单和对话框，并实现简单木模图的自动绘制。在本模块中，我们结合CAD技术的现状，适当增加了教学内容的深度，在删减一些二次开发内容的同时，增加了三维软件的绘图讲解，使学生在二维平面图形与三维实体模型之间实现更直观的切换，也让学生对流体机械产品的复杂三维空间构型及设计理论有了更深入的认识。
流体机械内部流动分析是一个全新的模块，主要是基于流体力学、工程计算流体力学及流体机械原理，以达到更深入掌握流体机械内部流动规律的目标。以前CFD技术尚未普及时，这项工作只能借助于一些有机玻璃模型，让学生对内部流动有一些定性的认识，而流场中的定量参数分布无法呈现，也就谈不上对产品优化设计的辅助作用。由于近年来本专业教师承担的各类科研项目多与CFD相关，逐步积累的科学研究内容为课堂教学提供了很好的素材。在为学生讲授时，在计算机上建立一个三维模型、模拟一个运行工况的流动情况，进而对模拟结果进行直观的描述，从而使学生对流动参数分布、流动结构、流体机械内外特性的结合产生了较深刻的认识。另外，CFD技术的最大优点之一在于其可以模拟一些工程上常见的输送特殊有毒、高温介质的流体机械的内部流动，而学生平时对于这类流体机械的认识机会较少。这种思路开拓了学生的认知空间，也激发学生专业兴趣。
流体机械强度计算教学模块是基于弹性力学和机械设计课程，重点对流体机械的过流部件进行受力分析和模型化，该课程的重要性体现在其内容直接关系到流体机械运行的安全和稳定性能。在以前学习这门课程时，多数学生对课程涉及到的力学部分的内容感到乏味，认为控制方程不能解决实际问题。当我们将CAE技术在流体机械部件的强度计算中的作用与实际算例为大家讲解后，大多数学生表现出了浓厚的兴趣，并主动利用计算机进行模仿操作，而他们在操作时发现一些诸如材料物性参数设置、单元类型、载荷加载等实际问题时，有些学生到图书馆查阅相关书籍，有些学生到CAE软件的帮助文档上找答案，他们在学习资料的过程中将弹性力学基本理论、各种弹性力学问题的特点与对应控制方程项的简化、载荷性质与实际部件受力的联系、有限单元法的思路与实现方法等进行了反复的阅读与推理，这些知识被很好地融入到他们对专业知识的掌握中。
本教学思路的目的主要在于开拓学生的视野，为他们提供分析与解决问题的途径，另外使学生切实掌握一门可以用于于他们今后的学习和工作中的技能。
三、教学思路的实施
1.教学内容
从应用计算机技术的三个教学模块来看，其教学内容与本思路相吻合，且在课程教学中均安排了一定时数的上机和实践时间。该教学思路通过在课堂上利用多媒体设备，将课程体系、基础知识、软件功能与实现、软件应用结果分析与评价、具体问题的处理与对策等对学生进行详细介绍，而在上机和实践时间则对学生进行操作指导和难题解释。在三个模块的教学任务结束时，专门安排2－3个学时的讲解与回顾，将与计算机辅助一体化技术有关的知识点进行系统化，使其真正能成为学生知识库中的一部分。
2.教材的灵活性
计算机软件的发展日新月异，但专业知识的基础理论不变。根据以前的教学实践，通用的关于计算机辅助一体化知识的教科书最多只能用三年，而后其中的一大部分内容需要根据软件的发展和实际应用进行更新。而目前国内针对本专业的相关教材很少，所以我们采取自编讲义和软件帮助文档相结合的办法，将一些重点知识、软件的特点等对学生进行重点讲解。
3.软件的学习引导
计算机辅助一体化技术是一门综合性的学问。虽然每个工科的学生都能列举3种以上的专业软件，但对于流体机械及工程专业方向来说，真正意义上的计算机辅助一体化技术是需要CAD/CFD/CAE共同支撑的，更不用说与先进加工制造有关的计算机辅助制造技术（CAM）。据初步统计，目前商用的CAD软件，包括二维的和三维的，在中国市场上有12种以上。目前在中国市场上的商用CFD软件有8种以上，而在中国市场上的CAE软件也有5种以上。如果没有针对性的择取，让一个学生掌握如此多的软件，是不可能的。所以需要对学生进行适当的引导，明确软件之间的区别、对本专业的适用程度、可信度等。
在本专业的发展过程中，已经结合流体机械产品的研究和开发工作，配置了如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、Phoenic、Star-CD等大型流动计算与分析软件，在计算机辅助一体化技术的教学思路实施过程中发挥了重要的作用。
四、实施效果
在系统应用本思路前，许多学生尚不清楚采用CAD/CFD/CAE一体化技术来辅助设计可达到何种效果。本思路实施后，一些学生对该技术产生了浓厚的兴趣，自己去发现问题、解决问题，逐步培养了较强的工程性思维能力与实践能力。有的学生在毕业设计中就应用了CFD和CAE技术，运用CAD技术进行关键部件设计；运用计算流体动力学方法模拟所设计的泵内部的流动状况，进而对设计结果进行修正。还有的学生采用ANSYS软件对泵轴、泵体、关键联接法兰等进行强度计算，提高了设计工作的准确度和效率，切实提高了自己的设计能力。
通过该教学方案的实施，学生形成的专业思路如图2所示。掌握基础知识和专业知识是提高个人能力的前提，而能力的象征就是解决问题。可以预见到的问题多集中在两大类，一类是用计算机可以辅助解决的，另一类是用实验的手段再加上良好的加工工艺可以解决的。在第一类问题中，采用传统的方法与计算机辅助一体化技术相结合，可以提高产品设计的质量和效率，同时可以总结设计规律，为下一步以提高流体机械性能和安全稳定性为指标的优化设计打下基础。对于实验部分的内容，学生已把流动实验和产品性能试验作为对产品性能进行综合评估的重要手段，付诸于加工制造的产品一定要通过实验的考核。由于非卓越工程师培养计划的学生接触实际生产的时间有限，他们也只能对几种传统的和现代的加工方法进行比较。而在卓越工程师培养过程中，学生在企业有累计1年的学习时间，他们在接触实际零部件的加工过程中，会亲身经历CAM技术的应用，对计算机辅助一体化技术的应用将有更深入的了解与掌握。
五、结论
日渐普及的计算机已成为本专业大学生开拓学习思路、增进学习兴趣、提高综合能力的重要工具之一。结合本专业的特点和学生的情况，探索并实施了在高年级学生中间实施教学与计算机辅助一体化技术紧密结合的教学思路，并取得了良好的效果。本文所叙述的思路可为本专业卓越工程师培养计划的实施所借鉴。卓越工程师的培养模式与一般本科生有所区别，但所突出的能力培养中，流体机械现代设计方法的实践、工程意识的培养等均离不开计算机辅助一体化技术的运用，同时，利用较短的时间将计算机辅助一体化技术有效地进行整合，更有利于提高人才培养的效率与质量。
参考文献：
[1]龚克.转变观念、大胆试验,建立卓越工程师教育培养的中国模式[J].中国高等教育,2010,(18):10-12.
[2]丰镇平,何雅玲,陶文铨.能源动力类人才培养方案改革研究与实践[M].西安:西安交通大学出版社,2003.
[3]高丽丽,史琳.能源动力专业人才培养的探索与实践[J].中国电力教育,2008,(17):119-121.
[4]中国工程院工程教育研究课题组.我国工程师培养的重要性与培养途径研究[J].高等工程教育研究,2005,(1):1-7.
（责任编辑：刘辉）
关键词：卓越工程师；能力；计算机辅助一体化技术；教学改革；专业课程
作者简介：康灿（1978-），男，河北宁晋人，江苏大学能源与动力工程学院，副教授；杨敏官（1952-），男，江苏常州人，江苏大学能源与动力工程学院，教授。（江苏 镇江 212013）
基金项目：本文系江苏高校优势学科建设工程资助项目（项目编号：苏财教[2011]8号）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0013-02
2010年教育部实施的“卓越工程师教育培养计划”是新世纪高等教育改革的一个关键切入点。[1]江苏大学是首批参与该计划的61所高校之一，江苏大学流体机械及工程专业的48名本科生成为首批实施该计划的对象。江苏大学流体机械及工程学科是国家级重点学科，也是进入江苏省“优势学科”建设点的二级学科，在国内教学、科研和流体机械产品制造领域具有较强的影响力。多年来，流体机械及工程学科为社会输送了大批优秀人才，这与本学科多年来结合市场对高素质人才的需求而进行教学改革密不可分。
流体机械及工程专业的教学内容涉及的范围广，不但包含以液体为输送介质的叶片泵与水轮机，还涵盖以气体为输送介质的风机与压缩机。同时，对学生的基础知识掌握要求高，学生除要学习一般工科学生要求学习的数学、力学知识外，还要学习多学时流体力学课程，且在专业课教学过程中还要穿插弹性力学和有限元的相关知识。[2-3]近年来，随着国际国内市场的竞争加剧，企业对人才提出了更高的要求，对毕业生的素质和综合能力的评价标准提高到了一个新的高度。[4]卓越工程师培养计划是适应市场需求和时代需求的工程人才培养方案，也对工科人才的知识结构提出了更高的要求。
本文阐述笔者近年来在本专业教学工作中采取的将计算机辅助一体化技术与教学内容紧密相连的思路与具体措施，该教学思路有助于提高学生的实践能力与综合素质，同时，也为“卓越工程师培养计划”的实施提供了具体可行的方案。
一、专业课程内容与层次
图1为本专业学生的专业知识框架，这一框架也适用于卓越工程师培养的专业知识体系。框架中的具体内容要结合市场的需求和流体机械产品的技术升级。在流体机械原理方面，学生需进行深层次内容的学习，目的是为了与前期学习的传热学、流体力学、一般力学等基础知识相结合，并能够解释和解决在实际设计过程中遇到的一些与流体流动、传热、机械振动等有关的机理性问题。对于生产实践环节和测试技术，希望学生对相关的流体机械产品的加工和性能考核身体力行进行验证。由于卓越工程师培养要求学生在实践基地完成1年时间的学习和实践任务，这为相关的实践环节提供了最佳的平台。开设的流体机械CAD、流体机械内部流动分析和流体机械强度计算均是技巧性和实用性较强的课程。这三门课程均以计算机为辅助工具，以相关的软件为操作环境。本专业本科生培养的目标明确，学生所掌握的专业知识和解决问题的方法都体现在流体机械的设计过程中。若能结合产品的功能、使用特点和存在的问题，将创新性思维科学地运用到产品的优化设计过程中，将会达到更好的效果。
二、课程改革思路
2005年以前，在流体机械产品制造企业中，开展数值模拟和有限元分析工作的极少。而自2005年到现在，多个流体机械产品制造企业在自己的技术团队中成立了CFD小组，并对将该手段运用于新产品的研发投入了很多的精力。一些企业甚至在面试时直接让毕业生现场操作CFD软件，还提出一些泵内部流动的光学测量、影响泵运行的深层次机理等带有研究性质的问题。这些问题对于一般本科毕业生来说难度较大，但给我们的教学工作带来了很大的启发，让我们意识到，人才培养必须紧密结合不断发展的社会需要，必须采取实际措施为学生提供更广阔的认知空间。相应地，我们对三个涉及计算机技术的内容模块进行了重新规划与调整。
原流体机械CAD课程以培养学生使用商用CAD软件进行水力设计和绘制结构图纸为目的。其中涉及一些诸如流线分点、保角变换思想的实现等几何与算法相结合的知识难点，同时在本课程中学生辅助学习CAD二次开发技术。由于工科学生的计算机技术基础较好，在课程结束时多数学生可以用二次开发技术编写菜单和对话框，并实现简单木模图的自动绘制。在本模块中，我们结合CAD技术的现状，适当增加了教学内容的深度，在删减一些二次开发内容的同时，增加了三维软件的绘图讲解，使学生在二维平面图形与三维实体模型之间实现更直观的切换，也让学生对流体机械产品的复杂三维空间构型及设计理论有了更深入的认识。
流体机械内部流动分析是一个全新的模块，主要是基于流体力学、工程计算流体力学及流体机械原理，以达到更深入掌握流体机械内部流动规律的目标。以前CFD技术尚未普及时，这项工作只能借助于一些有机玻璃模型，让学生对内部流动有一些定性的认识，而流场中的定量参数分布无法呈现，也就谈不上对产品优化设计的辅助作用。由于近年来本专业教师承担的各类科研项目多与CFD相关，逐步积累的科学研究内容为课堂教学提供了很好的素材。在为学生讲授时，在计算机上建立一个三维模型、模拟一个运行工况的流动情况，进而对模拟结果进行直观的描述，从而使学生对流动参数分布、流动结构、流体机械内外特性的结合产生了较深刻的认识。另外，CFD技术的最大优点之一在于其可以模拟一些工程上常见的输送特殊有毒、高温介质的流体机械的内部流动，而学生平时对于这类流体机械的认识机会较少。这种思路开拓了学生的认知空间，也激发学生专业兴趣。
流体机械强度计算教学模块是基于弹性力学和机械设计课程，重点对流体机械的过流部件进行受力分析和模型化，该课程的重要性体现在其内容直接关系到流体机械运行的安全和稳定性能。在以前学习这门课程时，多数学生对课程涉及到的力学部分的内容感到乏味，认为控制方程不能解决实际问题。当我们将CAE技术在流体机械部件的强度计算中的作用与实际算例为大家讲解后，大多数学生表现出了浓厚的兴趣，并主动利用计算机进行模仿操作，而他们在操作时发现一些诸如材料物性参数设置、单元类型、载荷加载等实际问题时，有些学生到图书馆查阅相关书籍，有些学生到CAE软件的帮助文档上找答案，他们在学习资料的过程中将弹性力学基本理论、各种弹性力学问题的特点与对应控制方程项的简化、载荷性质与实际部件受力的联系、有限单元法的思路与实现方法等进行了反复的阅读与推理，这些知识被很好地融入到他们对专业知识的掌握中。
本教学思路的目的主要在于开拓学生的视野，为他们提供分析与解决问题的途径，另外使学生切实掌握一门可以用于于他们今后的学习和工作中的技能。
三、教学思路的实施
1.教学内容
从应用计算机技术的三个教学模块来看，其教学内容与本思路相吻合，且在课程教学中均安排了一定时数的上机和实践时间。该教学思路通过在课堂上利用多媒体设备，将课程体系、基础知识、软件功能与实现、软件应用结果分析与评价、具体问题的处理与对策等对学生进行详细介绍，而在上机和实践时间则对学生进行操作指导和难题解释。在三个模块的教学任务结束时，专门安排2－3个学时的讲解与回顾，将与计算机辅助一体化技术有关的知识点进行系统化，使其真正能成为学生知识库中的一部分。
2.教材的灵活性
计算机软件的发展日新月异，但专业知识的基础理论不变。根据以前的教学实践，通用的关于计算机辅助一体化知识的教科书最多只能用三年，而后其中的一大部分内容需要根据软件的发展和实际应用进行更新。而目前国内针对本专业的相关教材很少，所以我们采取自编讲义和软件帮助文档相结合的办法，将一些重点知识、软件的特点等对学生进行重点讲解。
3.软件的学习引导
计算机辅助一体化技术是一门综合性的学问。虽然每个工科的学生都能列举3种以上的专业软件，但对于流体机械及工程专业方向来说，真正意义上的计算机辅助一体化技术是需要CAD/CFD/CAE共同支撑的，更不用说与先进加工制造有关的计算机辅助制造技术（CAM）。据初步统计，目前商用的CAD软件，包括二维的和三维的，在中国市场上有12种以上。目前在中国市场上的商用CFD软件有8种以上，而在中国市场上的CAE软件也有5种以上。如果没有针对性的择取，让一个学生掌握如此多的软件，是不可能的。所以需要对学生进行适当的引导，明确软件之间的区别、对本专业的适用程度、可信度等。
在本专业的发展过程中，已经结合流体机械产品的研究和开发工作，配置了如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、Phoenic、Star-CD等大型流动计算与分析软件，在计算机辅助一体化技术的教学思路实施过程中发挥了重要的作用。
四、实施效果
在系统应用本思路前，许多学生尚不清楚采用CAD/CFD/CAE一体化技术来辅助设计可达到何种效果。本思路实施后，一些学生对该技术产生了浓厚的兴趣，自己去发现问题、解决问题，逐步培养了较强的工程性思维能力与实践能力。有的学生在毕业设计中就应用了CFD和CAE技术，运用CAD技术进行关键部件设计；运用计算流体动力学方法模拟所设计的泵内部的流动状况，进而对设计结果进行修正。还有的学生采用ANSYS软件对泵轴、泵体、关键联接法兰等进行强度计算，提高了设计工作的准确度和效率，切实提高了自己的设计能力。
通过该教学方案的实施，学生形成的专业思路如图2所示。掌握基础知识和专业知识是提高个人能力的前提，而能力的象征就是解决问题。可以预见到的问题多集中在两大类，一类是用计算机可以辅助解决的，另一类是用实验的手段再加上良好的加工工艺可以解决的。在第一类问题中，采用传统的方法与计算机辅助一体化技术相结合，可以提高产品设计的质量和效率，同时可以总结设计规律，为下一步以提高流体机械性能和安全稳定性为指标的优化设计打下基础。对于实验部分的内容，学生已把流动实验和产品性能试验作为对产品性能进行综合评估的重要手段，付诸于加工制造的产品一定要通过实验的考核。由于非卓越工程师培养计划的学生接触实际生产的时间有限，他们也只能对几种传统的和现代的加工方法进行比较。而在卓越工程师培养过程中，学生在企业有累计1年的学习时间，他们在接触实际零部件的加工过程中，会亲身经历CAM技术的应用，对计算机辅助一体化技术的应用将有更深入的了解与掌握。
五、结论
日渐普及的计算机已成为本专业大学生开拓学习思路、增进学习兴趣、提高综合能力的重要工具之一。结合本专业的特点和学生的情况，探索并实施了在高年级学生中间实施教学与计算机辅助一体化技术紧密结合的教学思路，并取得了良好的效果。本文所叙述的思路可为本专业卓越工程师培养计划的实施所借鉴。卓越工程师的培养模式与一般本科生有所区别，但所突出的能力培养中，流体机械现代设计方法的实践、工程意识的培养等均离不开计算机辅助一体化技术的运用，同时，利用较短的时间将计算机辅助一体化技术有效地进行整合，更有利于提高人才培养的效率与质量。
参考文献：
[1]龚克.转变观念、大胆试验,建立卓越工程师教育培养的中国模式[J].中国高等教育,2010,(18):10-12.
[2]丰镇平,何雅玲,陶文铨.能源动力类人才培养方案改革研究与实践[M].西安:西安交通大学出版社,2003.
[3]高丽丽,史琳.能源动力专业人才培养的探索与实践[J].中国电力教育,2008,(17):119-121.
[4]中国工程院工程教育研究课题组.我国工程师培养的重要性与培养途径研究[J].高等工程教育研究,2005,(1):1-7.
（责任编辑：刘辉）