关键词流体力学;连续介质;分子动力学;Boltzmann方程
中图分类号O19文献标识码A文章编号1674-6708(2010)24-0134-01
流体力学是一门研究流体宏观运动的学科。虽然流体的微观运动在时间和空间上都非常复杂,具有不均匀性、离散型、随机性,但是流体的宏观运动一般总是呈现出均匀性,连续性,确定性。流体的宏观运动和其他性质是流体分子微观运动的平均结果。在连续介质假设基础上,流体的宏观运动可以用Navier-Stokes方程来描述,尽管连续介质是一种假设,但由于在很多情况下这一假设都可以成立。所以这种观点已经被流体力学广泛地采用,并获得了很大的成功;另一方面,近些年,人们提出从微观的角度来理解宏观流体力学的概念和现象,能够深刻地揭示宏观现象的本质,对于更好的认识这些现象具有重要的意义。
本文着重介绍下通常研究流体力学的几种数学模型,分析一下它们的理论及优劣。
首先,我们先来看大家所熟悉的流体运动的连续模型,在这里,流体可以看作是充满整个流场的连续介质,可以在流场中的每一个空间点定义留意的密度、速度、温度,压力等物理量,并建立一系列的偏微分方程来描述流体的运动。连续介质假设是流体力学中的一个基本假设,是对流体结构的一种近似,当研究对象的尺度比粒子结构尺度大得多时,这一假设就成立,这一假设对于日常生活和工程中的绝大多数情况是合理的,依赖于这一假设,研究获得了很大的成功,比如飞机在空气中的运动,轮船在水中的运动,由于其特征尺度远大于粒子的结构尺度,所以,空气和水都可以被认为是连续介质,但是对于一些特殊情况,比如血液在动脉中的运动,高空稀薄气体中物体的运动时,就不能当做连续介质。此外由于描述此运动的Navier-Stokes方程的复杂性,除了少数非常简单的情况,一般情况是得不到方程的解析解,所以,以传统的解方程的方法来解决流体问题暂时是行不通的,所以利用计算机利用数值方法找近似解是常见的方法,这就是计算流体力学,随着计算机技术和相关数学的发展,计算流体力学的应用也越来越广泛,现在很多工业部门及研究单位,这是采用得比较普遍的一种方法,而且随着计算机的发展,相应的也出现了很多应用软件,可以这样说,以往通过理论和实验解决不了流体的问题,现在很大程度上可以通过计算机去解决。
其次,我们再来了解下从微观方面来描述流体运动的分子动力学模型,因为从物理上来说,流体是由分子构成的,流体的宏观运动时微观分子热运动的平均结果,如果我们知道了分子的微观运动,通过统计平均这种方法就可以得到流体的宏观物理量。分子动力学模型可以是确定性的,也可以是随机性的。在分子动力学模型中,分子遵循经典的牛顿运动方程,所以,通过求解方程就可以确定任意分子在任意时刻的速度和位置。由于分子动力学模拟是基于分子最基本的运动规律,所以原则上可以模拟任意流体系统。利用计算机对这种模型进行模拟是其一个重要的特点,由于计算机的飞速发展,这种模型也得到了很大的发展,它也应用于物理、生物、化学等各个学科上,虽然分子动力学模拟方法有这样的优点,但由于在模拟过程中,对一个流体系统而言,其分子的数量非常巨大,而且在每一个步长中,每个分子的新位置和新速度都要重新计算,所以这需要很大的计算量和存储量,因此,这种模型现在只能用于二维运动,对于三维复杂流动进行模拟几乎是不可能的,它的进一步发展及推广决定于计算机的发展。
第三,类模型是从介观的角度来描述流体,称为气体动理论。而此时我们用Boltzmann方程来描述流体,这个方程是统计力学中描述非平衡态分布函数演化规律的方程,这个方程的基本想法是不去确定每个分子的运动状态,而是求出每一个分子处在某一状态下的概率,通过统计方法得到系统的宏观参数,Boltzmann方程是基于二体碰撞,分子混沌性假设及没有外力的影响而得到的,但这个方程也是一个非常复杂的积分微分方程,所以直接求解也不可能。因此,人们提出了很多的简化的模型,比如对碰撞算子做一些近似,如著名的BGK模型,这个近似使得碰撞算子线性化,从而简化方程,利用这个模型来求解流体的宏观物理量的方法我们称为格子Boltzmann方法,实际上,格子Boltzmann方程可以看做是连续的Boltzmann的方程的一种特殊的离散格式,在格子方法中,流体被抽象为大量的微观粒子,并且根据一些简单的方式在规则的格子上碰撞和迁移,通过粒子运动进行统计,就可以得到流体的宏观特性。从离散的网格说,这种方法具有Euler方法的特性,从离散的粒子来说,这种说法又有Langrange方法的特性,而且,格子方法还具有一些常规数值方法所没有的优点,如物理图像清晰,边界条件处理简单,程序易于实施,计算具有并行性,所以,从格子Boltzmann方法刚诞生起,就引起了物理学家,数学家,计算机学家和其他领域的科学家的关注,现在它被认为是最有前途的数值模拟方法之一。格子Boltzmann方法除了在一般的流体力学中有比较好的应用外,在多相流、渗流、粒子悬浮流等相关领域也得到了相关的应用,所以,也必将成为大家研究的热点。
参考文献
关键词：计算机网络；数据链路层；帧定界；透明传输；差错检测；案例教学
计算机网络课程配套实验通常都是实战型实验。通过实验，一方面，能够帮助学生掌握一些具体的网络配置和维护技能，比如，制作网线，配置交换机，配置路由器，配置应用层Web、FTP、DHCP服务等；另一方面，也能够帮助学生更好地理解课本上相关的网络原理和知识点。因此，计算机网络课程受到学生的普遍欢迎。
学生在学习过程中，很容易将计算机网络课程与网络管理和维护联系起来，对计算机网络课程的认识，还存在以下几个误区：
（1）认为学习计算机网络课程只是为今后从事网络管理和网络维护工作打下基础；
（2）对计算机网络课理论内容兴趣不大，只对直观的、实战性强的内容有兴趣；
（3）认为计算机网络技术已经比较成熟，无须再去认真学习，只要使用当前已有的网络设备和网络技术即可。
在计算机网络教学中，对于直观上实战性较强的内容，学生普遍表现出较高的学习兴趣，但对于比较抽象化或理论化的内容，学生通常会质疑学习这些内容的意义和价值，该现象在高校教学中普遍存在。解决该问题的一种有效方法就是将理论与实际应用相结合，通过分析和举例，讲解抽象理论背后的思想与实际工程项目之间的内在联系并加以扩展，给学生较大的启发，并引起学生的注意和兴趣。
笔者所在的网络教研小组使用的计算机网络教材是谢希仁教授编著的《计算机网络（第6版）》，本文以该教材中数据链路层要解决的3个基本问题（封装成帧、透明传输和差错检测）为例，介绍相关知识点的内涵和外延，对知识点内容进行扩展，并举例说明相关理论如何与具体应用相结合，解决实际问题。
1.帧定界的原理与实践
对于封装成帧的原理，教材已经给出了清晰的论述。封装成帧的主要功能包括帧定界、定义和填充数据链路层使用的各控制字段等，本节主要论述帧定界的相关原理与具体应用。
1.1帧定界的原理
对于帧定界的功能，主要从以下两个方面进行理解。一方面是自顶向下分析，来自网络层的、独立的IP数据报，在数据链路层需要封装成帧，从而形成各自独立的传输单元通过物理层发送出去；另一方面是自底向上分析，数据链路层需要处理来自物理层的比特流，需要从比特流中区分出每一帧的开始比特和结束比特，因此也需要有一种封装成帧的机制，能够从比特流中提取出各个数据帧。
如果数据帧之间的发送存在时间间隔（如以太网），帧定界则能够自然实现；但如果数据帧的发送是连续的，则需要帧定界机制。帧定界的主要思想是使用帧定界符标识数据帧的起始和结束，帧定界符添加在数据帧的首部和尾部。帧定界符的本质是一串事先定义的0-1比特序列。
1.2帧定界原理的具体实践
帧定界原理解决了数据链路层的数据帧定界和数据帧提取问题，其实现思路并不难理解。为了让学生对该原理进行更深入的思考、理解和灵活运用，在讲解TCP协议面向流的传输机制时，可以将TCP流的特点与帧定界原理相结合，讨论如何解决基于TCP协议的聊天消息发送和接收问题。
TCP协议面向流的传输特点比较抽象，含义丰富，对于初学者，难以理解这些机制背后的含义。与面向报文的UDP协议不同，TCP传输是面向流的，提示学生去思考“若基于TCP协议实现聊天消息发送和接收，该方案是否可行，是否存在待解决的问题”。根据笔者的教学经验，对于初学者，很难想到直接使用TCP传输聊天消息存在接收者无法从TCP数据流中自动提取出每个消息的问题。因为TCP是面向流的，消息和消息之间在TCP流中无间隔。当给学生提示该问题时，很多学生表露出恍然大悟的表情，对于TCP面向流的重要特性也自然能够理解（本文对TCP面向流的其他含义不做介绍）。然后，引导学生再次回顾数据链路层帧定界要解决的问题和解决原理，分析该问题与帧定界问题的共同点，引导学生去思考如何利用帧定界原理去解决基于TCP协议的聊天消息发送和接收问题。学生平日使用OO等通信工具比较多，对如何实现聊天消息传输比较有兴趣，通过分析该实际软件的需求与解决方案，让学生既理解了TCP面向流的重要含义，同时也对帧定界问题的内涵有更多的理解，借鉴帧定界的解决思路，解决TCP数据流中用户消息间的定界问题。
笔者讲授相关内容时，与学生讨论如何实现基于TCP协议的聊天消息的发送和接收问题，调动了学生的兴趣和积极性，加深了对知识点的理解，同时也启发学生去思考如何灵活运用相关知识点解决实际问题，取得了较好的教学效果。
2.透明传输的原理与实践
2.1透明传输的原理
透明传输问题是从帧定界问题引入的，解决数据帧的数据部分若出现帧定界符则会破坏帧边界的问题。透明传输的实现原理包括字符填充法和零比特填充法等。其本质都是对数据部分出现的帧定界符进行转义或修改，也包括对转义字符的转义等，实现机理不难理解。
2.2透明传输原理的具体实践
对于透明传输原理的具体实践，仍以“如何实现基于TCP协议的聊天消息的发送和接收”为例，同样，需要在学习了TCP传输的特点后进行讨论。在1.2小节论述内容的基础上，继续探讨“若将帧定界机制引入基于TCP协议的消息传输中，是否同样会存在消息透明传输的问题和需求”，即在消息的内容部分是否会出现消息定界符比特序列的问题。若存在该问题，如何在消息传输时解决。然后，提示学生思考，若直接借鉴数据链路层帧的透明传输方案，该如何解决消息透明传输的问题；接着讨论若不采用透明传输的方案，是否存在其他解决途径。
笔者讲授相关内容时，与学生讨论该问题，启发学生从多角度思考解决问题的方法，以透明传输为例，思考提出的解决方案是否会引入新的问题，并将透明传输的原理与基于TCP的消息传输解决方案相结合，将多个知识点综合运用，解决聊天消息传输的具体软件开发问题，提高了学生分析和解决问题的能力，学生表现出较大的兴趣和参与度，教学效果良好。
3.差错检测的原理与实践
3.1差错检测的原理
差错检测用于判断接收的数据帧是否存在传输错误，在讲解具体实现机制之前，首先向学生介绍该问题的难点在于接收者事前并不知道发送者要发送的数据内容，在该情况下去判断接收的内容是否正确，看起来像是一个悖论；接下来留给学生一定的时间去思考该问题，然后介绍差错检测的原理。
用于数据链路层的典型差错检测方法是以CRC算法为代表的检错方法，该方法在教材上有详细描述。以CRC算法为代表的检错方法的核心思想是对要发送的数据进行计算，生成校验码，然后把数据与校验码同时传输给接收者，接收者对收到的数据和校验码再次进行相同的校验计算，判断在传输过程中是否存在传输错误。
3.2差错检测方法的扩展
在介绍完CRC算法的原理与计算细节之后，对差错检测章节的内容进行如下扩展。用于数据链路层的校验方法都属于检错方法类别，除CRC算法外，典型的检错算法还包括消息摘要算法（如MD5算法）、安全散列算法（如SHA算法族）等。除检错技术外，纠错技术的应用也十分广泛。在纠错技术方面，存在奇偶校验、海明校验等典型的纠错算法，CRC算法本身也具有一定的纠错能力，但对CRC生成多项式和校验数据的长度有要求。检错和纠错的能力与码距有关。除了上述典型的纠错算法外，还存在多种基于复杂数学运算的纠删码（erasurecode）技术。由于课时量有限.上述技术只能给学生简要的介绍，让学生对差错的检测和纠正有更加全面的认识，拓展学生的知识面，感兴趣的学生可以课后自行学习相关内容。
学生通常会产生两个疑问：第一个是为什么数据链路层的检错方法选择了CRC算法，而不是其他的检错算法；第二个是为什么数据链路层选择了检错机制而不采用纠错机制。第一个问题可以从以下方面分析：①CRC-32算法的检错能力本身已经比较强大，检错率很高，达到了数据链路层差错检测的要求；②CRC算法能够对输入的数据进行流式计算，网络适配器接收比特流的同时可以通过硬件即时完成CRC校验。第二个问题可以从以下方面分析：一方面物理通信链路比特流传输错误通常是受某种影响而产生的突发性错误，出错的位置可能包含多个连续或非连续比特，若选用纠错码，需要使用纠错能力非常强的纠错算法，这些算法计算量比较大，而且在出错比特数量比较多的情况下，甚至无法纠正全部错误；另一方面，当前物理链路的可靠性非常高，误码率很低，使用检错算法既能检测比特错误，又因为其计算量相对较小，因此对数据流的处理速度影响较小，若检测到错误，可以采用重传或者交给高层协议处理等方式解决。
3.3差错检测的具体应用
差错检测技术的本质是检测给定的数据是否存在比特错误，该技术不仅适用于数据链路层的差错检测，也适用于其他需要进行数据错误检测的场景。典型的检错算法包括CRC-32、MD5和SHA-1等。差错检测技术的另一个典型应用是软件的数字签名。软件供应商一款软件后，用户可以通过各种途径获取到该软件，典型的来源包括官方网站下载、第三方网站分发、u盘拷贝、光盘传播等，提示学生思考如果软件是从第三方网站上下载的或者是从其他同学的计算机里拷贝的，如何保证该软件在传播过程中没有被修改、没有中病毒或者木马呢？学生对该问题都很有兴趣，这也是学生经常面临的实际问题。通过对该问题进行讨论，分析差错检测技术的具体应用非常有代表性。首先，为了使学生对该解决方案有直观的感性认识，可以打开一款带有数字签名的软件，例如官方下载的QQ软件，然后右键点击软件，选择“属性”，可以看到属性中的数字签名页面的信息，如图1所示；接下来点击“详细信息”按钮，则会弹出新的对话框，出现“此数字签名正常”的提示，如图2所示。
关于数字签名的详细信息可以点击“高级”标签页查看，关于数字证书自身的信息可以点击“查看证书”按钮查看。为加强演示效果，可以使用二进制编辑器把QQ软件中的部分字节修改或者删除，然后再次点击软件的属性，会发现数字签名的页面消失了，如图3所示。需要说明的是，把软件的某些字节修改后，数字签名页面可能仍然存在，但是点击“查看证书”按钮，则会出现“此数字签名错误”的相关提示。
演示至此，学生都很感兴趣，也对差错检测有了更深刻的认识。然后提示学生思考数字签名技术应该如何实现，思考该技术与差错检测之间的关联。数字签名算法本身由多种摘要算法和非对称加密算法等组合而成，其关键功能之一就是如何鉴别软件在发行后是否被恶意修改过。至此，将差错检测算法与具体的软件数字签名技术结合起来，其解决思路是相通的，软件数字签名中的完整性检测的本质就是差错检测，软件发行方首先会对软件运行一种摘要算法，生成一段固定长度的摘要，其本质等同于对数据包进行cRc校验，生成一段冗余码，然后把软件与软件摘要共同，接收者下载软件后，使用相同的摘要算法对下载的软件再次进行摘要计算，并与者公布的摘要做比对，如果一致，则说明软件没有被修改，反之，提示用户此数字签名错误。数字签名要解决的另一个关键问题是如何防止摘要本身被修改，这涉及密码学的相关内容，可以稍做提点和介绍即可，在此不再详细展开。
灵活使用差错检测技术的具体应用还有很多，比如当前流行的网盘、云盘中的“秒传”技术的实现，卫星数字电视信号数据的下发等，都需要使用不同类型的差错检测和纠错技术。可根据具体课程进度进行有选择的讲解。
笔者采用上述案例向学生讲授差错检测相关内容，不仅让学生掌握了差错检测的原理与计算，而且通过扩展和举例，拓宽了学生的思路，使其掌握了差错检测算法的本质，能够灵活应用，解决实际软件开发中的问题。
4.教学效果评价与探讨
在教学过程中，笔者及所在的网络教研小组采用原理与实践相结合教学方法，没计典型案例，将计算机网络原理运用到实际软件开发中。多年教学实践表明，该方法受到学生的普遍欢迎，加深了学生对课本原理的理解，扩展了学生的知识面，将课本上看似枯燥的原理转化成能解决实际问题的方法，以点带面，启发学生深入思考网络教材中的各个原理，把各门课程的知识点联系成一个有机整体，而不要零散地、孤立地、片面地去理解知识点，提高了学生的学习兴趣，调动了学生学习的积极性。
关键词：网络环境计算机教学网络教学
在教育部2011年出台的《计算机课程标准》中首次指出：“推进计算机教学模式的改革，广大教师必须转变观念，审时度势的与网络环境相结合，发挥网络环境下计算机教学的优势，切实提高计算机教学的成效”。不可否认的是，在现阶段的初中计算机课程改革中，广大中学计算机教学工作者对如何能提升计算机教学成效进行了积极的探索和研究，逐渐意识到实现计算机网络教学的重要性，并在一定程度上开创了计算机教学的新模式、新思路、新方法，但是，受各种主客观因素的影响，在实际的教学中总会不可避免的产生这样或者那样的问题。[1]
一、利用网络环境进行初中计算机教学的好处
当前，从我国整体上来看，很多课程都已经实现了与网络教学的有效结合，充分发挥了网络环境自身的优势，并取得了令人满意的成绩。因此，实现计算机的网络教学也是现在以及未来计算机课程的发展趋势所在。结合网络环境的特点，这些好处主要表现在以下几个方面：
1.丰富了现有的计算机教学资源
网络资源的丰富多彩以及网络信息的共享性，学生可以通过网络共享课程资源，包括软、硬件的共享特别是软件的共享，这极大得丰富了现有的计算机教学资源，开阔了学生的眼界，增长了学生的见识。
2.提高了课堂和学生学习的效率
网络环境的灵活性使教师和学生可以在任何时间、任何地点反复进行讲解和学习，这种便捷性极大得提高了课堂和学生学习的效率。
3.尊重了每个学生的身心特点
网络环境的层次性决定了教师可以结合每个学生的身心特点选取不同的教授内容和任务布置，实现了对学生的“因材施教”。
4.增加了学生间的互动和交流
通过网络邮件、论坛、QQ群等形式，学生可以就实际计算机课程中遇到的问题进行互动和交流。
5.有利于信息的及时反馈
教师可以通过网络随时随地了解学生的思想动态、学业情况并采取针对性的措施进行及时的跟进。
二、当前初中计算机教学存在的问题
之所以近年来我国加快了对初中计算机课程和教学的改革，除了受到网络环境的影响之外，很大一部分原因在于当前我国初中在计算机教学中，由于受各种主客观因素的影响，出现了一些亟待解决的问题。具体表现在以下几个方面：
1.受传统“应试观念”的影响，缺乏对学生计算机实践能力的培养
不容忽视的是，当前我国中学计算机教师受“应试教育”观念的影响根深蒂固，具体表现在：在计算机教学中，教师往往注重对学生计算机理论知识的讲解教授，忽视了对学生计算机实践能力的培养。事实上，计算机是一门应用性和实践性很强的课程，计算机教学的最终目标也是为了培养实用型的人才。这种缺乏对缺乏对学生计算机实践能力的培养造就了学生“高分低能”现象的不断出现，也不利于加强学生的竞争力，促进学生的就业。[2]
2.过分发挥教师在课堂上的主导地位，忽视了学生的主体地位
受传统“填鸭式”教学模式的影响，在计算机教学中，学生往往只是在被动的接受知识的灌输，学生和教师之间缺少必要的交流，这极大的抑制了学生对计算机课程的兴趣和热情，也不利于培养学生的思维能力和创新能力等。
3.在计算机教学中，教师缺乏对网络环境的重视
计算机网络教学虽然是一个新生的事物，但由于其巨大的优势在提高计算机教学成效方面发挥了不可替代的作用。然而，纵观我国的计算机教学现状，教师还是普遍缺乏对网络环境的应有重视，不注重发挥网络教学的优势。因此，加快实现计算机的网络教学仍然是摆在中学教师面前的一个重要课题。
三、网络环境下中学计算机教学思路的改变分析
当前，实现计算机教学与网络环境的结合对于广大中学计算机教师来说既是一次前所未有的严峻的挑战，也是一次全新的难得的机遇。因此，在网络环境的新形势下，必须加快计算机教学的改革，转变计算机教学的思路。
1.摆脱“应试教育”的影响，注重对学生计算机实践性能力的培养
虽然应试教育还会在将来很长的一段时间里影响我国的中学计算机教学，但是最大限度的摆脱这种观念的影响，在传授理论知识的同时也要注重对学生实践能力的培养，让学生有机会、有能力去自主完成设计和修改，真正培养起学生发现问题、解决问题的能力，培养计算机领域的高素质人才。[3]
2.加强教师和学生之间的交流和互动，激发学生对计算机的兴趣
在网络环境下，尊重学生的主体地位，发挥学生的主观能动性，加强教师和学生之间的交流和互动尤为重要。学生在学习中难免会遇到不会的问题，教师这个时候可以通过邮件、QQ等网络形式与学生进行交流和互动，并可以举行网络在线讨论，交流学习的经验和心得，在这个过程中，最大限度的使每个学生参与到讨论中来，以此来激发学生对计算机的兴趣。
3.提高计算机教师的专业素质水平
这就需要，一方面中学计算机教师应当转变观念，注重发挥网络的优势；另一方面，网络资源的庞大复杂，教师想要实现对学生进行正面的引导，及时掌握信息资源的最新动态，就必须不断加强自身的学习，提升自身的专业素养和能力。
此外，进行必要的硬件支持也是必不可少的。总而言之，有效结合网络环境进行计算机教学，是顺应时展潮流，提升计算机教学成效的必然选择。实现这一目标不可能一蹴而就，必须通过一个长期的过程来逐渐进行改善。
参考文献：
[1]杨黎霞.网络环境下计算机教学模式探索[J].中国高新技术企业，2009.
[2]周晓东.论网络环境下计算机教学模式[J].黑龙江科技信息，2011.
[3]向茜，孔德相.网络环境下中学计算机教学思路的转变[J].计算机光盘软件与应用，2013
关键词：主题作业中职计算机实验教学
一、计算机课程的典型特点
1.计算机从发明到如今，硬件和软件时时在更新，新软件及其设计思想也层出不穷。为了使计算机教学内容与计算机的发展保持同步，就必须时时对教学内容进行更新。所以说“教学内容更新快”是计算机课程的一个典型特点。
2.计算机课程的教学内容大多前后渗透性较大，知识点彼此关联，相互引用，成网状结构，很难做到循序渐进地进行编排。如在教学中常常会遇到这种情况，还未来得及介绍的新知识，在课程一开始可能就要用到。如上所说计算机课程的另一个特点是“教学内容成网状结构”。
3.计算机课程的最典型的特点是“教学内容信息量大，课堂信息密度大”。计算机每天都有新的思想和新的技术涌现，日积月累，这些知识就会越来越多，从而走进课堂的信息量也就如雪球一样越来越大，而计算机课程的课时却没有增加。
针对计算机课程的特点，必须采取一些新的教学方法，来提高计算机课程的教学效果和质量。在教学过程中应用主题作业就是一种很好的做法。
二、计算机课程实验教学现状
实验教学是整个计算机教学的“纲”和“灵魂”，对培养学生分析问题和解决问题的能力有着不可替代的作用。但目前，计算机实验教学存在许多大问题，如教学内容实用性差且更新缓慢；实验与理论的教学比重不合适；教学方法简单老套，师生交流少，数字资源共享不够，环境建设重硬件、轻软件等。中职学校的计算机实验教学更存在以下现象：
1、指导教师给出的实践任务布置不具体，没有讲明具体目标要求，也没有进行具体的演示，不能给学生及时纠错、指导，时时出现“放羊”现象。
2、学生玩QQ、游戏、非上网教学时间上网等违纪情况。
在计算机实验教学过程中实行主题作业，可以潜移默化中让学生养成实验课堂有事可做、有事要做的习惯，从而改掉上面这些陋习。
三、主题作业及其特点
1.主动性：学生对主题作业的内容与表现形式具有一定的自，有充分的思想表达空间，强化了学员在学习中的主体意识。
2.实践性：教师在提出主题作业时，应该与社会需求和生活紧密接合，提出的问题学生要不生疏，有兴趣做下去。学生要努力实践，充分发挥自己的潜能和创新能力，尽力独立完成主题作业。
3.开放性：一般主题作业都要进行公开的讲座、评定，借此相互之间可以借鉴与技术交流.对自己的主题作业进行动态更新，引导学生深化学习和相互监督。
4.协作性：对于某些主题作业不可能一个人在短时间内完成，这时就需要协作。通过协作学习和研究，学生可以取长补短，取得高质量的成果，与此同时，在共同参与的过程中，学生还需要了解不同人的个性，学会相互交流、协作。
在主题作业中，学生有明确的目标意识，对自己所要达到的学习要求及其社会价值有所认识，并能主动规划和安排自己的学习。在教师引导下，主题作业让学生对所学新知识和以往知识进行自主分析与综合，对相关知识片做有效的、全方位的整合。因此接近了与实际应用的距离。
四、主题作业的构建特点及实施
1.主题作业的构建步骤
在课题设计阶段，考查学生设计课题的能力；
在收集相关资料、调整研究方案阶段，考查学生的信息收集能力；
在开展课题研究阶段，考查学生的课题探究能力；
在自我评价阶段，考查学生的自我评价能力：
总结、汇报、交流阶段，考查学生的综合表达能力等等。
2.主题作业的构建实施
在学习了相关课程或相关知识后，教师就可以开始布置主题作业。作业的实施可以分三个阶段进行：
阶段一：准备和指导。在布置作业之前，教师应该介绍完成本作业的意义、大致内容和注意事项，然后将作业布置给学生，同时可以给出一个成功的实例。
阶段二：设计方案，开展研究。让学生仔细阅读教材和到图书馆或通过互联网等收集资料，进行创新设计，开展研究，得出自己的结论，在研究的基础上，写出具有一定质量的书面报告。
阶段三：评价、交流。在教师阅读报告的基础上，组织学生进行交流。
3.主题作业的构建特点
开放性：学生将完成的主题作业递交到文件服务器上公开，相互之间可以借鉴经验与交流技术，并刺激学生攀比自己呈现的作业质量；
展现主动性：学生对主题作业的内容与表现形式具有一定的自，有充分的思想表达空间，可以针对自己的爱好来展现，所以极大地刺激了其学习热情的提高；
逐步求精：开学即布置主题作业的内容与要求，学生可以不断改进到期末截止。它有利于对知识片整合效果的体现，以及对新学知识的挖掘与巩固，能象磁石一样将学生牢牢地吸引在整个学习过程之中；
作业评分公开：在作业成绩表分数上给予点评。对主题作业中的典型问题进行评价与动态更新，引导学生深化学习和相互监督；
强化自学能力培养。因对作业中的技术应用表现不设上限限制，同学们在计算机应用全过程中经受了各种不定因数影响下的反复磨练，甚至自主学习了大学后续课程内容。
五、结束语
笔者在多门计算机课程教学中使用了主题作业，并取得了较好的教学效果：学生分析解决问题的能力、实践应用能力、交流协作的能力等都明显增强。笔者计划在今后的教学工作中逐步建立分类课题库，以及成功案例库，进一步提高主题作业的质量和效果。
参考文献：
[1]《主题作业的能动性与交互性的研究》刘晓薇
关键词：继电保护；实践教学；PSASP；教学改革
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）19-0045-02
“电力系统继电保护”是电气工程及其自动化专业重要的专业基础课，该课程理论性与实践性都很强，内容多，而教学学时少；课程概念深，计算烦琐且抽象化，学生也感到难度较大。特别是实验和实践教学部分，因为受实验条件的限制，重庆科技学院（以下简称“我校”）电力系统继电保护只开设了继电器特性试验、功率方向继电器实验、差动继电器实验和自动重合闸4个实验，学生只是简单地学习了继电器的基本概念，对电力网络的计算还停留在电力系统分析课程中简单的2机或3机系统阶段，难以建立起现代电力系统大网络、大互联的知识。
为了适应现代电力系统的新发展，我校电气工程及其自动化专业整合了相关电力系统继电保护的课程，引入了电力系统分析综合程序（PSASP）软件，增设了为时两周的继电保护综合课程设计环节，以培养学生的工程实践能力。本文将探讨如何面向电力系统实际，寻找理论和实际应用技术的最佳结合方式，改革和建设继电保护实践教学体系，来增强学生的工程能力和创新意识。
一、继电保护综合实训的教学体系
为了增强电气工程专业课程实践教学效果，国内有的高校开设了电力系统分析课程设计，有的高校开设了继电保护课程设计，但是以往的设计大都是人工计算的方法，系统简单但计算烦琐，还不易掌握。将PSASP引入到了电力系统分析的教学中，开设了简单电力系统的潮流计算和短路电流计算等实验，取得了一定的效果。[1-2]重庆科技学院（以下简称“我校”）从2010开始，就把PSASP软件引入到电力系统继电保护课程设计的实践教学中，将“电力系统分析”课程设计和“电力系统继电保护”课程设计整合成一门继电保护综合课程设计，利用PSASP进行较复杂电网的潮流计算、短路电流计算、继电保护的整定和暂态稳定计算。通过一个完整的电网计算综合实训，把前后的知识体系连贯起来，让学生对以往抽象、烦琐的分析和计算有一个完整清晰的概念，取得了较好的效果。
图1是“电力系统继电保护”综合实训的教学体系，学生先完成电力系统的短路电流计算和继电保护的整定计算，再通过PSASP软件进行同一个系统的潮流计算、短路电流计算和继电保护的整定计算，最后进行系统的暂态稳定分析。这样一个完整的设计训练，可以让学生建立起大电力系统的初步概念，并且二者可以互相检验，从而验证学生的计算过程是否正确，所学的知识运用是否正确和熟练，达到学以致用的目的。
二、课程设计内容简介
1.建立电力网络并计算元件参数
设计任务书由教师下达，给出电力网络接线以及元件初始参数。鉴于只有两周的设计时间和人工计算的要求，网络接线不宜过于复杂。所以选择了一个三机10节点的110KV/10KV电压等级电力网络，系统网络图如图2所示，学生首先对110kV电网结构、参数进行分析，然后通过《电力系统设计手册》查得电网中各元件的电气参数，再计算元件参数。图中的参数是计算出来以后的结果，为计算方便，忽略了各元件的电阻。电网中的变压器均为YN，D11连接，发电厂升压变中性点接地，其他变压器不接地；发电厂容量为G1=50MW，G2=G3=25MW，功率因数cosΦ=0.8；输电线路的X1=0.4Ω/km，X0=3X1。
2.人工进行短路电流计算
由于短路电流计算是电网继电保护配置设计的基础，因此需要分别考虑最大运行方式（三台发电机全部投入，系统环网取开网运行）时各线路未端短路的情况，最小运行方下（三台中最大的一台退出运行，系统按环网计算）时各线路未端短路的情况。要求学生画出系统等效电路图，化简电路，再分别计算各条线路末端短路的最大和最小短路电流。电网等效电路图如图3所示。如果学生人数较多，为防止抄袭现象，可以采用学生分组的方式，比如某些组计算G、H母线的短路电流，某些组计算I、J母线的短路电流等。
学生需要计算最大运行方式三相短路的短路电流、最小运行方式两相短路的短路电流以及单相接地短路的短路电流，通过计算学生既复习了电力系统故障分析中对称和不对称故障的计算方法，又为下一步的整定计算打下了基础。教学实践中发现，采用人工计算的方法计算短路电流在工程实践中虽然已经被PSASP这样的软件所代替，但教学上仍然十分重要，对于很多基本概念的掌握仍然必不可少。
3.人工进行继电保护的整定
需要整定继电保护包括输电线路110kV三段式相间距离保护，三段式零序电流接地保护以及10kV侧的三段式电流保护，还有变压器的差动保护、过电流保护等。这部分内容计算量较大，限于学时，也可以采用分组的方式，只要求对部分断路器的保护进行整定计算。
其中，距离保护整定计算中分支系数的计算是一个不容易掌握的概念，需要对这部分难点进行重点讲解。保护的灵敏度计算也是一个重要的内容，不能为了计算灵敏度而计算灵敏度，要引导学生思考在保护灵敏度不满足要求的情况下应该如何处理。比如采用全阻抗继电器灵敏度不满足要求，就可以采用方向阻抗继电器；再如电流2段灵敏度不满足要求，就可以采用用与下一段电流2段保护相配合的方法等等。
高职院校的学生并不擅长纯理论的学习，如果在学习模电这门课程时，先进行一些感性认识的教学环节，他们往往更容易学习这门课程。科学家爱因斯坦说过：兴趣是最好的老师”。因此，在讲授模电这门课程时，在讲完绪论以后首先由老师做一些电子方面的趣味实验，以激发学生的兴趣和好奇心，以增强学生学习这门课程的积极性。如果有条件让学生到实验室动手做一些较简单的电子实验，这些实验不仅能提高兴趣，又让他们认识了一些电子器件及特性，使今后在讲授各种电子器件时不再空洞乏味。
2要引导学生进行思维方式的转变
模电作为一门技术基础课，有其自有的特点和规律，其课程更重视理论与实践的结合。一般教学计划都是电工基础安排在模电课程之前来作为模电的基础课程，但如果不加分析地用电工基础的分析方法去分析模电，可能不会得到正确的结论。模电的理论有其自身的特点，表现在：第一，模电主要的电子器件二级管、三级管都是非线性器件，这与线性电路的分析和计算是有很大区别。第二，模电的分析都是直流加交流的分析方法，即直流通道和交流通道。直流通道决定静态工作点，而交流通道是信号的通道。第三，反馈网络是模电经常使用的电路，不管是运算放大器还是振荡器都必须有反馈网络的构成。以上几点正是学生学习模电的难点，因此在讲课过程中，要让学生了解这些特点与难点，调整思维方式和学习方法，使学生能够正确把握这门课程的学习特点。以下通过几个实例说明如何引导学生思维方式的转变。
2.1非线性电路与估算
在模电中常用的二极管、三极管的伏安特性为非线性，一般称为非线性元件，而电阻、直流电源的伏安特性为线性，一般称为线性元件。在模电中线性元件与非线性元件共同组成各种电路，那么电路的计算问题在电工基础中并未涉及，那么计算这种电路目前使用估算法、图解法。有的同学往往提出为什么不用解析法，而那样计算的不是更精确吗？在讲解这类问题时要给学生讲清楚估算法在工程计算中是非常重要的，它能使有些计算问题变得简单，能较快地解决实际问题，而用解析法，一是目前学生的数学知识不能解决这种问题，二是如果能用高等数学的方法解决，但过程过于繁杂，虽然计算精度高，但与估算结果差距不大。因此在这里要让学生思维方式有一个转变。
2.2放大电路的直流通路与交流通路
在模电的放大电路中,直流通路和交流通路的分析也是模电独特的电路分析方法，由于二极管、三极管中PN结死区电压的存在，必须在交流信号通过放大电路时有一个直流电压及电流的存在，这样才能保证交流信号不失真地通过放大电路。这也是学生需思维转变的一个重要方面。对于三极管、电阻、电容、电感、电源等电子元器件，它们分别在直流电及交流信号激励作用下的不同响应决定了它们在直流电及交流信号中所起的不同作用，这些都是分析复杂放大电路的基础。很难想象不清楚放大电路直流通路和交流通路的学生能够学习好这门课程。
3通过课程综合实验提高学生的整体水平
由于模电是一门与实践联系非常密切的技术基础课，通过一些综合实验来提升学生的理论水平和实践技能是非常重要的，因此在课程讲完之后，笔者就安排一个超外差式收音机综合实验来提升学生模电的理论水平和实践能力。读图——提升学生的读图能力，课上讲的模电电路一般是各类单元电路，如共射基本放大电路、振荡电路、功率放大电路等。通过综合实验课可以将各个电路串成一个整体，笔者通过对一个超外差式收音机电路图进行整体讲解和分析，来提升学生模电电路的整体分析能力。一般超外差式收音机的电路组成为变频级——中放级——检波级——低频放大级——功率放大级，对照理论教学所讲授的内容，变频级对应振荡电路及基本放大电路，而该放大电路又工作在非线性区属非线性放大，这样才能混频输出差频信号，在这里还要补充讲解一下放大电路的非线性特性及应用，这样使学生对三极管有了更深刻的认识，平时常常强调放大电路要工作在线性区，似乎非线性区是不可用的、多余的，但通过这样一个实例让学生明白，三极管放大电路工作在线性工作区时可进行线性放大，工作非线性区时可以进行混频等应用。这样一级一级来分析后面的中频放大电路、检波电路、低频放大电路、功率放大电路等。实践证明，通过整体电路的分析与讲解，学生的读图和分析能力得到了明显的提高。
4结束语
关键词：气阀输水管道特性计算
长距离输水管道在开始输水、停止输水和流量调节的不同工况下，需将管内空气排出或将管外空气补进管内，以便保证管道系统能安全正常输水。所以在管道系统的高点、转弯及辅助装置前后等部位，要安装一定数量的气阀，用以排出和补进空气。而气阀作为兼有容性和惯性装置特性[1]的辅助元件，它的工况受输水管道系统运用特性的制约，反过来它也要影响管道系统的流动特性，结果气阀附近管道内的水流呈现出瞬变流特性，使得阀的边界条件十分复杂。由此给阀的特性参数的计算、选型和布设安装及输水管道系统特性的深入研究等都带来一定困难。正因如此，对装有气阀的输水系统特性全面计算研究实例少见，而又由于这类输水管道内水流的瞬变特性，对气阀流量特性进行试验研究的也不多见。
本文在引黄入晋工程南干线联接段模型试验研究成果的基础上，对气阀工作特性、空穴特性和上、下游管段内水流特性进行数值计算，从试验和计算两方面拓展了这类输水系统及气阀特性的研究工作。试验研究结果已表明，气阀工作时，其附近管系内会产生空穴，使得气阀流量特性、空穴特性及阀上、下游管内水流特性彼此互相联系互相制约，具有明显的非定常流特点。为此在研究计算时，把包括这三部分的管段作为整体，从非定常方程组出发，分别确定气阀，空穴和上、下游管系的边界条件，使计算真正符合这类长距离输水管道运用的实际情况，从而为阀的特性参数的确定，气阀选型及安装位置的确定等工程问题的解决提供实验和计算依据，也为安装有气阀的输水管道水流特性的深入研究提供一个范例。
选型时气阀的流量特性是重要参数，为此在水工模型试验时实测了气阀在排（补）气时的流量特性，并与计算得到的流量特性比较，二者规律基本吻合，这一结果说明：(1)空气通过气阀可视为等熵流动，其质量流量可用流体力学[2]中等熵流动公式计算。(2)穴内空气参数变化满足恒温气体定律，可按此定律进行定量计算。(3)气阀工作时，其上游管内水流量是按正弦规律变化的，这也符合振荡流动的一般规律。安装有气阀的输水管段内的流动是具有瞬变特性的两相流动，可以通过边界条件将它们耦合成一体，不但使气阀的计算更加科学合理，也使这类输水管道水流特性研究进一步深化。
1有气阀管系的整体特性
安装有气阀的输水管系整体特性包括气阀特性、空穴内气体特性和上、下游管系内水流特性。试验测试和计算都已表明，安装有气阀的输水管系，在气阀不工作时管内是正常有压流动，气阀工作时管内存在空穴，一方面空气通过气阀流入或流出，另一方面还有水流入和流出空穴，结果形成过阀的气流量、空穴体积及空气质量和管系内水流量连续同步变化的非定常流动。所以可通过边界条件将它们耦合成一体，作到既体现它们间的内在联系，也反映出各自不同的特性。因为它们都具有非定常流动特性，在计算时使用一组非定常流方程组为控制方程，而以边界和初始条件体现它们间的差异，使计算结果能反映出各自的特性和相互联系的规律。
1.1气阀特性本文主要研究通过气阀的瞬时质量流量的变化规律。根据流体力学[2]理论，安装在长距离输水管道系统中的气阀，其补气和排气过程可视为等熵流动，并可根据气流马赫数的大小，分别按亚声速和临界声速计算质量流量。另外，由于流入和流出时工作参数不同，计算公式也有区别。
1.1.1过阀气流的压力特性对于空气这种特定气体，其滞止压力Po，临界压力Pcr都有固定值，但对于一定马赫数的气流，其压力区间也是确定的[2]，即有Pcr/Po=0.528.另外，对于已建成的输水系统，管外大气压力Pa也是已知的，且当流入气阀时有Po=Pa，则可得到下面关系式：
(1)
关键词：特色课程信息技术平台使用策略
特色课程属于校本课程一类，学校先对本校学生的需求进行科学的评估，并在充分考虑当地社区和学校课程资源的基础上，以学校和教师为主体，开发旨在发展学生个性特长的、多样的、可供学生选择的课程。通过开发特色课程，教师能提高对课程的参与度、教学的热情和自身的教学素养。特色课程的有效实施可使学生走近社会、走进生活，激发学习兴趣和创造精神，有助于学生形成正确的审美观、人生观和价值观，培养学生热爱家乡、热爱大自然、热爱生活的情感。
信息技术平台指提供信息技术应用所需的操作环境，为使用计算机硬件和软件、网络、电教设备等一系列工具提供条件。包括利用计算机、网络、广播电视等各种硬件设备及软件工具与科学方法，是对图文声像各种信息进行获取、加工、存储、传输与使用的技术。
在特色课程资源开发过程中充分利用信息技术平台，可提高获取信息的速度与质量，使信息的存储与管理方式简便、安全，信息的加工与表达手段丰富，信息的交流与快捷高效。
在实施过程中利用信息技术平台，将现代化信息技术作为手段和工具应用到特色课程的教学当中，充分利用多媒体、网络信息等资源，不仅能提高教与学的效率，使学生更快、更好地掌握知识，而且在应用信息技术教学时，能提高学生的探究能力、实践能力、综合能力，加深学生对信息技术知识的理解，促进信息素养的提高。
下面我以我校特色美术课程《淳朴的味道——麻绳》和计算机特色课程《玩转计算机》为例，阐述信息技术平台在课程的开发与实施环节中的使用策略。
一、特色课程编写中信息技术平台的应用策略
（一）网络搜索引擎的使用
利用百度、搜狗等搜索引擎，收集编写特色课程所需的图片、文字、视频等资料，为开发设计特色课程提供各类资料。《淳朴的味道——麻绳》课程编辑开发前，我利用网络搜索大量关于麻绳的资料，分类有麻绳手工作品、麻绳装饰品教程、麻绳手工作品图片、麻绳手工作品教学、麻绳手工作品制作教学视频、麻绳手工作品制作教案、麻绳手工作品制作工具、麻绳材料、麻绳手工作品的保养等。根据我校学生的年龄特征、兴趣爱好及本地风俗习惯和地域特点，选取相关可参考利用的信息。《玩转计算机》课程编辑开发前，开发组教师利用网络搜索大量计算机基础知识、计算机硬件知识、计算机软件知识、计算机硬件图片、计算机软件操作视频等。根据我校学生已有的计算机水平和家庭计算机使用水平，结合江苏省信息技术教学教材，确定了计算机维修、Linux操作系统、计算机安全、网络通讯等为特色课程内容，课程内容为学生解决生活中常见的计算机故障，锻炼动手实践能力。
正确使用网络搜索，不仅可以提高获取信息的速度与质量，节省时间，而且可以提高开发课程的效率，在特色课程编写过程中起到事半功倍的效果。
（二）数码设备的使用
在课程教材的开发编写过程中，有些资料信息需要根据实际情况采集、录入。利用扫描仪、数码相机、数码摄像机等电子设备，可以保证信息采集的正确性与时效性。在《淳朴的味道——麻绳》课程教材编写过程中，教师设计的麻绳装饰作品，利用数码摄像机录制制作的全过程，供学生参考学习，作为教学实施过程中的资料。麻绳的成品用数码相机拍摄，作为插图在课程教材中使用。开发过程中的纸质图片资料可以利用扫描仪进行信息采集，转化为电子图片。在《玩转计算机》课程开发中，利用扫描仪将纸质资料采集到计算机中，利用相关软件转换成电子信息。利用数码相机可拍摄采集网线接口、路由器等计算机硬件图片。数码摄像机可以录制维修计算机的过程。
使用数码设备提高了信息采集的速度与质量，大量精美直观的图片增强了特色课程教材的直观性、兼容性、实用性。
（三）计算机应用软件的使用
1.视频资料的编辑。会声会影（绘声绘影）是一个功能强大的“视频编辑”软件，具有图像抓取和编修功能，主要特点是：操作简单，界面简洁明快，可以挑战专业级的影片剪辑软件。影片制作向导模式，只要三个步骤就可快速做出DV影片。
在《淳朴的味道——麻绳》教学中，教师示范麻绳编制过程的视频文件，可编辑麻绳编制过程快播形式，关键技术点正常播放，这样可以缩短视频时间，节约课堂时间，突出教学重点。《玩转计算机》的教学中，教师视频录制系统安装的全过程，过程中相关知识点较多，通过视频编辑软件可以加上文字注解和重点提示区域，有利于学生观看时记录。
2.图片资料的编辑。Photoshop、光影魔术手是两款常用图片处理软件，其中Photoshop为专业图像处理软件。图像处理是对已有的位图图像进行编辑加工处理，运用一些特殊效果，重点在于对图像的处理加工。通过网络收集和设备采集的图片资料，在编辑课程教材时需要进行一定的加工处理，利用图片处理软件可以对图片进行加工处理。编辑《淳朴的味道——麻绳》教材时，拍摄的电子照片需要处理成统一的格式，利用光影魔术手可以快速进行多张图片的色彩、大小调整。编辑《玩转计算机》教材时，计算机的硬件图片有多个，利用Photoshop将多个图片组合编辑成一张图片。教材的封面和封底的设计利用Photoshop进行制作，体现了特色课程的亮点。
3.文字资料的编辑。课程开发过程中的文字资料，利用Word、WPS等文字处理软件可以记录、编辑文件，对比传统的纸质记录有方便修改、复制多份、保存传递快捷等多个优点。
二、特色课程实施中信息技术平台的应用策略
（一）专题网络平台应用
专题学习网站是一个基于网络平台的专题研究、协作式学习系统，通过在网络学习环境中，向学习者提供大量的专题学习资源和协作学习交流工具，让学习者自己选择和确定研究课题或项目设计，自己分析并选择信息资料，应用知识解决实际问题。
我设计了《淳朴的味道——麻绳》和《玩转计算机》的特色课程专题网站，挂靠在学校网站下。在专题网站中，共设计三大板块即课程指导、学生交流讨论、管理评价，这三个板块有分有合，互相联系。课程指导板块包括特色课程教材、特色课程指导视频、拓展知识库三个单元；学生交流讨论板块包括学生作品交流展示、学习计划、成果展示、过程记录四个单元；管理评价板块包括对学生评价、对指导教师评价、获奖纪录三个单元。
《淳朴的味道——麻绳》和《玩转计算机》专题网站具有以下功能：
1.即时学习、资料下载功能。学生只要登录网站，就可以观看课程教学资料、教材，并且能下载学习资料，进行网络脱机学习。
2.交流功能。在专题网站中每一个页面都设有一个交流的空间，学生可以参与讨论，表达看法，进行交流。
3.评价功能。教师针对学生提交的作品、作业，给予评价，给出评语。
4.展示功能。在专题网站中，可以选取优秀学生作品，进行展示交流。
5.录入、记录保存功能。可以录入、记录学生参与特色课程学习过程及评价和成绩，同时系统给予记录保存，可以随时提取和再现。
利用网络平台提供的多种教学资源，方便快捷。教师把特色课程中的教学相关资源放在网络平台中，方便学生与家长共同学习与提高。网络学习有助于学生的协作精神，探究能力，思维、判断、分析能力的培养。
（二）多媒体教学系统的应用
多媒体教学系统采用多媒体计算机，综合运用文字、声音、图形、影像、动画等手段，激发学生对实验的学习兴趣，并营造生动的学习环境，学生通过计算机的交互对话，促进了对知识的理解和记忆。多媒体课件具有良好的交互性，学习者完全可以根据自己的需要选择教学内容和时间，实现真正的个别化教学，实现因材施教。
在《淳朴的味道——麻绳》的制作指导课中，教师利用多媒体教学系统播放麻绳手链的制作过程，能保证教室里每个学生都看得清楚，为学生动手制作提供帮助。我在《玩转计算机》无线路由器安装实践操作课中，利用PPT播放发无线路由器的过程，直观、清晰，便于学生记忆，学生能很快记录下安装方法和要诀。
利用多媒体教学系统，解决了场地、时间的限制问题，便于学生观看、记录，针对学生具体问题，可反复或就某一段落观看。在活动中不仅学生学习方法得到了指导，而且充分调动了学生自主参与、探究问题的积极性。
（三）QQ群等网络平台软件的使用
QQ交流是现代社会常用的交流方式之一，QQ群讨论问题可以不受时间与空间的约束和限制，满足学生主动的人际交往需要。在学校中，以特色课程名称建立相对应的QQ群，学生根据自己选择的课程分别加入。在群的空间中可以分享学习心得和展示学习成果，供其他同学、老师参考与讨论。
《淳朴的味道——麻绳》和《玩转计算机》分别建立了QQ群，对全校学生公布群号，感兴趣的学生都可以参加。学生在QQ群中交流制作麻绳的技巧，分享作品成功的感受，对他人的作品提出改进的意见。学生在QQ群中更加乐意发表感受，诉说自己制作麻绳作品、动手操作计算机时遇到的困难和解决困难的方法，更加愿意帮助其他同学解决问题。
使用QQ群等网络平台软件，将学习的主动权交给学生，利于调动学生的学习积极性，让学生有自主学习的时间和空间，广泛主动参与教学活动，积极思考，亲身实践，培养学生的自我意识、竞争意识和创新意识，以及分析问题、解决问题的能力。利用这种探究式学习方式，教师更像学生的辅导者或帮助者。这在信息技术高速发展，强调终身学习、继续教育的今天具有特别重要的意义。
总之，特色课程的开发有助于建立合理的课程结构，有助于体现学校的教育教学特色，也有助于学生身心和个性更加健康地发展，是学校教育教学内容的有益补充。在特色课程资源开发与实施过程中，充分利用信息技术平台，构建一个动态、开放和共享的信息技术平台模式，是推进教育信息化、提高学生信息素养、提高学校办学质量的有效方式。
参考文献：
[1]盖志武，王蓬湖，王述洋.构建基于现代信息技术平台的实验教学体系[J].中国教育装，2008（5）.
[关键词]机械设计现代设计方法优化设计
中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1009-914X（2015）06-0175-01
随着科学技术的进步，机械系统引入的新材料、新工艺、新方法越来越多，实现同一种技术功能所具有的功能载体和技术手段也很多，因此，现代机械系统设计工作者若使自己设计出的产品能立足市场，除要求机械系统能实现预期的功能外，还应使设计出的机械系统满足物美价廉、运行可靠、操作方便、对环境污染小等一系列要求。设计者只有通晓机、电、液等各种综合技术，才能设计出性能价格比优良的机械系统。
1机械设计
机械设计（machinedesign），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。
2现代机械设计的特点
现代机械种类很多，结构也越来越复杂。但从实现系统功能的角度上看，它主要包括动力系统、传动系统、执行系统、操纵及控制系统等，每个系统又可根据需要继续分解为更小的子系统。
现代机械设计有其鲜明的特点，即不但要求设计对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、物流技术、各零部件的材料、形状、尺寸、方法等进行构思、分析、计算，而且还需融通多门科学知识，如创造性工程、美学、仿生学、控制论、机械电子学、价值工程等，使设计出的产品在市场中具有竞争力。
3计算机辅助机械设计方法
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）技术是电子信息技术的一个重要组成部分。这一新兴学科能充分运用计算机高速运算和快速绘图的强大功能为工程设计及产品设计服务，彻底改变了传统的手工设计绘图方式，极大地提高了产品开发的速度和精度，使得科技人员的智慧和能力得到了延伸。它把计算机所具有的运算快、计算精度高、有记忆、逻辑判断、图形显示以及绘图等特殊功能与人们的经验、智慧和创造力结合起来，从而减轻设计人员的体力劳动，提高设计质量，缩短设计周期。
CAD系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统是计算机辅助设计技术的物质基础；软件系统是计算机辅助设计技术的核心，它决定了系统所具有的功能。硬件和软件的组合形成了CAD系统：1）软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件3个层次；2）系统软件对计算机资源进行自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层，主要包括操作系统和数据通信系统等；3）支撑软件是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，亦称为软件开发工具；4）应用软件是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件，自行编制的用于解决各种实际问题的程序。
计算机辅助机械设计的一般过程包括：1）建立数学模型：一般机械零件基本都有现成的数学模型，但对没有数学模型的则首先要建立正确的数学模型；2）设计程序框图：程序框图根据手工计算的步骤来设计；3）用高级语言编制程序：根据程序框图来编程；4）程序调试：程序编好后，先仔细检查源程序，然后将其输入计算机进行试算，再对程序适用范围的边界、转折点进行试算，要求与手算结果完全吻合。
4系统化机械设计方法
现代机械设计已突破传统的机械设计只注重机械产品单纯能实现预期功能的要求，使机械设计向自系统化、信息化、柔性化和智能化的方向发展。从系统的观点出发，机械系统设计及其控制技术把原有机械产品的性能、功能以及制造技术提高到一个崭新的水平，甚至使原有的机械产品结构发生变化，所带来的经济效益和社会效益是巨大的。所以机构产品的系统化设计及其控制技术是机械工业发展的必然趋势，也是用新兴技术改造传统机械工业的有力措施。
科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。
目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。
系统化设计方法将设计任务由抽象到具体（由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构）进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
在系统化机械设计过程中，为使设计工作更为科学合理，常把一个机械系统分解为若干个相联系的比较简单的子系统，可使设计和分析比较简便。根据需要和可能，各子系统还可再分解为更小的子系统，依次分解，直至能进行适宜的设计和分析。系统分解时就注意以下几点：1）分解数和层次应适宜。分解数太少，子系统仍很复杂，不便于模型化和优化工作，分解数和层次太多又会给总体系统的综合造成困难；2）避免过于复杂的分界面。应尽可能选择在要素间结合枝数（联系数）较少和作用较弱的地方；3）保持能量流、物料流和信息流的合理流动途径。通常机械系统工作时都存在着能量、物料和信息3种转换，它们从系统输入到系统输出的过程中，按一定的方向和途径流动，既不可中断，也不可紊流，即使分解成各个子系统，它们的流动途径仍应明确和畅通；4）了解分系统分解与功能分解的关系与不同。系统分解时，每个系统仍是一个系统，它把具有比较密切结合关系的要素结合在一起，其结构组成虽稍微简单，但其功能往往还有多项。而功能分解时，是按功能体系进行逐级分解，直至不能再分解的单元功能。
5结论
网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求、设计、加工、装配、成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。因此，机械设计方法的发展趋势是综合运用系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，以产品方案设计为方向。
参考文献
关键词：专业课程；建构；类比；教学；思维
中图分类号：G642.41文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）15-0126-02
一、引言
高校专业课程的教学改革要立足于学员的任职能力和未来发展，在教学内容的宽度和深度上拓展学员的思维，并且在创新思维能力的培养上找到有力的抓手，从而全面提高学员的综合素质。在专业课程的教学中，要以学员为中心，教员必须引导学员以“设计者和开拓者”的角色探究思索，选择“相关原型案例”对比分析，从实际的体验出发，通过“交换、比较、反复”，逐步建构抽象的概念，培养创新的思维方法，提高自主学习和设计能力。通过多层次课堂互动，活跃课堂气氛，提升学员学习的主动性，进而全面提高课堂教学质量。本文针对计算机网络课程具有跨学科、抽象概念多、应用性和综合性强的特点，突破按照概念、定义与原理的顺序推进教学内容“灌输式”的教学模式，尝试运用体验式类比教学法开展计算机网络的教学，取得了一定的成效。
二、体验式类比教学法基本内涵
所谓类比，就是借助于两类不同本质事物之间的相似性，通过比较将一种已经熟悉或掌握的特殊对象的知识推移到另一种新的特殊对象上去的推理手段，也就是说如果两个对象存在相同或相似特征，则二者之间可进行类比。由于自然界不同领域的不同过程都处在广泛的联系中，都具有一些共同特征或相似的表现形式，因而作为反映自然界不同领域或不同运动形式的自然学科的教学，有着类比的客观基础。不仅如此，人类的认识也是从已知到未知的，因而类比教学也有其牢固的心理学基础。
在《计算机网络》教与学的过程当中，有很多诸如计算机网络体系结构、网络协议等抽象难懂的概念，如果采用通常的教学方法，从概念、定义或原理出发，进行“灌输式”的教学，由于无实物参照与验证，学员的课堂反映将是枯燥无味的，即使勉强接受，那也只能是囫囵吞枣，一知半解。多年的教学实践表明，如能立足学员既有的知识和实际体验，借助于类比法，可以沟通新旧知识之间的联系和衔接，帮助学员快速领会掌握新知识，把新旧知识的复习很好地结合起来，能让学习者感到比较自然，易于接受，便于记忆，减少对新学知识的生疏、抽象感，还可以使学生对“类比”这种变未知为已知的重要认知方法有所领会，起到“一箭双雕”的作用。类比在建立概念和规律有联想作用，在建立新认知结构中具有迁移作用。在《计算机网络》的教与学过程中引入类比法，能起到事半功倍的奇效。
三、体验式类比教学法的实施流程
针对计算机网络体系结构以及网络协议等抽象概念与教学难点，不能简单地从概念出发，而应当寻找合适的参照物进行类比，在比较中获得启发与灵感，其实现实中的很多发明和创新均是移花接木后碰撞出艳丽的光辉，获得了成功和喜悦。因此对于网络体系结构分层、封装与解封和网络协议等内容的讲解，可以尝试从学员既有的日常生活和学习的体验出发，汲取类似案例的本质特征和规律，从而洞悉和建构新的概念和知识体系。在实际授课过程中，通过新概念与经验和体验的比对，启发学员思考，培养创新思维，激发学习动力，活跃课堂气氛，自然地实现了新知识的建构和重要概念的理解，也真切地感受到作为一个“开拓者”和“设计者”解决问题的心路历程，从而培养出创新思维和主动创新的学习能力。以下是针对计算机网络体系结构和网络协议进行类比教学的案例，将计算机网络所支持的信息流与普遍存在的物流运输相比拟，可以借助于基于集装箱的运输系统来理解封装与解封的深刻含义；而对于网络协议的理解则通过国际贸易关系的建立与实施来进行类比，借助于贸易双方的协作与对等协商的关系，来理解网络协议的含义。
学习案例1：计算机网络体系结构封装与解封的讲解，可以采用以下体验式的类比教学流程：
1.从学员既有的最真切的体验出发，设问并逐步启发思考以下问题。
（1）计算机网络是传输的数据流，那么与此相类似的，在现实世界中你有深刻体验的“网络”吗？你可以思考、引用和剖析这些存在已久的“基础架构”。
（2）计算机网络作为信息传输的基础设施，它传输的数据对象属性、格式、特征和需求千差万别，那么网络是否需要为每一种特定格式的数据传输配置一种特定的结构体系，才能完成数据传输工作？是否存在一个软开关来配置这个面向需求的网络？对这个既很熟悉又很陌生的“网络”你拨弄过这个“机关”吗？
2.面对以上问题，学员都有各自的体验和猜想，课堂气氛被调动起来了，教员和学员不再被束缚于几个概念，而是敞开思绪，“分析、比较和交换”（注：老一辈革命家陈云提出的工作方法）可能的方案，在相互的碰撞中，抽丝剥茧，理清思路，明晰网络体系结构的本质和特征。
3.学员阐述各自的体验（知识、能力和素质的结合），在相互启发下，参照类比的现实存在和机理，通过创新思维，逐步明确和建构面向特定需求的计算机网络的核心机理。
应用了类比的方法讲解了计算机网络体系结构封装和解封的思想，从而了解了Internet网的精髓及IP网络的体系架构，教学中没有简单地直接阐述概念，而是通过启发、比对和重构，实现对新知识的学习。
学习案例2：对于计算机网络协议的讲解，可以采用以下体验式类比教学流程。
1.协议是日程生活、商业贸易和合同中经常遇到的，买卖双方就某一项交易，经过协商达成一致，就可以签订相关协议，这说明协议一定是解决双方的交易而存在的。
2.同样的，计算机网络能够实现收发双方的数据交互，要实现数据的可靠传输，也需要收发双方共同遵守一些规则，遇到各种可能的请求和异常时，双方能够按既有的约定响应对方，做到双方“心中有规则，行动有方向”。
四、体验式类比教学模式的课堂设计
体验式类比教学模式的课堂设计以类比教学法为主线，综合运用问题教学法和翻转课堂等教学模式，在实际课堂教学环节，教员引出授课主题内容和关键知识点后，先启发学员针对新知识内容寻求比对的“原型案例”，在深入探讨比对之后，由学员自主构建新的知识体系架构，并阐述两者之间的差异，并引导学员逐步完善新的知识体系模型。课堂教学中，注意引导，通过提问、组织回答问题等方式活跃课堂气氛，教员适时对学员共同存在的问题可以引申讲解，让学员在互动交流讨论中得到对重难点问题的深化理解。体验式类比教学模式的课堂设计的一般程式如下。
1.教员主讲阶段。
问题的引入：网络已经成为全球经济和军事活动的最重要的基础设施，我们对网络操作应用最熟悉但是对原理和设计也很陌生，我们甚至感到对于网络黑客的盛行感到恐惧，研究计算机网络、利用计算机网络是我们的必需，也是不可回避的重大问题，了解计算机网络原理、熟悉计算机网络的体系架构，进而去控制计算机网络的各种风险已经成为信息专业的重大任务。
计算机网络体系结构定义的理解（抽象概念）。
提出问题：如何深入理解？计算机网络体系结构内涵有哪些？提出类比的原型案例“快递邮件系统（红）与远洋运输系统（蓝）”，对比分析，以“设计者”的角色提出设想……
通过问答、讨论等方式对计算机网络体系结构进行剖分，由粗到细，逐步逼近客观实际，提出计算机网络的概念框架，在学员的体验的基础上，培养学员的自主思考自主学习的能力。
2.学员互动探究阶段。
问题的引入：剖析快递邮件系统（红）与远洋运输系统（蓝）；学员思考回答问题：计算机网络的设计有关因素？进而引入知识点“计算机网络体系结构”。
知识点介绍：以分组交换网络为例，分析五层的组成与相互之间的关系。
讨论环节：学生针对分组交换网络原理发现问题、提出问题并解决问题，提出各种问题，探索、探究、思考……各小组分为正反和反方，给出合理或不合理的理由，进行课堂辩论。既加深了对本次课内容的理解，也达到温故而知新的目的。
授课小结：对讨论问题进行小结，回答学员的疑惑，最终揭晓计算机网络体系结构的庐山真面貌。
3.教员点评。教员根据学员原型案例研讨情况进行点评，包括课件的制作、授课的表现情况、各组讨论的情况等，指出好的方面和不足之处，提出改进意见。
与学员分享教学理念：探究、思考、创新永远在路上，是战胜一切困难的源泉和力量。
五、结语
体验式类比教学方法根植于建构主义和教育心理学的学习理论、激活理论以及迁移理论，利用体验式类比法教学法进行专业课程授课，有效提高了课堂教学的效果，能激发学习者的学习热情，促使学习者积极思维、主动尝试，寻找新旧知识的相异之处，并以此为基点学习和探索新知识。与此同时，将思维主体让位给学习者，培养学习者的创造精神和实践能力，引导学习者进行发现性学习，不断促进学习者的知识迁移，丰富学习者的认知结构，快速构建新的知识体系和架构，并在学习过程中能够不断体验“开拓者”和“设计者”的成功经验，在专业课程学习中不断积累和培养创新思维的习惯和能力。
参考文献：
[1]李畅，等.动态能力集一工学结合人才培养模式研究[J].天津职业大学学报，2008，（4）.
[2]郭孝欢，谢小荣.创新专业课程教学模式研究[J].考试周刊，2012，（20）.
关键词：边坡；锚固；流变；弹性模量；数值分析；有限元；MSCMarc
中图分类号：TV223.24;O241.82文献标志码：A
Rockrheologynumericalanalysisonanchoredslope
ZHANGZhe,ZHENGBailin,HEPengfei,LIJingjian
(InstituteofAppliedMechanics,TongjiUniv.,Shanghai200092,China)
Abstract：TheintegratedmodelisestablishedbyMSCMarc.TheeffectsofrockrheologyandYoung’smodulustotheanchorageisexplored.Thedeformationofslope,rheologyofrock,andstressrelaxationofanchorbararestudiedundertherockwithdifferentcoefficientsofrheologyandanchorbarwithdifferentYoung’smodulus.Andthenumericalanalysiscanprovidereferenceforthedesignofanchoredslopes.
Keywords：slope;anchorage;rheology;Young’smodulus;numericalanalysis;finiteelement;MSCMarc
0引言
锚固边坡［1］是通过埋设在地层中的锚杆,将地梁与岩体紧紧连锁在一起,依赖锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力或使地层自身得到加固,以保持边坡和岩土体的整体稳定.锚固技术可以大幅度改善岩体的力学性能.岩体锚固技术［2］利用深层岩体的强度加固表层岩体,能充分发挥岩体的自承载潜力,调节和提高岩体的自身强度和自稳定能力,节约工程材料,并保证施工的安全与稳定,在水电、交通及矿山的岩石边坡工程中得到广泛应用.随着锚固技术在岩土加固技术中的广泛应用,对锚固加固效果的影响分析精确度要求越来越高，但是由于影响岩体力学性质的因素很多,仅依靠经验计算得到较为接近工程实际的计算结果较为困难.本文利用有限元计算,考虑岩体的流变特性,对锚固边坡的效果进行分析.
1岩体流变理论
岩体是非常复杂的结构体［3-5］,大量试验表明流变［6］对岩体的性能有很大影响.因此，在边坡的锚固效果分析中引入流变理论,可以使岩体的真实属性得到更为准确的描述,锚固边坡的整体计算结果也可以进一步改善.
大量现场量测和室内试验都表明,流变特性对岩体的力学性能影响非常显著.忽略岩体高边坡具有的流变特性,将可能给工程留下很大的安全隐患.［7］由于岩体的力学特性十分复杂,在分析与岩体相关的工程设计中,应充分考虑岩体的流变特性,才能保证设计的合理性.所以在锚固岩体的计算中,引入岩体的流变特性,对岩体在长时间工作时的力学性能进行分析.
岩体流变特性是指岩体在一定应力或应变条件下具有时间效应的变形形状和破坏性状.岩体流变特性主要包括蠕变、应力松弛、长期强度以及弹性后效和滞后效应4个方面的内容.
现阶段,随着工艺水平的不断提高、研发能力的增强,材料的性能也不断提高,锚杆的弹性模量也越来越大.研究弹性模量较大的横杆，有助于对其工作性能的了解.图2结构单元图3流变岩体取出处图4应力指数为1.3时边坡的变形图5应力指数为1.3时岩体的流变图6在应力指数从1~1.3岩体上点的流变曲线图7应力指数从1～1.3锚杆上点的应力衰减曲线图8锚杆弹性模量为400GPa时边坡的整体变形
图9锚杆弹性模量为400GPa时岩体流变曲线图10岩体一点在不同锚杆属性下的岩体流变图11不同弹性模量下锚杆的应力衰减曲线
3结论
通过对不同应力指数的岩体进行计算,得到以下结论：（1）岩体的应力指数越大,其在工作期间的变形越大；流变的速度越快,流变趋于稳定的量值越大；锚杆应力衰减的速率越快,锚杆残留的预应力越少；（2）在相同预应力条件下,大部分锚杆下部岩体在5年左右都达到流变的稳定状态.
不同地域岩体的流变特性不同,根据本文计算结果,应力指数对于锚固岩体的流变性能有明显影响，因此在工程中对于岩体流变指数的选取应根据当地的岩石特性进行选择.
通过对不同弹性模量的锚杆进行计算,可以发现在相同预应力条件下：（1）锚杆的弹性模量较大,岩体蠕变较小；（2）大部分锚杆下部岩体在5年左右都达到蠕变的稳定状态；（3）锚杆的弹性模量较大,岩体变形量较小.
上述结果说明在施加相同预应力的条件下,弹性模量越大的锚杆,预应力流失越快并且剩余的预应力越少.
参考文献：
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［6］张鲁新,周德培.蠕动滑坡成因及隧道变形机理的分析［J］.岩石力学与工程学报,1999,18(2):217-221.
摘要:
以180°圆形弯管为例，对弯管内流场的数值模拟方法进行了研究。分别采用k－ε模型，RNGk－ε模型和雷诺应力模型对弯管内流场进行计算，并将计算结果与试验测量结果进行了对比。结果表明:弯管内流体旋转产生的离心力导致了压力分布的变化，使得弯管内流体产生较强的涡流。在近内壁区中间位置，3种模型的计算结果与实验测量基本一致;在上半部分的1/2处，雷诺应力模型与标准k－ε模型的精度较高;在中心区，3种模型的计算结果与实验测量接近一致，但在弯管的进出口区域，雷诺应力模型的计算精度较高。近外壁区，3种模型的计算结果均反映了主流切向速度的变化趋势，但以雷诺应力模型计算精度最高。3种模型均反映了180°圆形弯管流场的主流切向速度的基本特征，但在一些速度变化较大，流场具有各向异性的局部区域，雷诺应力模型具有较高的预测精度，而标准k－ε模型与RNGk－ε模型存在着一定的局限性。
关键词:
弯管；流场；数值模拟；湍流模型
弯管是一种极为常见的流道结构，广泛应用于航天、石油、化工、水利等领域。由于弯管中流体的转向流动使弯管内的流场呈现出复杂的流动特性，产生了边界层分离与横截面上的二次流，因此，弯管内的流动一直受到广泛关注。Taylor［1］对90°弯管内的流场进行了详细测量，对比了层流与湍流流态在弯管内不同截面的时均速度与压力分布，指出弯管流场中的压力梯度较大，且存在着与主流方向垂直的二次流现象。一些研究者［2－4］对弯管流场的实验结果与Taylor的结论基本一致，弯管的主流切向速度在0°截面处开始畸变，内侧速度增大，外侧速度减小，随着旋转流动的发展，内侧速度开始减小，外侧速度增大，主流切向速度最大值向外偏移;弯管的内壁面压力低于外壁面压力，在内壁面的边界层分离区附近的剪切层的脉动速度与周围相差较大，表现出强烈的各项异性，而在管道中心线附近区域，各个方向的脉动强度基本属于一个量级，表现出各向同性。由于数值模拟方法可以整体描述弯管流场中轴向速度和径向速度的变化，较为全面地揭示弯管内流动的复杂特性，如横截面上二次流、器壁表面的边界层分离以及流场压力畸变等等，因此一些研究者对弯管流场进行了一些数值模拟的尝试［5－8］。但是针对这种弯管内强旋流的数值模拟，主要都是基于涡黏性假设的一些数学模型，如标准k－ε模型、代数应力模型等，而基于这些计算模型的模拟结果都存在着种种缺陷，与试验结果存在着不同程度的偏差。为此，本研究以180°圆形弯管为研究对象，分别采用标准k－ε、Realizablek－ε和雷诺应力(RSM)这3种湍流模型计算弯管内相流场，考察了3种模型的预测精度，并与试验测量结果对比，为今后这种带强旋流的弯管流场的计算模拟模型的选取提供参考。
1、试验与数值模拟方法
1.1试验装置和测量方法
180°圆形弯管为有机玻璃制造，其结构尺寸和测量截面见图1。考虑到弯管结构上下对称，仅取弯管的上半部分为测量对象。流场测量是在吸风负压状态下进行的，流体介质为常温空气，测量仪器为热线风速仪，弯管入口速度Vi=15m/s。由图1可见:弯管圆形截面的直径为105mm，内侧半径ri=87mm，外侧半径ro=192mm，进口直管部分长度L=340mm，出口直管部分长度L=840mm。坐标系的坐标原点设在弯管中间横截面的曲率中心处，弯管转角的起始点设在弯曲段的开始处。在弯管上不同位置开有测量孔。径向测量截面(XOY平面)和轴向测量截面［半径r=(ri+ro)/2=柱面］设在弯管θ=0°，30°，60°，90°，120°，150°和180°的上半部分。r径向测量位置坐标r*=(r1－ri)/(r0－ri)－ri/2ri，在弯管中心处r*=0。Z轴向测量位置坐标Z*=Z/105，弯管的XOY平面Z*=0。L表示沿弯管中心线从入口为起点的沿程长度。
1.2网格划分与边界条件
采用GAMBIT进行建模和网格划分;选用QUICK差分格式和SIMPLE算法。流体为常温状态的空气，进口边界条件为入口气速Vi=15m/s。将弯管的出口管路加长，以保证充分发展条件的成立;出口边界条件按充分发展的湍流流动来处理，所有变量在出口截面处轴向梯度为零;壁面处采用无滑移边界条件，对近壁网格点用标准壁面函数处理。
2、3种不同湍流模型模拟结果对比
图2是标准k－ε模型、RNGk－ε模型和雷诺应力模型(RSM)计算的切向速度与试验测量切向速度的对比。在近内壁区［图2(a)，r/r0=0.4722］，中间位置(Z=0)，3种模型的计算结果与试验测量值基本一致，在上半部分的1/2处(Z=50mm)，雷诺应力模型(RSM)与标准k－ε模型的精度较高;在中心区［图2(b)，r/r0=0.7222］，3种模型的计算结果与试验测量值接近一致，但在弯管的进出口区域，雷诺应力模型(RSM)的计算精度较高;近外壁区［图2(c)，r/r0=0.9722］，3种模型的计算结果均表明了主流切向速度的变化趋势，但与试验测量结果对比，以雷诺应力模型(RSM)计算精度最高。标准k－ε模型、RNGk－ε模型、雷诺应力模型(RSM)3种模型的数值模拟结果均反映了弯管流场的主流切向速度的基本特征。但在一些速度变化较大、流场具有各向异性的局部区域，由于雷诺应力模型(RSM)考虑了壁面对雷诺应力分布的影响，对这些区域具有更高的计算精度。
3、弯管内流场的数值模拟方法分析标准
k－ε模型是普遍采用的湍流模式之一，是基于Boussinesq涡黏性假设，即采用了梯度性和各向同性的概念，导出的各向同性的湍流黏性系数是个等方性标量，不能够反映湍流的各向异性的特点。RNGk－ε模型是从暂态N－S方程中推出的，把重整化群(RenorNalizationGroup)方法引入到湍流研究中建立的一个新湍流模型。RNGk－ε模型的ε方程里有一项考虑快速变形的流动，对瞬变流和流线弯曲的影响能进行更准确的预测。此外RNGk－ε模型中湍流Prandtl数是一个解析公式，而不是一个常数，可以提高涡旋流的预测准确性。雷诺应力模型(RSM)直接求解雷诺方程中湍流脉动应力项，抛弃了Boussinesq的各向同性湍流动力黏度及湍流应力与时均速度梯度呈线性关系的假设。雷诺应力模型(RSM)的模拟不需要任何输运方程求解，而是通过雷诺应力得到，因而对不均匀的、各向异性的湍流运动显示出其优越性。
4、结论
对弯管内流场的数值模拟方法进行了研究，通过标准k－ε模型、RNGk－ε模型、雷诺应力模型(RSM)3种模型的数值模拟结果与试验测量结果进行对比可知，这3种模型均反映了180°圆形弯管流场的主流切向速度的基本特征，但在一些速度变化较大，流场具有各向异性的局部区域，雷诺应力模型(RSM)具有较高的预测精度，而标准k－ε模型与RNGk－ε模型存在着一定的局限性。
参考文献:
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