摘要：針對微機電系統設計的特點(diǎn)，以培養卓越研發(fā)人才為目標，結合CDIO工程教育理念，改變“以教師授課為主體”的傳統模式，提出了計算流體力學(xué)的上機實(shí)踐教學(xué)方法，從教學(xué)內容、教學(xué)過(guò)程、考核與成績(jì)評定等方面進(jìn)行教學(xué)改革。結果表明：本文采用的上機實(shí)踐為主的開(kāi)放教學(xué)模式能充分調動(dòng)學(xué)習積極性，在短期內讓理論基礎較薄弱的工科學(xué)生掌握計算流體力學(xué)基本理論和方法，提高理論聯(lián)系應用的能力。
關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)；微機電系統；課堂教學(xué)；教學(xué)方法
中圖分類(lèi)號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）29-0163-03
微機電系統是集傳感、執行、信號處理和控制電路等于一體的微型系統，微機電系統技術(shù)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）是設計和制作特征尺寸在微米量級器件或系統的技術(shù)綜合。MEMS技術(shù)能服務(wù)于航空航天、化工、生物醫療等領(lǐng)域，具有廣泛的應用價(jià)值[1]。目前，中國作為全球最大電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，消耗全球四分之一的MEMS器件，但我國生產(chǎn)的MEMS器件仍以中低端為主，而高性能產(chǎn)品和原創(chuàng )性產(chǎn)品較少，導致行業(yè)利潤較低。主要原因之一研發(fā)人員理論基礎薄弱，理論與實(shí)踐應用相脫節，與歐美發(fā)達國家相比處于落后地位，嚴重制約產(chǎn)品孵化和產(chǎn)業(yè)化速度。
計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是以計算機為工具，通過(guò)數值計算方法求解流體問(wèn)題，是流體力學(xué)的主要分支。隨著(zhù)計算機快速發(fā)展，運用CFD已經(jīng)可以精確求解復雜工況的流體問(wèn)題，已成為對產(chǎn)品性能進(jìn)行預測的重要方法。在MEMS領(lǐng)域，許多器件的設計都涉及到復雜工況下多物理場(chǎng)耦合作用的流體計算問(wèn)題，例如，用于生化檢測的微流控芯片、微型燃料電池、LED微散熱板等[2]。此外，一些微納制造工藝的優(yōu)化也涉及到流體控制問(wèn)題，例如微膠連、微電鑄、微注塑等。上述內容均需要研發(fā)人員具備綜合運用CFD的能力，才能探明規律和改進(jìn)設計。但是，與力學(xué)等專(zhuān)業(yè)不同，MEMS專(zhuān)業(yè)的學(xué)生受限于學(xué)習周期，并未系統學(xué)習過(guò)計算流體力學(xué)等基礎課程，導致他們在實(shí)踐中力不從心。通過(guò)個(gè)人努力，雖能在短期內掌握軟件的操作使用，但對涉及到的網(wǎng)格劃分、計算格式與邊界條件的數理內涵卻不甚了了，也就無(wú)從解決計算模擬中出現的不收斂等問(wèn)題，甚至會(huì )將錯誤的計算結果誤以為真實(shí)的物理圖像，作為下一步優(yōu)化設計的判據?？梢?jiàn)，有必要為MEMS及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高年級本科生和研究生開(kāi)設計算流體力學(xué)課程。然而，CFD涉及到大量的數學(xué)問(wèn)題，內容抽象，即便在課堂上使用圖片、動(dòng)畫(huà)等多媒體教學(xué)手段，但仍然很難調動(dòng)學(xué)生的積極性，多數學(xué)生反映該課程理論性強、推導繁復、難聯(lián)系實(shí)際等諸多難點(diǎn)，如何在短時(shí)間內激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，使他們掌握基本知識和運用CFD方法的能力，是授課教師需要深入考慮的問(wèn)題。
針對上述問(wèn)題，筆者實(shí)地走訪(fǎng)了多家企業(yè)，綜合教育部“卓越工程師教育培養計劃”要求，結合MEMS器件設計中涉及的電場(chǎng)、傳熱傳質(zhì)、液固運動(dòng)耦合等，在大連理工大學(xué)開(kāi)設了以CFD為主線(xiàn)的“MEMS器件多物理場(chǎng)分析”課程。課程設計方面，以CDIO工程教育理念為指導，強調構思（Conceive）、設計（Design）、實(shí)現（Implement）和運作（Operate）一體化的課程架構[3]，從而改變“以教師授課為主體”的傳統教學(xué)模式，形成科學(xué)合理的上機實(shí)踐教學(xué)方案，構建計算機教學(xué)的授課、上機實(shí)踐、考核與成績(jì)評定環(huán)節，為學(xué)生提供自主學(xué)習的上機實(shí)踐學(xué)習環(huán)境，引導學(xué)生以自由探索為主開(kāi)展CFD實(shí)踐學(xué)習。
一、實(shí)踐課程的教學(xué)內容與具體實(shí)施方法
實(shí)踐課程的教學(xué)內容的設置主要包括三個(gè)層面的內容[4]：
1.理論基礎。包括：流體質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程；粘溫本構方程；表面效應與界面跟蹤方法；流體中顆粒-流體相互作用；相關(guān)的電磁場(chǎng)理論等。
2.前處理方法。包括：網(wǎng)格劃分技巧與網(wǎng)格質(zhì)量控制、邊界條件與初始化設置、幾何建模、計算格式與求解算法的選擇等。
3.后處理方法。包括：輪廓圖、矢量圖、等值面、動(dòng)畫(huà)的建立與調整、探針的使用、構建與使用自定義特征向量；數據提取與導出等。
在教學(xué)過(guò)程組織方面，為使學(xué)生在短期內能運用理論解決實(shí)踐遇到的問(wèn)題，我們擯棄以知識點(diǎn)為主題的傳統組織模式，以實(shí)際案例為牽引，將上述三方面內容有機組織起來(lái)。具體實(shí)施方法如下：首先，介紹案例應用背景和關(guān)鍵指標要求。其次，引入案例涉及到的理論模型，以講解模型表達的機理或效應為主，減少冗長(cháng)推導過(guò)程。然后，教師對案例涉及的重點(diǎn)環(huán)節進(jìn)行上機推演。在同學(xué)上機實(shí)踐環(huán)節，教師布置題目后，僅扮演旁觀(guān)者和適度答疑者的角色，充分發(fā)揮學(xué)生自主性。最后，總結同學(xué)實(shí)踐的效果，以同學(xué)實(shí)踐中遇到的計算不收斂、數值耗散等真實(shí)現象入手，形象講解計算格式、計算穩定性和收斂性等的原理和控制要點(diǎn)，并引導學(xué)生從圖表結果中提取數據、擬合經(jīng)驗方程、分析規律等。我們選擇的案例基本涵蓋了MEMS領(lǐng)域常用的CFD基礎模塊，包括：微流體混合、電泳分離、微噴、毛細驅動(dòng)液滴、顆粒操縱等。在教學(xué)順序上，充分考慮案例相關(guān)性和難度，每次課引入新知識點(diǎn)不超過(guò)4個(gè)、鞏固學(xué)過(guò)的知識點(diǎn)不少于3個(gè)，做到循序漸進(jìn)。
二、計算軟件平臺選擇
在計算軟件平臺選擇方面，我們重點(diǎn)考慮了與MEMS專(zhuān)業(yè)的相關(guān)性、學(xué)習難度、對計算機軟硬件的要求、實(shí)例豐富度。目前，能夠用于MEMS設計的計算流體力學(xué)軟件有開(kāi)源軟件和商業(yè)軟件兩類(lèi)。應用較多的開(kāi)源軟件有OpenFoam、Saturne、Overture等，這類(lèi)軟件多數免費，并且代碼公開(kāi)，但主要是針對研究領(lǐng)域，參考資料少。一般要求使用者熟練掌握C++/Python編程語(yǔ)言，盡管學(xué)生通過(guò)動(dòng)手編程能加深認識，針對較簡(jiǎn)單的流體問(wèn)題也能夠實(shí)現求解，但對MEMS專(zhuān)業(yè)的多數學(xué)生而言，學(xué)習門(mén)檻過(guò)高，短期內難有明顯效果。
商業(yè)計算流體軟件有Fluent、CFD-ACE、CFX、StarCD、NUMECA、Comsol?？紤]到實(shí)際需求，我們最終選擇Comsol軟件構建實(shí)踐課程的計算平臺，與其他軟件相比，它具有以下適合于上機實(shí)踐教學(xué)的獨有優(yōu)勢[5]：①提供靈活便捷的多場(chǎng)耦合架構，基本滿(mǎn)足MEMS設計的基本需求。②對硬件平臺依賴(lài)性低，經(jīng)測試：普通4核CPU和8GB內存配置的計算機能運行多數案例，在公共機房就可以開(kāi)展軟件實(shí)踐，也方便學(xué)生課外自學(xué)。③操作簡(jiǎn)潔，層次感強，學(xué)生上手快。④提供大量MEMS領(lǐng)域的CFD案例庫、文檔、擴展材料索引，包括電滲流、微噴、微混合等，為課后學(xué)生自主學(xué)習提供有益參考。
三、實(shí)踐課程考核與成績(jì)評定
對實(shí)踐性很強的CFD學(xué)習而言，采取傳統的閉卷考試作為課程考評方式很難體現教學(xué)效果和學(xué)生創(chuàng )造性的發(fā)揮，因此，我們改革和細化了課程的考核方法：在100分總成績(jì)中，出勤率占20分，課堂表現占30分，最終提交的計算實(shí)例和報告占50分。其中，課堂表現考察學(xué)生對理論和方法的理解是否準確，是否能結合授課講解內容，思路清晰地完成規定案例計算，對有新意的提問(wèn)和踴躍回答適當加分。在計算實(shí)例和報告方面，考察學(xué)生提交設計方案的結構與原理新穎性（10分）、模型選擇和邊界條件設置的正確性（10分）、設計指標達成度（5分）、是否有詳細的前處理網(wǎng)格模型和有深度的后處理結果分析（10分）、報告質(zhì)量（15分）。在報告質(zhì)量方面，重點(diǎn)考察文獻檢索、科學(xué)問(wèn)題提煉、理論模型表達、結果分析和表述等，在培養解決實(shí)際問(wèn)題能力的同時(shí)，也兼顧科技論文寫(xiě)作能力的提升。
設計的考核題目重點(diǎn)考慮以下方面：①工程性?？己祟}目應有明顯的應用背景；②可行性。包括計算條件的可行性和學(xué)生能力的可行性，網(wǎng)格規模不宜過(guò)大，計算難度應適中；③自主創(chuàng )新性。教師只給定具體約束條件和指標，要求學(xué)生自主設計工作原理與拓撲結構。其中的兩個(gè)典型題目如下：①在給定寬度和長(cháng)度的微通道內實(shí)現兩種給定的稀溶液物質(zhì)均勻混合；②通過(guò)控制顆粒受力和流場(chǎng)分布，將一個(gè)微小顆粒運送至搜集通道。學(xué)生以CFD方法為基礎，綜合運用電場(chǎng)力、電磁力、流體剪切效應、毛細效應等實(shí)現題目要求，提交作業(yè)形式為實(shí)驗報告和計算過(guò)程文件（包括Project文件、動(dòng)畫(huà)、圖片、表格）。
四、結語(yǔ)
在面向MEMS專(zhuān)業(yè)的CFD教學(xué)中，我們明顯感到計算機實(shí)踐教學(xué)方式有利于引導學(xué)生結合實(shí)踐學(xué)習CFD理論方法，教學(xué)效果明顯優(yōu)于往屆采用傳統授課方式，教學(xué)課堂中學(xué)生表現出積極的學(xué)習熱情，缺席很少，課堂氣氛緊張活躍，學(xué)生對所學(xué)知識技能掌握牢固，有效提升了MEMS設計的工程實(shí)踐能力。然而，開(kāi)放式實(shí)踐的CFD教學(xué)方式對專(zhuān)業(yè)教師提出了更高要求。不僅要求教師能熟練操作使用計算軟件，還需要具備較扎實(shí)的計算流體力學(xué)理論基礎，才能夠快速應對實(shí)踐過(guò)程中出現的各種情況，靈活調動(dòng)課堂學(xué)習氣氛。
致謝：本文由中國學(xué)位與研究生教育研究課題（2015Y0504）和大連理工大學(xué)教改基金（JG2016026，ZD2016008）資助完成。
參考文獻：
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