摘要：随着信息技术与高等工程教育深度融合，教学可视化已成为突破传统认知瓶颈、提升教学质量的关键路径。本文聚焦于“数值仿真演示教学”这一创新模式，以其在典型强理论性、高抽象 性课程—— 《空气动力学》中的应用为具体载体，深入探讨其如何赋能工科课程的可视化教学革新。文章系统阐述了该模式如何将抽象的流体力学方程与复杂的多维动态流场，转化为直观、交互的可 视化图像与动态模型，从而有效破解教学中长期存在的“想象难、理解难”困境。通过紧密结合课程的理论抽象性、现象瞬变性及工程实践性等特点，本文进一步剖析了该模式在深化概念理解、培养工 程思维、激发探究兴趣及拓展教学资源等方面的核心价值，并提出了具有操作性的分层实施策略与关键保障条件，旨在为同类工科课程的教学改革提供兼具理论洞见与实践参照价值的系统性范式。关键词：数值仿真；演示教学；可视化教学；工科课程；空气动力学；教学创新

引言

高等工科课程如空气动力学，因其涉及抽象数学方程、复杂物理概念及多维动态过程，传统教学方式在呈现激波、边界层、涡旋等动态现象时存在局限，导致学生面临“看不见、摸不着”的认知障碍。教学可视化成为突破这一困境的重要途径。数值仿真技术基于物理定律，能够生成高精度、全流场、动态演化的可视化数据，为教学提供强大工具。将数值仿真以演示教学形式融入课程，不仅是教学手段的创新，更是教学理念的革新，旨在通过虚拟工程环境，实现流动“可见”、过程“可控”、机理“可析”，从而提升学生的工程认知与创新能力。本文以《空气动力学》课程为例，探讨数值仿真演示教学如何针对课程特点进行创新应用，分析其赋能可视化教学的内在机理与实践路径，以期为同类工科课程教学改革提供参考。

一、空气动力学课程特点与教学挑战

空气动力学作为航空航天工程的核心基础课，其教学面临多重严峻挑战。课程理论体系深植于连续介质力学、热力学等学科，纳维 - 斯托克斯控制方程复杂，涡量、环量等概念高度抽象，学生难以在数学符号与真实物理现象间建立直观联系。研究的流动现象具有显著的三维非定常特性。从微观的层流 - 湍流转捩到宏观的分离涡演化，再到超音速激波系的动态干扰，传统静态二维图表难以完整描述这一时空剧烈变化的复杂全景。同时，问题兼具宽广的尺度跨度（从毫米级边界层到全机尺度）和多物理场耦合特征（如与结构、热场的相互作用），要求学生建立多学科系统思维。课程还具有鲜明的工程实践导向，理论需直接联系飞机设计、性能评估等实际问题，培养学生的工程直觉与系统分析能力。传统教学模式常使学生陷入“想象难、理解难、联系实际难”的困境。因此，亟需一种能突破时空限制、实现动态可视化与交互探究的教学手段。数值仿真演示教学正是应对这一需求的有力工具，能够架设连接抽象理论与工程实践的认知桥梁。

二、数值仿真演示教学赋能可视化教学的核心机理

数值仿真演示教学的核心机理，在于其实现了认知范式的根本性转换。它首先将描述流动的抽象微分方程解，转化为颜色、形状、运动等视觉元素（如用云图显示压力、用动画展示涡旋），完成从数学符号到物理形象的直接关联。其次，它通过时间序列动画，将教科书中的静态“瞬间”还原为流动从发生、发展到失稳的全动态过程，如完整呈现失速分离或颤振振荡的演进。再者，它能透视整个流场，允许任意切割截面、追踪质点，实现从局部点到全局结构的“透明化”观察，突破了物理实验的观测局限。最终，它提供了强大的交互探索能力，通过实时调整攻角、马赫数等参数并观察流场响应，将学习从被动接收转变为主动的“如果 - 那么”式探究，从而深度培养了学生的参数敏感性分析与工程优化思维。

三、在空气动力学课程中的创新应用探索

结合课程内容，数值仿真演示教学可在多个环节实现创新应用：

（一）核心概念与原理的可视化解构

数值仿真演示将空气动力学核心原理转化为直观的可视化认知。在低速翼型绕流中，通过动态展示压力分布与流线随攻角变化，学生能直观理解升力产生、前缘吸力及失速分离涡的动态过程。在可压缩流动中，通过改变马赫数，可生动呈现从亚音速到超音速流场中激波的产生与演变，直观揭示压缩性修正与面积律原理。对于黏性流动与边界层，仿真能清晰展示边界层速度剖面、位移与动量厚度，并动态演示层流向湍流的转捩过程及流动分离机理，使抽象概念与动态过程得以直观呈现。

（二）复杂气动现象的动态揭示

数值仿真演示能够直观呈现旋涡动力学中，大迎角下机身前体、边条翼与主机翼产生的脱体涡及其相互干扰直至涡破裂的完整过程，生动阐释涡升力原理。在激波 / 边界层干扰研究中，可清晰可视化跨音速条件下激波撞击边界层引发的流动分离、再附及由此产生的非定常压力振荡，揭示其复杂机理。对于气动弹性初步，仿真能动态演示气流中弹性机翼因气动力、弹性力与惯性力耦合而发生的颤振现象，完整展现从能量积累到发散振荡的动态失稳过程，将抽象的多物理场耦合理论转化为可观察的物理图像。

（三）虚拟实验与对比分析平台

数值仿真演示教学可构建涵盖 NACA 系列、超临界翼型等不同翼型与平面形状的虚拟风洞，使学生能直观对比其升阻特性、压力分布等关键气动参数。通过模拟飞机在起飞、巡航及机动等不同飞行状态下的流场，可动态分析气动性能随飞行条件的变化规律。尤为重要的是，可将仿真结果与薄翼理论、线化理论等经典解析解以及风洞实验数据进行系统对比，从而引导学生深入讨论各类理论的近似条件、适用范围与误差来源，从根本上深化对理论模型局限性与工程适用性的科学认识。

（四）设计思维与创新能力培养

通过布置探索性项目，例如引导学生自主修改翼型弯度、厚度或后掠角等关键几何参数，并即时观察其对升阻力特性、流动分离点及失速特性的影响，使其在互动中初步体验气动设计的迭代与权衡过程。同时，可要求学生针对特定的仿真结果，如进行全机阻力分解（摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力）或评估不同流动控制装置（如涡流发生器、翼梢小翼）的效果，撰写结构清晰、数据支撑充分的简短分析报告。这一过程不仅训练了学生从复杂数据中提取关键信息、进行工程判断的能力，更系统地培养了符合行业规范的科技报告撰写与表达能力，从而将仿真工具的应用提升至解决工程问题与沟通设计思想的综合实践层面。

四、实施路径与关键考量

有效实施数值仿真演示教学并充分释放其教育潜能，是一项系统工程，远非单纯的技术引入。它要求以学生认知发展规律为基石，对教学目标、内容、流程与评价进行系统性的重构，并辅以科学的实施路径与持续的资源与师资能力建设。以下几点构成了确保其成功落地并发挥深层价值的关键环节。

（一）明确“辅助”而非“替代”的教学定位

数值仿真演示教学在工程教育中的定位，应是连接抽象理论与工程实践的“催化剂”与“认知桥梁”。其核心价值在于将复杂的控制方程与物理概念，转化为直观、动态的可视化图像，从而有效帮助学生突破理解瓶颈，建立物理直觉。然而，它绝不能替代严谨的数学推导所培养的逻辑思维，也无法取代物理实验提供的真实世界感知与验证功能。因此，在教学中必须坚持“理论为先，仿真为用，实验为证”的融合原则。教师应在系统讲授基本理论、完成关键公式推导后，适时引入仿真演示，引导学生直观观察“方程所描述的物理世界究竟如何展现”。在分析仿真结果时，则必须回归理论框架，深入解释现象背后的物理机制，回答“为什么会产生这样的流动”。更为关键的是，要有意识地将仿真数据与经典风洞实验、实际飞行测试或高可信度基准案例的结果进行对比，引导学生讨论网格依赖性、模型简化等带来的差异，使其深刻理解数值仿真的近似性、局限性与适用边界。通过这种“理论 - 仿真 - 实验”三位一体的系统训练，才能构建学生完整、辩证的工程认知体系，防止教学陷入追求视觉效果的浅层演示，确保其在掌握先进工具的同时，打下坚实而深刻的理论根基。

（二）实施分层设计与渐进式教学引入

教学应用必须严格遵循认知发展规律，实施体系化的分层设计。在知识递进维度上，应坚持从简单到复杂、从理想模型到工程实际的路径。教学起点应锚定在二维、定常、不可压缩流动及NACA0012 等标准翼型构成的基础模型上，通过其直观特性帮助学生建立攻角、弯度等核心参数对气动特性的基础影响框架。待此基础稳固后，再循序渐进地引入三维旋转效应、非定常动态特性、可压缩性（涵盖亚、跨、超音速流动的本质区别）等进阶内容，并最终拓展至包含发动机短舱等真实细节的完整飞机复杂构型流场分析，实现从理论基石到工程全景的认知跨越。在教学过程组织上，需构建覆盖“课前、课中、课后”的深度联动闭环。课前利用仿真短视频建立现象初识、激发探索动机；课中聚焦难点，通过交互式演示与实时讨论实现从现象到机理的思维跃升；课后则提供参数可调的仿真实验或探究项目，支持知识应用与迁移创新。这一贯穿教学全周期的渐进式系统设计，能科学管理认知负荷，引导学生逐步建立起结构清晰、联系紧密的空气动力学知识网络与面对复杂工程问题的系统性思维能力。

（三）推动教师角色转型与综合能力提升成功实施该教学模式的关键，在于推动教师角色完成从传统“讲授者”向现代“学习架构师”的深刻转变。教师需转型为学习情境的设计师，能够设计兼具挑战性与启发性的仿真探究任务；成为教学资源的策展人与开发者，负责筛选、整合乃至自主开发高质量的模块化仿真案例库；同时担任探究过程的引导者，善于在学生分析仿真结果时提出关键问题，引导其进行深度思考与工程判断。这一系列角色转型对教师能力提出了新的综合要求：在保有坚实专业知识的基础上，还需补充掌握数值仿真的基本原理与实施流程，熟练运用主流 CFD 软件进行后处理与科学可视化，并具备将复杂数据转化为清晰物理图像与工程见解的解读能力。为此，高校必须建立系统化的支持体系，通过组织定期的专项技能培训、举办仿真教学设计与案例开发工作坊、并鼓励组建跨学科（如航空、力学、计算机科学）的协同教研团队，为教师的专业发展与角色转型提供持续的学习平台与共同体支持，这是确保教学模式改革落地生根并取得长效的核心保障。

（四）系统化建设教学资源与构建技术支撑体系

稳定、优质、易获取的教学资源是数值仿真演示教学得以规模化、常态化应用的基石。资源建设应遵循系列化、模块化、开源化的核心原则。具体而言，需围绕空气动力学课程的核心知识点体系（如伯努利原理、激波、边界层分离、涡流发生器等），系统开发一套标准化的“仿真演示教学模块”。每个模块应是一个完整的最小教学单元，包含可直接计算的仿真案例文件（含网格与设置）、高质量的可视化结果（如动态流线图、压力云图动画）、详实的配套教学说明文档以及精心设计的引导性问题链。在技术实现路径上，应采取多元化策略：一是充分利用 ANSYSFluent、STAR-CCM+ 等成熟商业软件强大的求解器与后处理可视化功能，高效生成高保真教学案例；二是积极依托 Open FOAM、SU2 等开源 CFD 平台，构建透明、可定制、可二次开发的教学与科研一体化环境；三是针对基础原理教学，可自主开发基于 HTML5/WebGL 的轻量化交互式 Web 仿真程序，实现跨平台、低门槛的访问与操作，极大提升教学资源的可用性与覆盖面。通过多渠道建设，最终形成层次丰富、技术互补、持续进化的教学资源生态。

（五）着力培养学生对仿真技术的批判性思维

在教学中，必须从初始阶段就引导学生建立正确的仿真认知：数值仿真是基于简化模型与算法的“近似”，而非物理现实本身。教师应有计划地揭示仿真背后的建模假设、离散误差和固有不确定性。例如，在分析翼型绕流时，可对比不同湍流模型（如 S-A、k-ε 模型）的计算结果差异，或讨论网格密度对激波捕捉精度的影响，直观展示数值解的非唯一性与依赖条件。应设计专门环节，指导学生将仿真结果与经典理论解、风洞实验数据进行系统对比，定量分析差异来源。这种训练旨在使学生深刻理解仿真的适用边界与局限，培养其评估结果可信度、审辨数据合理性的科学素养与工程判断力，从而能够批判性地运用仿真工具解决实际问题，避免陷入“垃圾进、垃圾出”的误区或对数值结果产生盲目依赖。这不仅是技能传授，更是严谨求实的工程思维与科学精神的塑造。通过以上五个方面——即明确“辅助性”教学定位、实施渐进式分层教学设计、推动教师角色与能力转型、构建系统化教学资源体系以及培养学生批判性仿真思维——的系统规划与协同建设，数值仿真演示教学方能超越单纯的技术工具引入或视觉化演示层面，实现其根本性的教育价值。它将从一个新颖的教学辅助手段，深刻转型为一种能够系统性赋能高等工程教育质量提升的核心教学范式。这一范式不仅通过可视化与交互性破解传统教学难题，更在重构教学流程、重塑师生关系、融合多学科思维的过程中，致力于培养学生的工程直觉、创新设计能力与严谨的科学批判精神，从而为造就适应未来复杂工程挑战的卓越创新人才提供坚实支撑。

结束语

数值仿真演示教学是信息技术赋能工程教育的核心实践，为空气动力学等抽象课程开创了革命性的可视化认知路径。它深度融合计算流体力学、科学可视化与教育学原理，构建出动态交互的虚拟学习环境，使抽象的方程、不可见的流场与瞬态过程得以直观显现，有效突破了传统教学在呈现复杂时空信息时的局限，在推动学生完成从公式记忆到物理理解再到工程直觉的认知跃迁方面展现出显著潜力。这一模式的成功应用是一项需要系统设计的教学工程，要求对课程内容、教学流程及师生角色进行深度重构与优化。展望未来，随着高性能计算、VR/AR 等技术的发展，数值仿真教学将向更智能化、沉浸化与个性化的方向演进。当前在空气动力学领域积累的教学理念、资源范式与实践策略，具备高度的可迁移性，可系统推广至传热学、固体力学、多体动力学等广泛工程学科，从而为培养具备扎实理论、卓越实践能力与创新思维的新时代工程人才提供关键支撑，最终引领工科教育整体迈向“思维可见、知识生动、创新可及”的全新境界。

参考文献

[1] 顾晓仙 . 从结构与功能关联视角探讨思维可视化教学 [J]. 小学科学 ，2026，（01）：37-39.

[2] 李博 . 人工智能时代高校思政智慧课堂可视化教学研究 [J]. 佳木斯大学社会科学学报 ，2025，43（11）：162-164+182.

[3] 王桥 ， 马鑫源 ， 杨宏印 . 工程数值仿真软件现状及高校相关课程建设初探 [J]. 教育教学论坛 ，2025，（35）：9-12.

[4] 郭卫刚 ， 丁祥 .“飞机空气动力学”课程建设与改革 [J]. 教育教学论坛 ，2024，（32）：102-105.

[5] 许恒飞 ， 韦朴 ， 郭丽红 ， 等 . 基于工程认证与数值仿真的电磁场课程教学设计 [J]. 集成电路应用 ，2023，40（07）：85-87.

[6] 刘海英 ， 卢超 ， 王原 . 超声脉冲波在固体中传播的有限差分数值仿真及动画演示 [J]. 南昌航空大学学报 （ 自然科学版 ），2010，24（04）：7-11.