航空航天专业研究生实验流体力学教学改革探索

发布时间：2022-12-05

　　摘要：实验流体力学是航空航天专业研究生的重要专业课程之一，具有知识面广、实践性强、综合要求高等特点。为提高教学效率，结合课程特点，从课程培养模式、教学方式和考核体制等方面对课程教学改革进行初步探索。

　　关键词：实验流体力学;教学改革;航空航天

　　随着载人航天工程、嫦娥工程、干线客机、航母舰载机等一系列航空航天领域重大项目的开展，我国航空航天事业近年来得到飞速发展，取得许多骄人的成绩。要实现航空航天事业的可持续发展，攻克工程实际中面临的一系列流体力学及空气动力学难题，越来越需要借助相关实验研究的支撑。因此，培养掌握流体力学实验技术相关专业人才的迫切需求，使得实验流体力学相关课程得到越来越多的开设航空航天专业的高等院校的高度重视。他们希望通过教学改革探索新型教学模式，实现对人才培养质量的提升，得到广泛共识。北京航空航天大学利用自身在航空航天学科的优势，探索建立了富有特色的多层次流体力学实验教学体系[1];南京航空航天大学在空气动力学实验课程中对研究型教学进行探索，通过利用公共资源、网络信息共享、系统化教学体系等方式，训练学生空气动力学实验研究中的创新思维意识和创新思维方法[2];天津大学则以科研为依托，跟踪世界流体力学研究最新成果，不断更新教学内容、教学手段和教学方式，对流体力学的实验教学进行创新和改革[3]。针对航空航天工程实际中对实验技术的需求和综合型人才培养目标，我校(国防科技大学)为航空航天专业开设了实验流体力学相关课程。结合课程特点和教学实践，笔者对课程教学改革进行初步探索。

　　一、实验流体力学课程特点

　　与其他专业知识课程相比，实验流体力学课程在教学内容、教学要求等方面存在较大差别，具有知识面广、实践性强和综合要求高等特点。

　　(一)知识面广

　　实验流体力学虽然从名称上看属于流体力学或力学的范畴，但其内容涉及广泛，除了需要流体力学相关专业知识外，还涉及物理、光学、机械、电子等许多领域。以空气动力学实验最常使用的实验设备——风洞为例，风洞的设计与使用不仅需要空气动力学的等熵流动理论，还需要材料力学、结构力学和机械设计等相关课程为基础。另外，国际上最先进的流场测试技术，大多是将激光、光学成像、数字图像分析等高度融合，没有相关专业知识的，无法准确理解和合理运用这些测试技术。因此，没有广泛的多学科知识基础，很难理解、掌握并应用实验流体力学课程讲授的内容。

　　(二)实践性强

　　了解相关知识和原理，到能够实际运用该项知识和技术，还需要实践。一个最简单的例子，笔者在课堂上讲授完风洞基本原理之后，让学生到实验室现场识别风洞设备，很多学生连风洞内的气流运动方向都弄不明白，体现出理论与实践间的差距。因此，与其他专业课程相比，实验流体力学课程需要更多的实践环节，让学生将所学知识应用到工程实践中。

　　(三)综合要求高

　　实验流体力学的教学目的不仅仅是让学生掌握相关知识理论，关键是通过实践，能够正确选择并合理应用相关知识和技术开展实验研究。这一实践过程包含设定实验目标、制订实验方案、合理选择所需实验设备、正确使用测试技术，以及对实验结果进行准确分析等。每个环节紧密关联，缺一不可。一个环节出现问题，其他环节都会受到影响。因此，为更好实现实验流体力学课程教学目标，需要培养学生的综合能力。

　　二、探索教学改革的原因

　　笔者接触过不少上过实验流体力学课程的硕士生和博士生，他们在开展实验研究过程中，在实验方案、实验操作、数据分析等方面都出现过许多低级甚至是原理性的错误。这不仅严重影响他们的实验研究，有的甚至影响到正常毕业。比如选择了不合理的测试技术，得到错误的测试结果，或者在实验操作中设置关键参数不合理，导致实验数据无效。这些内容都是在课堂上讲过的，但没有得到学生的足够重视，说明课堂教学方式存在缺陷。

　　考核评价方面，过去课程考核采用单一的笔试方式，但笔者在教学研究过程中发现，实验工作做得好，不一定课程成绩考试得高分，相反，课程考试得高分，实验不一定搞得好。这说明课程在考核体制方面也存在严重不足，不能准确评价学生的学习效果，特别是对实践能力的评价。除此以外，课堂教学中，有学生非常认真地听，但也有很多学生睡觉或干别的事情，这大概是所有课堂的通病。虽然学习要靠学生的积极性，但如何通过教学模式的改变最大程度提高学生的积极性，也是提高课程教学质量的关键因素。

　　虽然仅从一门课程的教学就将学生培养成具有很强实践能力、能够很好开展流体力学相关实验研究的技术人才是很难的，但在有限的课程教学时间让学生深刻体会实验流体力学的复杂性，在工程实际中少出现错误，少走弯路，提升教学质量，是进行课程教学改革探索的原因所在。

　　三、课程教学改革初步探索

　　结合实验流体力学课程特点和笔者的具体教学实践，本文从教学模式、授课方式和考核体制等方面提出一些教学改革探索方案。

　　(一)教学模式改革

　　过去的教学理念强调对每个学生同等待遇，每个学生具有相同的培养目标、教学内容和考核方式。笔者认为，对于以学习知识为主的本科生，这种方式是毋庸置疑的，但对以能力培养为主的研究生而言，由于他们的研究方向不同，关注点不一样，对知识的需求也不同。因此，研究生的课堂教学采用统一的模式并不合理，借助美国对大学生个性发展的探究教学模式[4]，应将研究生课程教学从过去注重知识传输向注重培养实践能力转变。

　　1.团队培养模式，强调个性发展。笔者在教学实践中采用团队培养模式，学生自由组合分成多个小组，每个小组成为一个科研团队，设计不同的团队角色，如组长(负责人)、总工程师(总体技术负责人)、风洞组、测试组、总体方案设计组、数据分析处理组。学生根据不同角色在团队中承担不同的分工，通过协作共同完成某个指定的研究内容。对每个团队采用相同的标准(相同的目标、教学内容和考核方式)，而团队内的每个成员根据今后发展需求或喜好，通过协商方式确定个人分工，这样每个学生不需要了解和掌握所有知识，可以有针对性地关注自己需要的内容。这种方式的特点在于，可以发挥学生个性，增强学生团队配合意识，锻炼其能力，如与他人分工协作的能力、领导和管理团队的能力等。

　　这种教学模式不意味着某个学生只需关注自己所关心的部分内容即可，他还需要关注团队内其他成员的工作。比如，实验测试小组需要知道总体方案设计组的需求，才能选择合理的测试手段，针对总体方案设计中的不合理内容提出修改意见，增加团队内的相互协作性。

　　2.注重学习方法的培养。实验流体力学教学内容中的实验设备、测试技术等部分，随着现代科技的发展不断变化。比如，十年前经常采用的测试技术，如今几乎没有人使用，新出现的测试技术又可能具有完全不同的原理。另外，我国航空航天领域所进行的流体力学实验研究内容多种多样，需求各不相同，课程教学内容根本无法满足具体工程实践需求。但是不管内容如何变化，进行实验研究中运用的基本原理和方法是不变的，因此，课程教学过程增加许多讨论环节，让学生依据基本原理和方法，结合具体情况分析何种情况下使用什么方法或技术，为什么如此选择。教学过程中，以培养学生分析问题、解决问题的方法为主，而不是以传输知识为主

　　二)丰富教学方式

　　1.任务式教学方式。即对每组学生提出一定的任务，在课程学习过程中完成。课程快结束时，各组对相关任务进行汇报，根据任务完成情况进行考核。任务完成需要运用课程教学中的内容，使学生在学习过程中注意力更集中。

　　2.引入竞争机制。任务式教学在很多教学改革中已经得到广泛采用，但它在提高学生的积极性方面还是不够的。因此，笔者在教学过程中引入竞争机制。即同一任务，同时安排多组学生完成，最后根据各组完成情况进行比较，评出优劣，激发学生学习的积极性。通过分组比较，每组学员不是仅仅完成任务就可以，如果任务完成情况不如其他组，也会影响最终成绩。因此，学生完成任务的认真度更高，学习效果更好。

　　3.增加答辩环节。引入竞争机制的同时，增加答辩环节，主要是为了学生间的相互提问和交流。每个小组完成任务后，要上台汇报，其他同学担任评委进行提问，根据汇报小组的回答情况进行评价，并公布结果。引入这种在我国科研项目申报中广泛采用的模式，一是为了培养学生交流意见、主动思考的习惯;二是通过问答拓宽学生的视野和想法，培养学生的表达能力。

　　(三)完善教学考核体制

　　1.多种考核内容。过去单一笔试的方式已经无法满足对实验流体力学这类实践性很强的课程的考核评价。因此，考核时，采用多种考核内容，从不同方面进行考核。一是增加文献调研的考核，学生根据要求，通过文献调研，对某一领域的一种最新测试技术进行介绍。这一考核内容评价学生对国内外相关技术最新进展的调研能力，有助于学生掌握相关方向的最新发展，为实验研究提供最新思路和技术支持。二是根据要求对某类实验设备或测试技术进行介绍，要求学生能够清楚掌握某类设备或技术的基本参数、实验能力、使用范围和相关要求，让学生在实验研究时更好掌握该类型设备或技术的原理和特点。三是综合考核，即完成任务式教学中的任务，这类考核综合性较强，从整体方案、设备选择、实验实施、结果分析等评价学生学习效果，对学生流体力学实验研究能力进行综合考核。根据考核内容、形式和难易程度，设定各考核环节在总成绩中的占比例，得到最终考核成绩。

　　2.双重评价方式。由于考核内容多为无法具体量化的内容，因此在教师评价的基础上，增加学生间的相互评价。它一改过去由教师主导成绩评判的模式，引入学生评价，既能体现评价的公正性，又让学生参与评判过程，积极促进学生思考。笔者认为，相对于成绩高低，让学生真正培养和掌握能力更加重要。

　　四、结束语

　　针对航空航天专业研究生对实验流体力学课程需求以及课程特点，笔者结合自身教学实际对教学方式进行改革探索。作为初步尝试，教学改革方式可能有许多不合理或不完善的地方。但通过课程实践中学员的反应，学生的积极评价让笔者感到欣慰。从强调知识传授到注重学生综合科研能力培养的转变，从以教师讲授为中心到以学生自主学习为中心的转变，是课程教学改革的根本。教学改革不可能一蹴而就，还会面临新的问题和挑战。笔者所采用的方法也不一定科学合理，但作为教学改革探索，需要打破传统观念束缚，也需要对错误的不断修正。笔者将个人尝试在这里抛砖引玉，希望广大读者评判指正，帮助笔者更好开展教学改革研究，能为他人提供有益的参考借鉴。

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