葉輪機械綜合實驗課程教學改革的探索

劉漢儒 王掩剛

摘 要：葉輪機械綜合實驗課程是飛行器動力工程核心專業課程，該課程實施效果不僅對于學生理解理論知識具有關鍵作用，還對學生實踐創新能力的培養至關重要。文章針對葉輪機械綜合實驗課的教學現狀，在教學內容、教學方法以及綜合評價三個方面進行了有益的改革探索，有效激發了學生的學習興趣，提高了學生的綜合實踐能力和創新能力。

關鍵詞：葉輪機械；實驗教學；開放實驗；創新能力

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）19-0124-03

Abstract： The comprehensive experiment course of turbomachinery is the core course module of the major of flight vehicle propulsion engineering. The implementation effect of the course plays an important role not only in understanding the theoretical knowledge for students， but it is also a key link for training practical and innovative ability of students. In this paper， based on the current teaching status of the module of comprehensive experiment of turbomachinery， some beneficial reform and exploration have been carried out in three aspects regarding of teaching content， teaching method and comprehensive evaluation. These have effectively motivated the interest of students in learning and enhanced the comprehensive practical ability and innovation ability of students.

Keywords： turbomachinery； experiment teaching； open experiment； innovation ability

葉輪機械是航空發動機的核心部件，對發動機的性能起著決定性的作用。“葉輪機械原理”是飛行器動力工程專業一門主干專業課程，主要介紹航空壓氣機和渦輪兩大核心部件的基本概念原理，具有較強的工程應用背景。該課程以氣體動力學、工程熱力學、傳熱學、機械設計等課程知識為基礎，又對后續的航空發動機原理課程學習具有承前啟后作用。同時，由于葉輪機械本身的結構復雜，內部流動看不見摸不著等特點，該課程內容抽象概念多，知識的綜合性連續性強，所以學習難度較大[1]。“葉輪機械綜合實驗”課程設置的目的在于一方面幫助學生理解和掌握所學的原理方法，并獲得實驗技能的訓練。通過綜合性實驗，使學生掌握葉輪機械的基本結構形式、運行性能與調節控制，掌握航空流體機械性能測試、流動測試、設計與仿真實驗的基本方法，提高學生動手操作能力；另一方面，葉輪機械綜合實驗課程要成為本科生對專業儀器、實驗操作、專業軟件操作、數據分析等基本功訓練的綜合主戰場。同時，開放性實驗課程將實驗教學上升到工程思維與理念訓練的高度，作為創新型人才培養的一種不可或缺手段[2]。加強實踐教學的探索改革符合《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》[3]中對強化實踐教學環節的要求，體現了“基于全面發展的創新教育”理念，保持和發展了“厚基礎、寬口徑、重實踐、求創新”的人才培養特色。本文則是介紹了我們在教學過程中對“葉輪機械綜合實驗”課程的教學內容、 教學方法、考核方式進行的一些探索工作。

一、更新教學內容，突出專業能力培養

（一）構建現實-虛擬結合的實驗教學平臺

針對目前本科生培養中缺乏實踐教學，學生動手實踐能力不足，看的多操作少，沒有在實踐中發現問題、思考問題和解決問題的機會的現狀，2015年在工信部教學實驗示范中心的支持下，我們開始對該課程進行探索改革，建設了多功能平面葉柵等教學硬件平臺，擴充實驗項目，建設多套設備，極大提高學生的參與度，加強了該課程的實踐教學能力，真正實現學生親自動手實驗，實現創新實踐訓練的效果。在教學過程針對葉輪機械概念抽象，流動復雜的問題，增加虛擬教學實驗與真實實驗相輔助。其中一部分是大量有專業特點的計算機動畫和視頻短片，包括軸流壓氣機、離心壓氣機以及多級壓氣機內部流動動畫，以及壓氣機和渦輪的二次流動的CFD動畫，這樣把抽象的概念原理和葉輪機械內復雜的流動過程形象地表達出來，使學生對概念原理和流程的理解更清晰透徹。另一方面，也購置了數字葉型設計及數字風洞軟件，可對不同的葉柵模型進行虛擬氣動測試，這對實施開放實驗，學生自行動手設計葉型并仿真驗證提供了必要條件。“實”與“虛”的結合，降低了學生在部分真實實驗過程中操作誤差帶來的風險，也彌補了部分昂貴單一設備學生無法全部參與操作的不足，促進知識的轉化與拓展，加深學生對航空葉輪機械結構、工作原理、性能特點以及內部流動的理解。

（二）設置遞進式實驗題目

在葉輪機械綜合實驗課程建設過程中，我們建立了“基礎性實驗”、“綜合性實驗”、“設計研究性實驗”三類實驗內容。增加原有基礎實驗的新穎性和信息量，加強實驗的思考性和啟發性，增加學生靈活操作儀器設備和動手動腦的機會，如速度壓力測量基礎實驗，包括五孔探針、動/靜態壓力傳感器以及線風速儀的基本原理、校準和使用方法，學生可以在基礎實驗中掌握各種測試技術和儀器使用。綜合性實驗是為學生設計好實驗方案和實驗目的，讓學生通過完整的實驗題目訓練，加深對葉輪機械理論的理解，掌握葉輪機械研究中主要的實驗技術，包括壓氣機的性能實驗、葉頂動態壓力實驗、進氣畸變實驗以及平面葉柵的性能及流動實驗。設計性實驗則屬于開放性內容，不限制題目，學生自行設計實驗目的和方案，利用教學實驗平臺完成自己的題目，實現閉環訓練。設計性實驗培養了學生全局統籌實驗的能力以及在實驗中學習，在實驗中研究和用理論知識解決問題的能力。設計性實驗的報告采用論文形式提交，培養學生的獨立科學思考、查閱文獻和科技寫作能力。學生通過設計性實驗，啟發創新意識，鍛煉綜合創新能力，培養了初步科研能力。葉輪機械綜合實驗課程遞進式實驗構架如圖1所示。

（三）建設航空特色的專業教材

在高等教育活動中，教材建設是保證教育質量的關鍵。“葉輪機械綜合實驗”課程目前使用的是自編講義，主要以實驗指導書為主，缺乏理論提升。我們在學校規劃教材建設項目的資助下進行了系統的葉輪機械氣動實驗技術的教材編寫，加入了葉輪機械測量的主要技術理論和先進的測量技術內容。圍繞本科教學改革對教材建設的需要，針對飛行器動力工程專業特點，在教材中還配合給出許多航空發動機用葉輪機械氣動實驗的設計案例，以及工程應用案例使該教材具有突出的專業特色，同時也進行了知識高度提升和廣度擴充。該教材不僅講技術而且要使學生通過教材學習，熟悉葉輪機械實驗研究中的工程思維。教材的編寫理念為理論與工程并行，結合注重基礎，加強實踐的學生培養原則，突出實踐教學在特色工科專業中的重要性。同時力求對學生創新性的培養，以豐富的實踐教學內容和訓練推動新一輪培養方案實施，促進相關專業的綜合改革。

二、教學方法改革，提升實驗教學效果

（一）開設網絡大學堂

學生對知識的學習不僅在課堂，更多的時間是在課外。因此，我們建設了葉輪機械綜合實驗課程的學習網站，其中包含實驗課講義、授課錄像、多媒體課件以及儀器使用演示錄像等模塊。首先，學生可以在理論課和實驗課之間的空檔期先進行網絡學習，對實驗課所用儀器和所要進行的實驗程序有所了解。這樣既不占用實驗課總課時，又能在實驗課上快速熟悉操作，展開實驗甚至還有充分的時間自由摸索實驗設計。另外，該網站也留有論壇模塊，學生可以在論壇進行交流和疑難問題提交，教師每隔一段時間會登錄解答，方便總結學生遇到的共性問題，也為教師掌握教學進度、衡量教學效果提供了有力依據。

（二）理論課和實驗課教學協同發展

針對葉輪機械原理和葉輪機械綜合實驗教學任務往往由不同的教師擔任，交流溝通不夠，導致理論課講授的知識在學生實驗過程中沒有對應充分的體現。本課程教師在教學過程中與理論課教師經常溝通交流，在實驗項目的更新上考慮了理論教學的知識重難點，通過直觀實驗幫助學生對理論知識加深理解。同時協調安排實驗與理論課的進度，使得實驗課進行能夠和理論課相關知識點講解有效銜接，圍繞某些知識點，如平面葉柵基本原理、多級壓氣機性能等，一堂理論緊跟一堂實驗，互為補充，互為完善，做到學生對知識的高效吸收。另外，在實驗課上對理論知識點對應講解，加強理論與實踐的融會貫通。實驗課與理論課教師制定相鋪相成的課程群發展規劃，明確“學生為本”的教學目標，并提出相應的實施措施，穩步做好課程建設工作。通過理論課教師與實驗課教師定期研討交流，雙方對學生的知識掌握情況都能有比較準確的了解，教學工作得到了更好的開展。

（三）教授進教學實驗室

目前葉輪機械實驗課都是以青年教師任課為主，但是由于葉輪機械類課程普遍都具有抽象、綜合、應用強的特點，需要授課教師具有深厚的研究經歷和經驗，才能更好地講授葉輪機械知識。教師不僅要對課本知識熟悉，還要對葉輪機械有研究認識，而這是大多數青年教師所欠缺的。針對這個問題我們在葉輪機械綜合實驗課中，邀請部分葉輪機械實驗研究方面的知名教授進入課堂，切身講授如何進行實驗研究以及自身研究經驗，期間穿插航空葉輪機械氣動實驗的專題講座，介紹實驗研究的前沿問題，不僅讓學生感受到知名學者的魅力與風采，還了解到實驗研究領域的最前沿發展。知名教授參與實驗課教學活動，以豐富的研究經驗和對葉輪機械的深層理論認識，給同學們帶來了極大的知識收獲，促進了本科生培養質量的提高，同時他們的教學經歷和授課技巧也能幫助任課青年教師提高教學水平。

（四）構建開放式創新實踐教學平臺

受本科培養計劃總學時限制，目前大多數實驗課程的課時都比較有限，一般為16學時，部分達到24學時。這就導致學生不能深入理解和運用所學的葉輪機械測試原理和特性知識，也不能滿足學生對自由創新實踐的需求。因此我們改變以往的教學方式，構建開放式實驗教學來提高實驗教學質量和教學效率。我們在課后加入創新實驗設計環節，葉輪機械教學實驗室在計劃外實行預約開放，學生可以實驗小組（3-5人）進行預約實驗臺，利用課外時間盡情地進行拓展實驗，為學生開辟了“第二課堂”。同時，學生可以結合創新創業、科研訓練、高峰計劃以及學科競賽等本科生實踐訓練項目，在葉輪機械教學實驗室自主進行實驗創新或者實驗研究活動。許多學生在開放實驗教學活動中取得的科研成果都成為了大學生挑戰杯、節能減排競賽等項目的參賽素材。開放性教學活動使該門實驗課程的開展已經不局限在初級層次的動手能力培養，而是能延伸到創新人才培養的新高度，給有潛力的學生提供更大的空間和平臺。

三、建立綜合創新的考核評價體系

合理的成績評定方式既是公平體現學生學習的付出，也是客觀評價教學質量的指標。一般的實驗課程考核成績主要由實驗報告和平時考勤決定，但是這種評價方式無法全面評價學生對實驗方法的掌握以及靈活運用的程度。另外從創新型實踐人才培養的角度看，學生在實踐過程的協作能力、創新能力通過這種成績結構都無法體現，有實踐創新潛力學生的積極性不能激發出來，創新創造活動不能得到積極肯定。圍繞“給通才制定規則，給天才留出空間”的教學理念，結合該課程教學內容和教學方式的改革，葉輪機械綜合實驗課程設置了新的考核方式，以充分重視學生的協作創新能力水平，逐漸淡化和降低實驗報告評分權重。在新的考核方式總成績構成中，平時考勤成績占比例為10%；實踐過程成績占比例30%，考核學生協作和靈活操作能力；創新能力，也就是學生參與開放性實驗活動部分所占成績比例為20%；實驗報告比重為40%，具體實驗課成績構成比例如圖2所示。改革后的考核方式避免了部分學生在實驗過程搭車蒙混，在實驗后抄襲報告的現象，也鼓勵了能力較強的學生積極參加創新實驗，開發實踐思維能力，使實踐能力的培養不僅僅停留在課堂中。

四、結束語

“葉輪機械綜合實驗”課程在教學內容、教學模式以及考核方式方面的改革探索，構建專業特色教材，提出名師實驗教學、講座式教學等多種途徑，網絡大課堂先導學習、開放實驗結合創新創業項目等多樣化教學手段，建立了“立體化”教學模式，全面提高了學生參與實踐教學活動的積極性，較大地增強了實踐教學的效果，提升了實踐教學層次，突出了創新型實踐人才培養的目標，實現了實踐教學與理論教學的協調發展。

參考文獻：

[1]陳俊.葉輪機械課程教學中的問題與對策[J].科技創新導報，2016，20：161-162.

[2]包海濤，高媛，等.面向工程實際的機械類實驗課程體系建設[J].實驗室科學，2012，15（5）：33-38.

[3]中華人民共和國教育部.教育部關于“十二五”普通高等教育本科教材建設的若干意見[EB/OL].http：//http：//old.moe.gov.cn/publicfil

es/business/htmlfiles/moe/s3885/201105/xxgk_120136.html，2011-4-28.

[4]常秋香，劉玉.工業設計專業中機械類課程的開設方法與途徑研究[J].高教學刊，2015（23）：41-42.

[5]王憲磊，王偉，裴玖玲，等.機械類專業自動控制原理創新型教學改革與實踐[J].高教學刊，2016（07）：132-133.

[6]王紅軍，樊曉雪.地方高校機械類專業工程教育認證的思考和實踐[J].高教學刊，2017（04）：27-28+31.

[7]馮寶全.對機械類專業基礎課課堂教學評價方法及標準的探討[J].高教學刊，2016（07）：82-83.