強化應用理念的“氣體動力學”教學改革探索與實踐

孫振生　強洪夫　張智勇　張世英

【摘要】針對部隊對復合型、應用型人才的需要，配合軍隊院校新一輪的教學改革，就如何在“氣體動力學”課程中強化應用理念從調整教學內容、錘煉教學團隊、改革教學模式、創(chuàng)新考核方法等方面進行了探索和實踐，對提高“氣體動力學”的教學質量發(fā)揮了很好的作用。

【關鍵詞】氣體動力學 應用理念 教學改革

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）19-0234-02

一、引言

“氣體動力學”是流體力學的一個重要分支，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，氣體動力學在航天、航空、兵器、環(huán)境、氣象等領域得到了飛速發(fā)展。特別是在航空航天和流體機械領域，如吸氣式發(fā)動機、火箭發(fā)動機、燃氣輪機以及現(xiàn)在各國競相研究的高超聲速飛行器等的研制與發(fā)展，對具有寬廣而深厚的氣體動力學知識的人才均具有迫切的需求。

根據(jù)本校新版的人才培養(yǎng)方案，“氣體動力學”是相關專業(yè)本科三年級學員開設的專業(yè)基礎類必修課程。課程的培養(yǎng)目標是讓學員理解氣體動力學的發(fā)展歷程和研究方法，掌握氣體動力學的基本概念、基本組成等基礎知識，了解氣體動力學在相關裝備設計、研制中的作用，為后續(xù)專業(yè)課的打下良好的基礎。同時，注重強化學員的應用意識，注重理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學員利用所學知識解決實際工程問題的能力，能夠在思維能力、情感態(tài)度與價值觀等方面得到鍛煉和提高，為部隊相關裝備的技術保障和發(fā)展建設培養(yǎng)“技指合一”的復合型人才。

從人才培養(yǎng)目標可以看出，在新軍事變革和武器裝備跨越式發(fā)展對復合型人才需求的大背景下，新版人才培養(yǎng)方案更為注重應用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，更加注重培養(yǎng)學員的綜合運用知識分析問題和解決問題的能力。對學員而言，這門課程處于從基礎課學習到專業(yè)課學習的過渡階段，課程的教學既要保證學員掌握扎實的理論基礎知識，又要考慮與后續(xù)專業(yè)課程的銜接，為后續(xù)專業(yè)課的學習做好鋪墊，進而能夠分析解決第一任職需要掌握的專業(yè)技術問題。課程教學團隊經(jīng)過幾年的探索和時間，從授課內容的調整、教學團隊的錘煉、教學模式的改革、考核方式的創(chuàng)新幾個方面對課程教學進行了全面的改革，有力的促進了理論授課與綜合素質培養(yǎng)的結合，取得了很好的教學效果。

二、強化應用理念，注重教學內容調整

“氣體動力學”的一個重要特點是理論性強，概念抽象，描述氣體運動規(guī)律的微分方程非常復雜，有關公式和結論的推導過程冗長繁雜，且對學員的數(shù)學知識要求較高。傳統(tǒng)的“氣體動力學”教學內容和教學設計過分強調公式的推導，大量的板書推導不僅占用了相當多的課堂時間，而且容易使學生感到枯燥乏味，甚至產生厭學情緒，使得教學難以達到預期的效果。筆者認為，“氣體動力學”是一門來源于工程實際的課程，對工科的學生而言，學習這門課程更重要的目的是將所學的知識應用到實踐中去。因此，課堂內容的講解重點應放在分析問題的思路和方法，講清基本概念，強調公式背后的物理意義及其適用范圍，而淡化大量繁雜的數(shù)學變換。這樣既可以節(jié)約大量的課堂時間用來突出教學的重點難點，也可以使課堂氣氛變得輕松活潑。在這種理念的指引下，結合課時壓縮的實際，課程教學團隊首先根據(jù)本專業(yè)的需要對教材中的教學內容進行了有針對性的優(yōu)化，壓縮了不可壓縮流體方面的內容，將重點放在可壓縮流體特別是超聲速流體的特有現(xiàn)象，并根據(jù)后續(xù)學習“發(fā)動機原理”的要求，重點講述可壓縮流體的管道流動。在具體內容的講解過程中，采用“問題導引式”，力圖做到“概念準確、原理深入、推導簡化、學以致用”。如在講解激波概念時，可以通過飛機發(fā)展過程中出現(xiàn)的“音障”問題引入；在講解激波的反射與相交時，可以通過火箭發(fā)射時“糖葫蘆”狀的尾焰形狀引入；在講解卡門渦街的概念時，可以通過風吹過電線或樹枝發(fā)出的“嗚嗚”響聲引入等。這種問題導引式的方法不僅強化了教學內容的應用理念，還可以使學員理解氣體動力學不是空洞的理論，而是與生活緊密相連，增強其學習的興趣和自信心。

三、依托科研優(yōu)勢，提高授課隊伍水平

教學與科研是相輔相成，互為一體的，教學是科研的“隱形動力”，而科研是教學的“源頭活水”。如果沒有科研的支撐，教學必然不深不透。若要對教學內容把握準確，講解深入淺出，必須要求教師在相關領域有較為深入的研究。

本課程教學團隊長期從事飛行器氣動設計中的關鍵基礎問題研究和技術開發(fā)，承擔了國家自然科學基金、航空基金、陜西省自然科學研究計劃、軍隊預研和軍隊科研等多項研究課題。這些課題既有空氣動力學的基礎理論研究，也有相關理論在具體裝備中的應用研究，課程教學團隊在這些課題的研究過程中，把基礎的氣體動力學背景知識同裝備研制和使用進行了有機結合，既鍛煉了教學團隊對基礎知識的理解和掌控能力，又形成了大量來源于工程實際的教學素材，為教學團隊的建設和教學內容的改革提供了堅實的基礎。

同時，教學團隊所在的實驗室既擁有可用于實驗教學的小型風洞、煙風洞、測力裝置等實驗設備，還擁有如熱線風速儀、計算平臺以及Fluent等CFD計算軟件，這些軟硬件為錘煉教學團隊提供了良好的平臺。此外，我們還組織團隊人員參加學術會議和教育教學研討會，并定期邀請校內外的專家做專題講座或學術報告。對新進入團隊的青年教員安排專人幫帶，采用隨堂聽課、集體備課、組內研討等方式幫助他們成長。力爭經(jīng)過3-5年的努力，建立一支年齡結構合理、科研能力強、教學水平高、既具有理論知識又具備工程經(jīng)驗的教學團隊。

四、改革教學模式，加強實驗教學環(huán)節(jié)

實驗教學是氣體動力學教學一個不可缺少的環(huán)節(jié)。通過實驗教學，不但可以增強學員的感性認識，鞏固學習的理論知識，還可以通過實驗的操作，鍛煉學員的實際動手能力，掌握一定的實驗技能。此外，實驗知識的預習、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)的整理分析、實驗報告的撰寫這一全流程的工作可以看作是一個解決工程實際工程問題的過程，是應用理念的具體體現(xiàn)。

在以往的教學過程中，由于課時總數(shù)的限制和對實驗重視程度的不夠，實驗課的學時數(shù)被大量壓縮，甚至出現(xiàn)理論課占用實驗課的情況。同時，受實驗室實驗設備的限制，學員分組每組人數(shù)較多，組員之間容易產生相互依賴現(xiàn)象。為此，在新版人才培養(yǎng)方案的論證過程中，進一步增加了實驗課的課時，并加大了實驗課成績在最終成績中的比重。同時，利用“2110建設”、“科研條件建設”等專項資金，淘汰了一批陳舊的實驗設備，增加了新型實驗設備的數(shù)量，將實驗小組人員的數(shù)量降至3人以下。并根據(jù)實驗的不同，確定組員之間明確的分工，在發(fā)揮學員主觀能動性的同時，重視團結合作精神的培養(yǎng)。

實驗教學不同于理論教學，實驗室場地開闊，學員在實驗過程中自由行動，相互配合，可以更好地完成實驗。但也給管理和安全帶來一定的隱患，學生由于走動頻繁，容易造成實驗儀器的損壞，甚至造成人身安全事故。為此，教學團隊根據(jù)軍校學員的特點，提出了“戰(zhàn)位”教學方法。即在實驗的過程中，嚴格按照部隊訓練的方式將學員劃分成各個號位，將實驗流程分解、細化，每個人按照實驗流程有秩序的完成自己的實驗操作。這種方法不但可以有效地避免儀器的損害和安全事故的發(fā)生，還給學員提供了一個貼近部隊實際的訓練場景，對學員第一任職能力的培養(yǎng)和部隊工作模式的適應具有積極的意義。從實際效果來看，這種培養(yǎng)模式不但能使學員短時間內規(guī)范地掌握實驗的操作步驟、過程，提高了學員的動手能力，還為學員的部隊任職打下了良好的基礎。

此外，為進一步強化應用理念，培養(yǎng)學員的創(chuàng)新能力，根據(jù)實驗內容的不同，將實驗分為演示性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新型實驗等多種類型，并鼓勵學有余力的學員依據(jù)實驗室現(xiàn)有條件開發(fā)設計性實驗，以滿足不同類型學員的需求。

五、創(chuàng)新考核方法，注重知識綜合運用

教學離不開考試，考試是反映學員學習效果和教師教學效果的重要手段。關鍵采用何種方式進行考試考核，才能更好地反映學員對知識的掌握能力和運用程度是一個需要研究的課題。傳統(tǒng)的“氣體動力學”考試一般采用閉卷形式，主要考察學員對基礎知識的掌握程度，難以反映學員運用基礎知識解決實際問題的能力。

為了強化應用理念，課程教學團隊將考核方式修改為閉卷+開卷模式，閉卷主要考察學員對基本知識的掌握能力，題型以選擇、判斷、填空、簡答形式為主；開卷考試主要考核學員運用知識分析問題、解決問題的能力，題型以計算、分析和論述為主，開卷考試允許學員查閱教材、學術論文等資源，二者分值各占考試總分值的50%。此外，為了強化學員的實驗能力和平時表現(xiàn)，將最終成績的評定分為考試成績+實驗成績+平時作業(yè)成績三部分，權重的分配分別為60%、30%和10%。若學員能對某一問題有較為深入的研究，鼓勵學員以學術論文或者報告的形式呈現(xiàn)，教員根據(jù)論文的質量給予一定程度的額外加分。為充分調動學員的積極性，在第一次上課時將考核方式和評定方法宣布。

該方法經(jīng)過近十年的完善和發(fā)展，取得了較好的效果，較為有效地避免了學員考前“臨陣磨槍”式的死記硬背現(xiàn)象，較為真實地考察了學員對知識的掌握情況。總之，考試不是目的，僅是手段，如何能通過考核進一步調動學員學習積極性和對知識的掌握運用能力也是一個需要繼續(xù)研究的課題。

六、結語

作為本專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程，“氣體動力學”既有深入的理論，又能結合實驗鍛煉學員綜合運用知識的能力。在培養(yǎng)復合型、應用型人才的教學改革和教學實踐中，筆者就如何在“氣體動力學”的教學過程中強化應用理念從教學內容調整、錘煉教學隊伍、改革教學模式、創(chuàng)新考核方式做了一些探討和實踐。教學改革是一個永恒的話題，如何能在將來的教學中結合部隊對人才的需要進一步提高教學質量仍是一個亟需研究的課題。

參考文獻：

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[3]孫振生等. CFD技術應用于本科生“氣體動力學”的探討[J].教育教學論壇， 2015，18：156-157.

作者簡介：

孫振生（1982-），男，漢族，山東泰安人，博士，副教授，研究方向：計算流體力學和湍流的數(shù)值模擬。