航空宇航推進專業教學體系改革與實踐

摘要：為了滿足在綜合性大學開設航空航天專業培養具有工程經驗的創新型人才任務，對上海交通大學航空航天學院航空宇航推進本科專業核心課程體系進行了教學改革探索。在“三位一體”教學理念指導下，提出了航空宇航推進專業本科課程改革思路，改革了教學體系，并經過優質教材編制、課程實驗、課程實訓、項目設計大作業、課堂專題講座和課堂教學組織共六個環節的教學改革，貫穿于推進專業課程的全部教學實踐過程，促使學生進行主動性學習，鍛煉了學生的思維力、生成力和表達力，人才能力培養的效果顯著，航空宇航推進本科專業課程的教學改革與實踐取得了良好的成績。

關鍵詞：航空宇航推進；人才能力培養；教學改革；工程教育

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0113-04

航空航天產業是國家的戰略性產業，體現了一個國家科技、工業、經濟等的發展水平與綜合實力，對科學技術進步和國民經濟發展具有重大的意義。目前國家正在施行的航空發動機和燃氣輪機“兩機”科技重大專項，對“航空宇航推進理論與工程”學科的高水平人才培養提出了迫切要求。我國專門的航空院校少，目前已經無法滿足大量的高水平航空航天人才培養任務，綜合性大學開設航空航天專業并加強人才培養勢在必行。我國高等工程教育歷史上承襲了前蘇聯的高等教育模式，注重專業教育而忽視個性、多學科交叉和創造力的培養，已不能適應全球人才競爭，與當前構建創新型國家的人才知識結構需求也有較大差距[1]。我國部署航空院校“航空宇航推進理論與工程”學科的培養方案中專業分工細、課程多，綜合性大學與之不同，比如上海交通大學，其對于通識課程設置較多，而對專業課則要求相對少而精，這樣綜合性大學在開設“航空宇航推進理論與工程”學科的專業課程時，就沒有現成的經驗可供借鑒，必須進行教學改革的探索。

一、教學理念與教學改革思路

教學改革的探索建立在先進的教學理念之上。首先來理解一下關于教育的定義。聯合國教科文組織制訂的1997年版《國際教育標準分類法》（ISCED）[2]中指出：教育是導致學習的、有組織的和持續的交流。由此定義可以看出，現代教育已經不再局限于過去單一的傳授知識，而是要通過靈活多樣的教學方式，解放人的潛在能力，挖掘人的創造能力，促進人的全面發展。在對傳統教學方法改革的過程中，涌現出了各種各樣的新教學方法[3]。上海交通大學在建設世界一流大學的進程中，在基礎、工程學科的拔尖人才培養上都進行了積極的探索，形成了“知識探究為基礎、能力建設為核心、人格養成為根本”的“三位一體”教學理念[4-5]。本文將在此教學理念的指導下，對航空航天專業必修課和專業核心課程“推進原理”進行教學改革，致力于學生學習能力包括思維力、生成力和表達力的培養，爭取達到教育即解放、教師即開發、學生即創造、教室即成長的效果。通過對同樣是綜合性大學的歐美一流大學航空航天工程專業的深入調研，確定了上海交通大學航空航天學院航空宇航推進專業的課程體系，循序漸進地安排了五門專業核心課，包括“工程熱力學（D類）”、“空氣動力學Ⅰ”、“空氣動力學Ⅱ”、“傳熱學”和“推進原理”，最后進行“專業課程設計”。“推進原理”作為課程鏈中最重要的一環，是一門難度大、綜合性高的課程，也是一門需要理論知識與工程實踐相結合的課程，對于教改最為迫切，為此本文將以“推進原理”的教改為例來論述。“推進原理”要求學生掌握航空燃氣輪機與火箭發動機的基本原理、結構及其基本設計能力，并在此基礎上，了解近期已采用和今后即將采用的航空燃氣輪機及火箭發動機的設計新技術與發展趨勢。可以看出，在有限學時的情況下要達到如此高標準的教學目標，必須在“三位一體”教學理念的指導下，把推進原理的知識探究作為基礎，分析解決科研問題的能力建設作為核心，這個過程中的嚴謹求實和探究的人格養成作為根本。為此，教學改革內容上在分析解決科研問題的能力和嚴謹求實和探究的人格養成方面需做一些側重。強化學科前沿和突出工程實踐兩條主線，重新設計“推進原理”課程培養體系，合理優化設置課程內容，編制優質教材，大力加強項目設計環節，設計的項目要緊貼工程背景和時代背景，這樣才能培養出具有知識結構合理、實戰能力強、視野開闊并具有“領軍人才潛質”的航空航天專業高端人才，滿足國家對航空航天專業領域創新人才的需求。

二、教學體系改革

根據“推進原理”課程改革的思路，設計了理論教學與實踐教學相結合的“推進原理”教學體系，見圖1。按照課程的核心內容以及能力建設規律，教學體系采用模塊化設置，分為了三個層面，分別為：基礎層、提高層和創新層。基礎層包含課程的核心內容，分為九個模塊，分別為氣動熱力學基礎、基本工作原理、葉片機原理、燃燒室原理、氣動熱力計算、總體與部件結構、共同工作與控制規律、發動機特性、新技術與新進展，著眼于基本知識的掌握。提高層包含三個實踐項目，分別為平面葉柵流場測試實驗、微型發動機性能測試實驗以及發動機分解實訓，實施專業特色培養，是對學生進行工程能力培養的主體。創新層包含兩個模塊，分別為項目設計大作業與課堂專題講座，著重培養學生綜合實戰能力與創新能力。

三、教學實踐

“推進原理”課程工程性強，學生的“做中學”必須放在非常重要的地位。根據“推進原理”的教學體系設計，開展了如下的教學實踐環節。

1.優質教材編制。一本優質教材對于課程的重要性不言而喻。“推進原理”圍繞航空發動機和火箭發動機兩條主線，課程內容多。為了保證課程的基礎層扎實、深入，就必須精煉教材內容，找出推進通用的原理和方法，有所側重，以點帶面組織好，在內容廣泛的基礎上要具有一定的深度。國內缺乏符合此要求的教材，缺乏系統設計內容方面的模塊。為此借鑒了大量國際一流大學的原版教材，包括美國麻省理工大學教材《Aircraft Engine and Gas Turbine》，美國堪薩斯大學等多所大學航空機械專業所采用的教材《Aircraft Propulsion》，AIAA教育系列教材《Elements of Propulsion：Gas Turbines and Rockets》、《Aircraft Engine Design》，Rolls-Royce公司出版的《The Jet Engine》，劍橋大學教材《Compressor Aerodynamics》，以及原版名著中譯本教材《火箭發動機基礎》。在對這些教材深入研究的基礎上，形成了教材的框架內容，并提煉出了發動機總體性能方案設計、部件設計和結構設計三個模塊的內容。在六年多講義教學實踐的基礎上，編制出版了554千字圖文并茂的本科生教材《推進原理與設計》。編寫特色主要有三項，一是針對非航空航天院校的重點綜合性大學中航空航天工程本科專業而編寫，強化基礎，拓寬知識面，并確定了重點內容為航空發動機壓氣機部件原理（著眼于航空發動機是靠旋轉葉片做功的特點），航空發動機部件共同工作、控制規律以及特性（這是航空發動機原理的重點和難點），在內容上突出重點。二是突出設計特點，注重航空發動機設計方法的講解和實例演練；在掌握推進原理基本知識的基礎上，增加了發動機總體性能方案，總體和部件結構設計分析，以及壓氣機、渦輪、燃燒室三大部件的設計內容，既有設計要求和設計流程方面的介紹，又有原理和設計相結合的實例演練，不僅加深了對發動機原理的理解，而且了解了航空發動機的設計工作，更增強了分析解決科研問題的實戰能力。三是民機特色，在國家大飛機立項之際，我國的航空行業迎來了前所未有的發展機遇和挑戰，為此書中側重于大涵道比渦輪風扇發動機（主要應用于大型客機），并著重講解了其總體性能、結構和部件設計等多方面的內容[6]。

2.課程實驗。課程實驗是課程中的實驗教學，著力培養學生的觀察能力、思維能力、操作能力和理論聯系實際的能力。“推進原理”課程包含兩個實驗，分別是平面葉柵流場測試實驗和微型發動機性能測試實驗，下面分別介紹。（1）平面葉柵流場測試實驗。平面葉柵流場測試實驗內容要求對給定的實驗平面葉柵速度場云圖和矢量圖進行分析，描述實驗平面葉柵的流場結構特征；分析攻角變化對平面葉柵氣動性能的影響，給出其規律。實驗過程中要熟悉平面葉柵實驗設備、先進PIV測試系統和實驗方法，了解平面葉柵實驗在壓氣機氣動設計中的作用和地位，提高親自動手和組織試驗程序的能力，培養認真書寫實驗報告的科學作風。（2）微型發動機性能測試實驗。性能測試實驗用的微型發動機是從英國Armfield公司購進的ArmfieldCM14燃氣渦輪發動機，該設備是專為高校學生全面了解燃氣渦輪發動機而設計的，自包含小尺寸燃氣渦輪發動機演示系統，其設計的目的是展示航空燃氣渦輪發動機的原理和特點。在發動機的每級中配備有溫度和壓力傳感器，可對通過一個噴嘴產生推力的燃氣渦輪發動機進行完整的理論分析。該設備主要由兩大模塊集成，分別是發動機模塊組裝和電子控制臺，再加上一個單獨的油箱。學生通過這個完整的發動機性能測試實驗，可以得到多方面的訓練，包括發動機的開機、關機以及數據記錄，推力估計，繪制焓熵圖，計算發動機的效率，從而達到全面掌握發動機工作原理和性能計算的目的。

3.課程實訓。“推進原理”課程實訓是進行航空發動機的分解實訓，這是以“做中學”的方式對學生進行專題技能訓練，意在培養學生的動手動腦能力，以及獨立分析問題并解決問題的能力。進行分解實訓的航空發動機選用CFM國際公司生產的CFM56發動機，在上海交大航空發動機研究院技術有限公司的實訓基地進行。CFM56發動機是目前世界上生產最多的航空發動機，結構成熟，性能優良。CFM56發動機由單級風扇加三級增壓壓氣機（或稱低壓壓氣機）、九級高壓壓氣機、短環形燃燒室、單級高壓渦輪與四級低壓渦輪組成，總體結構緊湊，采用單元體設計，共分為十七個大的單元體。學生按照實訓大綱的要求，分成獨立的小組，分別完成不同的分解實訓任務，最終提交實訓心得和結構分析報告。

4.項目設計大作業。項目設計大作業屬于創新層的教學任務，同樣是采用以項目牽動的“做中學”教學模式，通過團隊合作以實現階段教學目標。“推進原理”課程實驗包含三個項目設計大作業，分別敘述如下。（1）發動機總體性能方案設計，采用自編軟件，進行變比熱計算，選取對大型客機渦扇發動機性能影響較大的幾個主要循環參數——涵道比、風扇外涵增壓比、總增壓比、渦輪前總溫，設計出多種參數方案，計算設計點性能參數。在此基礎上，確定較佳的熱力循環參數組合，即耗油率較低、推力較大的一組或兩組熱力循環參數；畫出熱力循環參數組合圖形，分析不同比熱計算模型的各自精度；分析涵道比、風扇外涵增壓比、總增壓比、渦輪前總溫對耗油率、推力的影響。最終采用三維繪圖軟件，完成發動機流路剖面圖設計。（2）發動機總體和部件結構設計分析，對學生分組，每組各選擇一種典型型號的發動機，給出該型號發動機的總體結構方案和部件結構設計分析，完成報告，并畫出總體結構方案圖。（3）壓氣機氣動設計，給定設計點參數，要求設計一臺軸流壓氣機，給出設計報告。報告內容包括：計算過程、程序、數據，以及葉片和流道的三維實體圖，并回答方案篩選過程中的一些問題。這三個大作業都需要學會文獻檢索，自行查閱國內外數據庫，學會進行方案篩選和設計，有利于創新能力的培養。

5.課堂專題講座。在進行發動機新技術與新進展教學模塊時，安排一次課堂專題講座。針對已經完成的發動機原理教學任務，讓每個學生選取各自感興趣的知識點，查閱近五年的文獻，其中至少包含一篇英文文獻，在課堂每人進行ppt匯報，鍛煉學習文獻和演講報告、努力發現與思考問題的能力。

6.課堂教學組織。上述教學實踐建立在良好的課堂教學基礎上。課堂教學組織，首先要設計好引導的問題、知識的銜接和板書內容等；在有限的課時里，把涉及內容繁多的“推進原理”課程通過模塊化、系統化、深入化的教案組織，精煉教學內容；并且所有講課模塊中關于其科技前沿的新技術和發展趨勢都融入其中；掃清學生們在學習“推進原理”時關于相關基礎課程遺忘和模糊不清的一些障礙，這樣讓學生無障礙地開始“推進原理”的學習；采取多種教學方式相結合：以理論、原理講授為主，采用互動式教學，要求學生課前必須預習，每節課首先隨機提問預習情況，然后以問題為先導，通過課堂討論、“專題式”教學等方式來講授知識；對于興趣濃厚、學有余力的學生增加課外自學閱讀要求；采用理論實踐相結合的方式進行，在授課中增加葉片等零件的實物教學，課后安排多個視頻演示觀看等，以此來增進學生的感性認識。關于人格養成方面，課堂教學時側重了一些典型的分析解決科研問題的實例，以探究嚴謹求實的人格養成。

上述六個環節貫穿于整個“推進原理”課程的教學實踐過程，促使學生進行主動性學習，鍛煉學生的思維力、生成力和表達力，以達到融會貫通的學習效果。

四、結論

以“推進原理”課程為代表的航空宇航推進專業教學改革應用于上海交通大學航空航天學院本科生的培養。課程負責人具備了專業課程較深厚的理論系統知識和一定的工程實踐經驗，具有積極的教學熱情和投入，經過了6年多的課程教學改革與實踐，創新了教學方法，并加強師生交流、討論與互動，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養學生自主學習的能力，在課程的教學理念、教學體系、教學方法、教學團隊和教材建設等方面都有所探索和創新，提高了教學水平和教育質量，實現了航空航天專業人才培養目標，產生了明顯的教育教學效果，學生評教優秀，主講教師多次榮獲上海交通大學優秀教師獎。航空宇航推進專業教學改革與實踐在上海交通大學的本科生教學中起到了模范示范作用。2012年，“推進原理”平面葉柵流場測試實驗獲得了上海交通大學本科生特色實驗獎。2013年，“推進原理”獲得了上海交通大學985“優質中文課程”獎。“空氣動力學Ⅱ”獲上海高校示范性全英文教學課程稱號。2015年，“推進原理”獲得了上海市教委本科重點課程建設項目立項。2015年出版的教材《推進原理與設計》，入選“十二五”國家重點圖書規劃項目，并列入2015年度“上海高校服務國家重大戰略出版工程”項目，該教材已經經歷了一輪完整的課堂教學任務，效果良好。2016年，航空宇航推進系列課程教學改革與實踐獲得了上海交通大學教學成果獎二等獎。

參考文獻：

[1]丁水汀，李秋實.深化綜合改革促拔尖人才培養[J].中國高等教育，2013，（19）：22-25.

[2]聯合國教育、科學及文化組織.國際教育標準分類（ISCED）[S].1997，（11）.

[3]PRINCE M.Does Active Learning Work？ A Review of the Research[J].Journal of Engineering Education，2004，93（3）：229.

[4]汪小帆，沈悅青.“三位一體”培養基礎學科拔尖創新人才[J].中國高等教育，2014，（21）：23-25.

[5]鄭益慧.三位一體構建工程拔尖人才培養新模式[J].中國高等教育，2011，（12）：38-40.

[6]滕金芳，羌曉青，馬威.推進原理與設計[M].上海交通大學出版社，2015.