航空發(fā)動機沖擊動力學(xué)新生研討課實驗教學(xué)改革研究

羅剛 趙振華 劉璐璐 陳　偉 周標(biāo)

[摘 要] 在航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)新生研討課中設(shè)計了冰撞擊和外物損傷模擬實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，通過設(shè)備技術(shù)安全改造、實驗方案優(yōu)化、實驗大綱編寫、分組實驗觀察等教學(xué)手段，將課堂理論教學(xué)與實踐教學(xué)有機結(jié)合，加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)沖擊學(xué)問題的認(rèn)識。通過對學(xué)生進行問卷調(diào)查，對實驗教學(xué)在新生研討課中的教學(xué)效果進行了總結(jié)與分析。結(jié)果表明，在新生研討課中開展實驗教學(xué)，有助于學(xué)生快速深入地掌握課堂教學(xué)理論知識，調(diào)動學(xué)生參與教學(xué)活動的積極性，提高學(xué)生動手能力，推動學(xué)生理解航空特色，對學(xué)生規(guī)劃未來專業(yè)方向起到了較好的輔助作用。

[關(guān)鍵詞] 航空發(fā)動機;沖擊動力學(xué);新生研討課;實驗教學(xué)

引言

研討式教學(xué)起源于18世紀(jì)的德國，并在19世紀(jì)成為德國大學(xué)普遍的教學(xué)方式[1]。研討式教學(xué)的特點主要包括有利于學(xué)習(xí)者向研究者角色轉(zhuǎn)換，有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力，啟發(fā)學(xué)生批判精神，促使學(xué)生重視開拓創(chuàng)新，同時也倒逼課程學(xué)習(xí)與教師科研緊密結(jié)合[2]。在新工科背景下，研討式教學(xué)對提升課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的學(xué)生具有重要意義。目前，國內(nèi)已有很多大學(xué)和研究者對研討式教學(xué)開展了有益的探索與實踐。徐冬梅[3]借助新生研討課探索了以素質(zhì)教育為先導(dǎo)的混合教學(xué)模式;鄒鋒[4]依據(jù)英國高校的經(jīng)驗，實踐了主體設(shè)計、文獻(xiàn)查找、小組研討與講評等研討教學(xué)方式;劉長青[5]組建了國際化的教學(xué)團隊，開展了充分的探討和辯論教學(xué);周金堂[6]創(chuàng)建了新生研討課的“學(xué)習(xí)共同體”，促進了教學(xué)相長;張進[7]通過組織開設(shè)多門新生研討課，批量實踐了轉(zhuǎn)變本科新生學(xué)習(xí)模式的教學(xué)改革工作;李敏[8]，黃向陽[9]，鄧輝[10]等均通過具體課程的研討實踐，探索了適用于工科專業(yè)的研討教學(xué)方式。

從前人的實踐中可以發(fā)現(xiàn)，新生研討課教學(xué)方式也遇到了一定的瓶頸，主要體現(xiàn)在研討過程越來越容易進入程式化進程，即教師講授背景，學(xué)生查詢文獻(xiàn)與匯報，教師點評。程式化的教學(xué)模式容易導(dǎo)致所講授知識更新速度減緩，課堂討論教學(xué)效果不易協(xié)助學(xué)生快速形成基本科學(xué)概念等弊端，有必要對新生研討課的總體教學(xué)方式進行改革與創(chuàng)新。

本文針對南京航空航天大學(xué)開設(shè)的新生研討課航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)若干問題，在研討課中引入了實踐動手環(huán)節(jié)，形成了教師理論講授—學(xué)生文獻(xiàn)查詢—學(xué)生匯報—教師點評—實驗室分組實踐—學(xué)生總結(jié)的教學(xué)流程，收到了良好的教學(xué)效果。

一、課程改革背景

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)若干問題是南京航空航天大學(xué)針對本科一年級新生開設(shè)的新生研討課，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生樹立和掌握航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)的基本概念、研究背景、研究方法和未來發(fā)展趨勢，具有濃郁的航空特色。該課程從2017年起開設(shè)，在教育實踐過程中，課程組發(fā)現(xiàn)新生研討課教學(xué)中面臨著認(rèn)知與實踐水平難以有效提高、教學(xué)方式發(fā)展與改革不易推動等。為推動上述問題的解決，進一步提升教學(xué)效果，課程組在新生研討課中增設(shè)了學(xué)生動手實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生在參加完課堂教學(xué)后，在教師指導(dǎo)下親自操作空氣炮實驗系統(tǒng)進行航空發(fā)動機工作中可能遇到的冰撞擊和外物損傷等模擬實驗，將課堂講授的背景和理論知識與實踐認(rèn)知有機結(jié)合，極大地加深了對相關(guān)知識體系的理解，推動認(rèn)知與實踐水平提高，改革創(chuàng)新了新生研討課的教學(xué)方式。主要解決了以下三方面實驗教學(xué)的關(guān)鍵問題：其一，設(shè)計開發(fā)教學(xué)專用的低能量空氣炮演示實驗系統(tǒng);其二，設(shè)計完備的實驗流程和雙人合作操作規(guī)范，新編寫實驗大綱;其三，設(shè)計搭建虛擬仿真系統(tǒng)，再現(xiàn)高速沖擊的過程，便于學(xué)生觀察和分析。針對上述問題，課程組通過對現(xiàn)有的科研空氣炮實驗設(shè)備及技術(shù)的消化吸收，開發(fā)適用于教學(xué)實驗的小口徑低能量自動控制沖擊實驗系統(tǒng)，通過建立高速沖擊過程虛擬仿真的步驟，科學(xué)設(shè)置學(xué)生在沖擊實驗中的動手環(huán)節(jié)，促使學(xué)生更深入地參與實驗過程，發(fā)展了航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)若干演示實驗技術(shù)。

二、實驗教學(xué)改革實施

為滿足課程改革的目的和效果，課程組開展了大量的分析、研究和準(zhǔn)備工作。

1.空氣炮的小型化低能量設(shè)計和自動控制技術(shù)。考慮教學(xué)實驗用沖擊實驗的可操作性、精確度、安全性和可維護性，課程組在對科研用大口徑高能量空氣炮實驗系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，提出和實踐了空氣炮的低能量小型化設(shè)計方法，極大地縮小了設(shè)備體積和占地，并大幅提高了安全性和可維護性。采用閉環(huán)控制原理研制了自動控制系統(tǒng)，對空氣炮氣室的注氣、壓力穩(wěn)定進行了全程動態(tài)監(jiān)控，對空氣炮的觸發(fā)引入了電動遙控方式，取代了科研用大口徑空氣炮的手動注氣、目視檢測和手動觸發(fā)方式，極大提升了系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化水平。建成了帶自動控制系統(tǒng)和人機操作界面的37mm口徑電磁閥式教學(xué)用空氣炮實驗系統(tǒng)一套，編寫了相應(yīng)的教學(xué)實驗流程規(guī)范。

2.高速沖擊過程虛擬觀察分析軟件平臺集成開發(fā)。課程組開發(fā)了基于LS-dyna數(shù)值模擬軟件的高速沖擊過程虛擬觀察分析軟件虛擬沖擊教學(xué)版V1.0。軟件對大量不同工況，如不同速度、角度、撞擊位置的鳥/冰撞擊平板葉片過程進行有限元建模，將模型源文件存儲在工作目錄下，編寫軟件界面，學(xué)生可以在初級用戶模式中選擇想要觀察的工況，調(diào)用相應(yīng)的源文件進行數(shù)值模擬，并在后處理軟件中進行沖擊過程的虛擬觀察和數(shù)據(jù)分析。此外，學(xué)生還可以采用高級用戶模式，調(diào)用沖擊過程的源文件，對其進行編輯后重新計算得到自己想要觀察的特殊工況下的沖擊過程和動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)的若干問題課程的互動和實踐。針對航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)的若干問題中的鳥/冰撞擊、機匣包容和外物損傷三個熱點問題，課堂上，采用教師理論講授和案例分析的手段引出問題，由學(xué)生查閱資料后開展廣泛研討，教師點評的手段，較好地建立了學(xué)生的理論基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)方向;針對航空發(fā)動機可能遭遇的鳥/冰撞擊和外物損傷的情況，專門設(shè)計了冰柱撞擊金屬平板和鋼柱撞擊金屬葉片前緣的實驗，編寫了相關(guān)實驗的實驗大綱;隨后采用“虛擬沖擊”仿真軟件，對學(xué)生即將開展的不同工況的冰撞擊平板實驗進行了仿真和預(yù)估觀察;最后采用教師示范，學(xué)生分組動手實踐的方法，學(xué)生在實驗時2人一組，分工配合，全程參與了系統(tǒng)檢視、安裝標(biāo)靶、裝彈、控制、發(fā)射、觀察實驗過程、分析標(biāo)靶等工作，在保證安全的前提下親手操作空氣炮實驗設(shè)備，觀察和討論了不同速度下冰柱撞擊金屬靶板所導(dǎo)致的變形損傷和不同沖擊能量鋼柱對葉片前緣的沖擊損傷，對航空發(fā)動機沖擊動力學(xué)問題加深了認(rèn)識。

三、教學(xué)效果總結(jié)

實施實驗教學(xué)改革后，研討課程取得了較好的教學(xué)和實踐效果。課程組針對三年來參與課程學(xué)習(xí)與實踐的本科新生開展了問卷調(diào)查工作，共收回有效問卷40份，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，82.5%的同學(xué)對課堂教學(xué)表示滿意，17.5%的同學(xué)表示基本滿意;95%的同學(xué)對實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果表示滿意，5%的同學(xué)表示基本滿意;92.5%的同學(xué)表示對教師的講授能力表示滿意。上述數(shù)據(jù)表明，學(xué)生對教學(xué)團隊的知識結(jié)構(gòu)和教學(xué)水平的認(rèn)可。70%的同學(xué)認(rèn)為課堂與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式效果很好，應(yīng)大力推廣，其余同學(xué)表示應(yīng)考慮專業(yè)因素，在一定范圍內(nèi)推廣。有42.5%的同學(xué)表示深入理解了航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)的基本概念與問題，50%的同學(xué)較為了解（考慮到本課程面向全校所有專業(yè)學(xué)生開放，該比例較高）;100%的同學(xué)認(rèn)為通過親自或協(xié)同操作實驗，了解了相應(yīng)實驗方法，加深了對航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)若干問題的認(rèn)識。上述數(shù)據(jù)表明學(xué)生對該類課堂與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式的肯定。學(xué)生留言：“很滿意，老師教會了很多東西”，并建議“多做幾次實驗”“希望可以讓其他年級學(xué)生加入”“實驗做的不過癮”“有助于大三選擇方向”“希望能夠大力推廣這樣的課程”等，項目收到了良好的教學(xué)效果。同時學(xué)生也建議，針對全部沖擊動力學(xué)問題，設(shè)計相應(yīng)的實驗子模塊，以進一步加深學(xué)生對有關(guān)問題的理解，表明學(xué)生針對課程特點有了一定思考，提出了自身后續(xù)發(fā)展的需求，提醒了課程組今后的努力方向。

同時，課程組通過教學(xué)改革與實踐，取得了教學(xué)與科研相長的效果，在課程教學(xué)、實驗設(shè)備改造、實驗室建設(shè)以及配合相關(guān)科研工作方面取得了較好的成績，見表1。

四、結(jié)論

通過在新生研討課中開展實驗教學(xué)改革，得出如下結(jié)論。

1.實驗教學(xué)豐富了新生研討課的教學(xué)內(nèi)涵，打破了原有的課堂教學(xué)陳規(guī)，快速深入推動了學(xué)生對課堂講授的結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)有關(guān)知識的理解和掌握。

2.實驗教學(xué)進一步促進了教師教學(xué)相長，推動授課教師具備全面的知識結(jié)構(gòu)、理論與實踐教學(xué)能力，不斷更新相關(guān)專業(yè)知識體系。

3.實驗教學(xué)促使學(xué)生進一步完成角色轉(zhuǎn)變，同時具有學(xué)習(xí)者、研究者、工程師等屬性，促進學(xué)生全面發(fā)展，鍛煉了學(xué)生預(yù)先分析與團結(jié)協(xié)作能力，問卷調(diào)查表明教學(xué)效果優(yōu)良。

4.實驗教學(xué)改革促進了課程組的科研能力，推進了教學(xué)與科研相長，形成了多贏的局面。

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