傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程教學改革與探索
——以飛行器結構力學課程為例

孟軍輝

（北京理工大學宇航學院 北京 100081）

2017年2月，《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》提出，建設“新工科”人才培養(yǎng)模式，要求從學科導向轉向產(chǎn)業(yè)需求導向、從專業(yè)分割轉向跨界交叉融合、從適應服務轉向支撐引領[1]。新工科的迅速發(fā)展，一方面，是工業(yè)科技發(fā)展對人才提出了更高要求，另一方面，傳統(tǒng)的偏理論和單學科教育的人才培養(yǎng)，在面對復雜工程問題時凸顯實踐性和創(chuàng)新性的不足[2]。新工科建設不僅涉及新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，而且也要求利用新技術對傳統(tǒng)專業(yè)進行改造升級，加強工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結合，在教學各個環(huán)節(jié)中，主動對接產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和企業(yè)技術創(chuàng)新要求，把握行業(yè)人才需求方向。新工科建設服務國家戰(zhàn)略，順應經(jīng)濟發(fā)展，強調(diào)學科交叉融合和過程實踐，在交叉領域踐行多學科的研究思想和方法，在解決復雜工程問題的過程中培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合型、應用型人才[3]。對傳統(tǒng)專業(yè)核心課程的教學模式進行深入改革，促進人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求緊密結合，以適應時代和社會的發(fā)展。

“飛行器設計與工程”專業(yè)是北京理工大學最早建設的專業(yè)之一，其前身是1958年錢學森先生指導下創(chuàng)建的我國首批“火箭導彈”專業(yè)，歷史悠久，并于2019年經(jīng)教育部批準進入國家級一流本科專業(yè)建設點。飛行器結構力學作為連接力學基礎課程和飛行器系統(tǒng)分析與設計等專業(yè)課程的紐帶，以理論力學、材料力學、彈性力學等基礎力學課程知識為基礎，以真實飛行器工程結構為對象，將力學模型構建和理論分析方法應用到真實飛行器工程結構中。該課程由宇航學院“飛行器結構分析與設計”課程組承擔，依托航空航天北京市級實驗教學示范中心和武器系統(tǒng)國家級虛擬仿真實驗教學中心，是“飛行器設計與工程”專業(yè)重要的核心課程之一，2004年被評為北京理工大學校級精品課程。

以“新工科”建設的理念為指導，在建設“飛行器設計與工程”一流專業(yè)的需求與引領下，探索“飛行器設計與工程”專業(yè)傳統(tǒng)核心課程的改革模式已十分迫切。現(xiàn)代飛行器技術的飛速發(fā)展為飛行器結構力學的教學提出新的挑戰(zhàn)[4]，同時信息技術和虛擬仿真技術的發(fā)展為教學內(nèi)容提供了新的支撐，并為教學模式的改革提供了可能。因此，對飛行器結構力學核心課程進行深入改革，不僅可以提升課程自身的水平，而且還可以為核心課程體系改革與建設起到示范作用。

一、傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程教學存在的問題

1.授課內(nèi)容難以與緊跟航空航天科技飛速發(fā)展的步伐

飛行器結構力學課程的發(fā)展源于飛行器設計的工程問題，也勢必應用于工程、解決實際工程問題。人類對航空航天技術的探索需求日益增加，近年來，新型航空航天飛行器不斷涌現(xiàn)，智能材料、軟體結構等多種新型材料和結構也在飛行器設計中得到了大量的應用。現(xiàn)有課程教學經(jīng)過多年的積累與實踐，依托傳統(tǒng)經(jīng)典教材內(nèi)容，如何在將基本理論與方法闡述清楚的基礎上，緊跟飛行器技術的快速更新，與“新工科”工程教育目的相適應成為亟須解決的問題[5]。

飛行器結構力學課程教學內(nèi)容側重直接利用抽象模型，在計算模型的提取過程、適用前提及模型和真實結構的聯(lián)系方面有所欠缺，且求解方式以“手算”為主，而現(xiàn)有科研院所解決實際工程問題多以計算機仿真分析為主。因此，如何將課程內(nèi)容設置與當前工程結構設計狀況相結合迫在眉睫。

2.授課方式難以與信息技術和虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展相匹配

對于“飛行器設計與工程”專業(yè)的學生，飛行器結構力學主要研究典型飛行器結構的模型簡化及在外載荷作用下的應力、應變和位移，涉及大量的公式推導、結構分析與計算等內(nèi)容，理論性和邏輯性強。概念抽象。隨著信息技術的發(fā)展，虛擬仿真等技術如何服務教學，成為亟須研究的問題。

飛行器結構力學所涉及的典型飛行器結構演示實驗通常復雜且部分實驗現(xiàn)象不宜捕捉，難以讓每位同學都觀察到結構承載、傳力和破壞的過程。典型結構演示實驗如果能增加結構設計參數(shù)的迭代與優(yōu)化，可以有效增進學生對于基礎知識的掌握。但真實課程教學過程中，難以實現(xiàn)結構設計方案和模型的隨意更改。

3.授課模式難以與大類培養(yǎng)的“書院制”改革趨勢相一致

飛行器結構力學課程學習是利用彈性力學等理論知識求解典型飛行器結構在載荷作用下的靜力學和動力學問題，為飛行器結構分析與設計等專業(yè)課程提供理論基礎。現(xiàn)階段國內(nèi)多所高校實行“厚基礎、寬口徑”的“書院制”改革[6]，對為力圖達到均衡教育目標而設立的書院制而言，通識教育是達成書院全人發(fā)展目標的最佳選擇。大類培養(yǎng)中通識教育的實施。一方面培養(yǎng)了學生淵博的學識和廣博的見識，同時也不可避免地壓縮了專業(yè)基礎課和后續(xù)專業(yè)核心課程的學時。同時，在“書院制”改革新模式下，除“飛行器設計與工程”專業(yè)外，飛行器結構力學課程也作為“飛行器動力工程”“飛行器制造工程”等其他航空航天類專業(yè)和“武器系統(tǒng)與發(fā)射工程”“探測制導與控制技術”等武器類專業(yè)以及“工程力學”等相關專業(yè)的基礎課程，但不同專業(yè)學生對于飛行器結構力學課程學習的側重點也有所不同。

如何針對學生基礎知識的差異和對知識的需求不同，在有限學時內(nèi)，進一步提升人才的培養(yǎng)質(zhì)量至關重要。如“飛行器設計與工程”專業(yè)的學生，在本課程之前，已完成了彈性力學等先修課程，對于本課程中所用到的力學基本方程和能量法已基本掌握；“工程力學”專業(yè)的學生不僅已掌握了基本知識，對于板殼等通用工程結構的力學分析也有了初步認識，但缺乏對于飛行器這一實際具體工程對象的認識；而“武器發(fā)射工程”專業(yè)的學生并不具有彈性力學的基礎知識。

二、傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程教學改革方案

1.結合最新科研成果，構建綜合實踐項目庫，為結構力學教學內(nèi)容“添料”

北京理工大學“飛行器結構分析與設計”課程組任課教師多年來一直致力于飛行器結構分析與設計相關的科研工作，先后完成了固定翼飛機、撲旋翼無人機、巡飛彈和全電推衛(wèi)星等多種飛行器的結構設計，其中除了涉及桿系結構、蒙皮骨架結構和板殼結構等傳統(tǒng)結構之外，還涉及復合材料結構、軟體材料結構等新型結構形式。根據(jù)飛行器類別和典型結構形式對最新科研項目進行簡化處理，構建覆蓋結構力學課程所有基礎知識的綜合實踐項目庫，按照從單一知識點到多個復雜知識點，從傳統(tǒng)結構形式到新型擴展結構形式對實踐項目進行分類梳理。

在完成結構力學課程若干重要知識點講解后，將相關實踐項目告知學生供自由選擇。例如，在完成桿系結構和板桿結構的學習后，將某桁架衛(wèi)星或某飛機起落架結構的項目布置給學生，并提供結構的外部載荷和設計約束等條件，要求學生在此基礎上分析初始設計方案下的結構承載和傳力的特點，并為結構設計提供建議。

2.利用信息化技術，構建虛擬仿真實驗平臺，為課程教學模式“增味”

“線上+線下”的混合教學模式是指利用現(xiàn)有的信息化技術和軟件，通過網(wǎng)絡和課堂混合的方式對學生進行教學。通過以北京理工大學宇航學院火箭和導彈的傳統(tǒng)特色為基礎，將典型戰(zhàn)略戰(zhàn)術導彈、巡飛彈和火箭等飛行器的經(jīng)典型號的結構部件作為實物實驗教學的基礎，進一步構建包括固定翼飛機、衛(wèi)星、深空探測器等其他航空航天飛行器經(jīng)典型號的典型結構部件的設計、裝配、承載、分析等虛擬仿真實驗系統(tǒng)。利用虛擬現(xiàn)實（VR）技術，實現(xiàn)學生對不同航空航天結構部件的認知和力學分析的系統(tǒng)掌握和深入認知，以增加趣味性，提升學生學習的興趣。

“線上+線下”的混合教學模式使得抽象的基礎理論知識與形象的線上演示相對應，有效地拓展課程的教學空間，如可讓學生自由更改結構設計方案，并完成力學性能分析并評估不同方案的優(yōu)缺點，以激發(fā)學生學習興趣；利用線上網(wǎng)絡優(yōu)勢可增加教與學的互動性，提高線下課堂教學的效率，同時更好地滿足了學生的求知欲，豐富了結構力學的學習途徑；通過將有限元仿真軟件與結構分析與設計課程所學習知識相對比，驗證所學方法的正確性，同時也增進學生對有限元理論的初步認識，以適應航空航天技術的發(fā)展。

3.系統(tǒng)梳理課程知識點，構建知識點模塊，為課程教學內(nèi)容體系“加樣”

根據(jù)社會需求和應用技術型人才培養(yǎng)定位，為適應“新工科”發(fā)展的理念和航空航天類專業(yè)的培養(yǎng)模式，結構力學課程重構了課程內(nèi)容體系，在課程教學大綱中根據(jù)課程知識點設置了“基礎+通用+專用+提升”的結構力學課程內(nèi)容體系，包括彈性力學“基礎知識課程模塊”，桿系結構、板桿結構等“通用結構課程模塊”，蒙皮骨架結構等飛行器“專用結構課程模塊”，以及有限元理論和結構動力學知識的“課程提升模塊”。

針對“飛行器設計與工程”“武器發(fā)射工程”和“工程力學”等不同專業(yè)學生先修課程基礎和未來發(fā)展需求存在差異的問題，按照“精理論、強應用、存差異”的基本原則，對不同專業(yè)的學生進行課程模塊化的“量身定制”。例如，對于“飛行器設計與工程”專業(yè)，結構力學課程需要在“通用結構課程模塊”的基礎上，重點進行“專用結構課程模塊”的講解，同時兼顧“課程提升模塊”，為后續(xù)課程奠定基礎；對于“武器發(fā)射工程”專業(yè)的學生，由于不存在彈性力學等先修課程，且對于蒙皮骨架等飛行器專用結構分析與設計相關的知識并無需求，則課程重點進行“基礎知識課程模塊”和“通用結構課程模塊”的講授；對于“工程力學”專業(yè)的學生，已經(jīng)掌握比較扎實的力學基礎知識，同時對于桿系結構等工程通用結構的力學分析也較為熟悉。為了進一步將力學知識與飛行器工程實際相結合，課程重點進行飛行器“專用結構課程模塊”和“課程提升模塊”的講授。

三、傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程教學改革成效

北京理工大學“飛行器結構分析與設計”課程組任課教師，將多年來在科研一線所從事的科研項目進行分類轉化，分別構建固定翼飛機、柔性充氣浮空器、變形飛行器等航空飛行器和桁架式衛(wèi)星、深空探測器等航天飛行器，以及運載火箭和導彈相關的綜合實踐題庫。以最新工程項目需求為背景，將課程中所講授桿系結構、板桿結構、工程梁理論等理論知識與多種典型飛行器結構相結合，通過解決實際工程問題進一步加深對理論知識的認識和理解，提升學生學以致用的能力，同時增進學生對航空航天的熱愛，極大地促進學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。例如，學生依托某運載火箭貯箱的穩(wěn)定性分析的綜合實踐題目，深入探討加筋結構布局和加工工藝對于火箭這種典型薄壁結構穩(wěn)定性的影響規(guī)律，進一步通過優(yōu)化設計方法實現(xiàn)對火箭貯箱結構的優(yōu)化設計。研究成果發(fā)表EI檢索國際會議論文一篇，同時參加“青創(chuàng)北京”2022年“挑戰(zhàn)杯”首都大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽。

為進一步豐富課程內(nèi)容和教學形式，提出“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的課程教學模式。一方面，北京理工大學航空航天北京市實驗教學示范中心所陳列多種典型飛行器結構，為課程線下現(xiàn)場教學提供支撐；另一方面，虛擬仿真實驗“卷弧翼靜強度模擬”已上線實驗教學平臺，并經(jīng)過多年實踐，取得較好效果。學生通過虛擬現(xiàn)實技術，深刻感受到飛行器結構力學這一傳統(tǒng)課程所散發(fā)的魅力。

同時，面向飛行器設計與工程專業(yè)本科生，構建了“基礎課程-專業(yè)基礎-專業(yè)提升-實驗實踐”的“飛行器結構分析與設計”核心課程群，在飛行器結構力學課程教學大綱中，根據(jù)課程知識點設置了“基礎+通用+專用+提升”的結構力學課程內(nèi)容體系，包括彈性力學“基礎知識課程模塊”，桿系結構、板桿結構等“通用結構課程模塊”，蒙皮骨架結構等飛行器“專用結構課程模塊”，以及有限元理論和結構動力學知識的“課程提升模塊”。以適應學校“書院制”改革模式下的人才大類培養(yǎng)。

結語

本文分析了在“新工科”建設的背景和需求下，傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程面臨的主要問題和挑戰(zhàn)，明確了對授課內(nèi)容和授課模式進行深度改革對于新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要意義。通過與最新科研成果相結合，構建綜合實踐項目庫，為教學內(nèi)容“添料”；構建虛擬仿真實驗平臺，為課程教學模式“增味”；構建模塊化知識點，為教學內(nèi)容體系“加樣”。形成創(chuàng)新人才培養(yǎng)的良性循環(huán)，推動新工科建設的持續(xù)發(fā)展，使得結構力學這類傳統(tǒng)工科核心課程散發(fā)新時代的魅力。