新工科背景下實驗空氣動力學課程教學改革與探索

熊小慧，唐明贊，梁習鋒，孫博

（中南大學 交通運輸工程學院，長沙 410075）

研究生教育是國家創新體系的重要組成部分，在培養創新人才、提高創新能力、服務經濟社會發展、推進國家治理體系和治理能力現代化方面具有重要作用。高等院校研究生教育需面向國家重大需求、優化學科布局、瞄準世界科技前沿和關鍵領域，進一步加強基礎理論研究，培養具有研究和創新能力的高層次人才。而發展基礎理論與推動科研創新均離不開實驗研究的支撐，實驗研究對于一門學科基礎理論的發展與完善具有無可替代的作用。開設高質量實驗類課程對于高校研究生教育學科建設和高層次創新人才培養至關重要。

近年來，我國軌道交通發展迅速，實現了由“瓶頸制約”到“總體緩解”再到“基本適應”的階段性轉變，當前正處于交通強國建設的起步階段，加快建設交通強國和推進交通運輸現代化已成為新的戰略任務。隨著高速動車組從“引進吸收消化”發展為“自主研發創新”，并實現“中國標準”，我國軌道交通專業科研人員經歷了一段艱辛路程，當前針對高速列車相關的基礎科學和應用科學問題的研究，也相應取得了一定的成果。但對于未來新一代中國高速動車組的發展仍面臨許多重大技術挑戰，如一系列危及行車安全、降低旅客舒適度和影響列車周圍環境的列車空氣動力學問題。因此，仍需強化前沿關鍵科技研發和加強基礎理論研究，才能保證我國高速列車關鍵技術的創新性和前瞻性，才可能面對未來國際市場的激烈競爭，滿足未來國際市場對于高速列車的嚴格要求和巨大競爭壓力。

軌道交通專業是一個多學科交叉、行業相關性很強的領域，列車空氣動力學作為其中一門十分重要的基礎學科。正如空氣動力學是發展航空航天的關鍵基礎學科一樣，列車空氣動力學是發展輪軌和磁浮高速軌道交通的關鍵基礎學科。列車空氣動力學研究的內容不僅有類似航空航天飛行器的空氣動力特性（空氣阻力、升力、橫向力和表面分布壓力等），同時還有其特殊的空氣動力學特性（列車交會壓力波、列車—隧道耦合空氣動力、列車風影響下道旁人員與環境所受的空氣動力、大風環境下列車空氣動力和列車/橋梁/路堤耦合空氣動力等）。實驗空氣動力學作為空氣動力學體系中重要的研究方法和實踐環節，通過用物理實驗方法來研究空氣流動特性和空氣流經物體時的相互作用規律，觀察描述理論的物理現象并不斷發展和完善基礎理論。實驗空氣動力學作為一門重要的實踐科學，是我國軌道交通列車空氣動力學相關基礎理論研究的主要途徑和有力保障。

一、軌道交通專業實驗空氣動力學課程教學現狀與問題

（一）課程教學及相關研究現狀

軌道交通專業實驗空氣動力學課程是空氣動力學、車輛工程、測試技術及計算機應用于數據采集等多門學科相結合的交叉性學科，是從事列車空氣動力學研究方向的研究生重要課程之一。課程主要內容包括：各種空氣動力學試驗設備的空氣動力學原理、基本構成、模擬水平及相關的氣動計算；空氣動力學試驗數據處理的誤差理論；氣流參數測量原理及方法；風洞模型試驗及實驗數據修正；動模型試驗及實驗數據采集、分析及修正；流動顯示技術及原理等等。軌道交通專業實驗空氣動力學課程不僅可以培養學生運用實驗模擬方法，研究列車、路橋、隧道及附屬設施與空氣相互作用產生的力學及其他物理現象，探索其流動規律，定量給出實驗結果和進行分析的能力。同時為開展軌道車輛相關的空氣動力學設計，采用實驗模擬方法來研究列車相關空氣動力學問題奠定良好的基礎。

目前，針對空氣動力學相關課程的教學改革較多。空氣動力學是目前交通運輸專業學生的必修基礎課，以流體力學為鋪墊，在流體靜力學和流體動力學的基礎上，涉及飛機在低速飛行時的空氣動力特性和高速飛行時的空氣動力特性。周德讓針對高職院校空氣動力學課程理論與實踐進行了教學改革探索。溫瑞英則在對空氣動力學課程現狀和特點進行分析的基礎上，進一步結合民航專業建設特色，從師資隊伍建設、特色化擴充教學內容、接軌國際化教育和加強學生能力培養等方面對該課程進行了綜合改革。朱智斌等從學生和教師兩個層面對空氣動力學課程體系教學改革的外部因素進行歸納和研究，并有針對性地提出因地制宜的解決辦法，從根本上解決當前空氣動力學課程體系教學改革遇到的突出問題，促進高等院校學生創新創業能力的培養。王曉璐等對空氣動力學課程中引導型實驗項目的教學進行了改革，提高了學生們對新實驗項目的興趣，同時也提高了學習效率。劉沛清針對空氣動力學課程進行了教學改革實踐，通過各種實踐活動，引導學生積極主動思考，從自然現象和實驗結果中獲得靈感、凝練問題和探索知識等，提高了學生學習興趣、自我獲得新知識和創新實踐能力。王靖宇等通過課程實驗、開放創新實驗、虛擬仿真實驗和大學生創新項目等環節，著重鍛煉本科生的工程實踐動手能力，培養具有創新精神的高水平人才。國外對于空氣動力學課程教學改革同樣采用實踐式學習方式，學生通過應用適當的空氣動力學模型來進行車輛氣動性能設計，鍛煉學生實踐能力。這些方法在空氣動力學課程教學上均起到了良好的效果，但主要面向航空航天專業和汽車專業。而目前尚沒有針對雙一流、新工科背景下軌道交通專業實驗空氣動力學課程進行教學改革的實踐探索。對于軌道交通專業，實驗空氣動力學課程的相關教學內容與航空及汽車等專業相比存在諸多特殊之處。如何建設面向軌道交通專業的實驗空氣動力學課程內容，如何采取高效的教學方式與評估機制是當前亟需展開教學改革與探索的主要目標。

（二）課程教學中的關鍵問題

在面向軌道交通專業列車空氣動力學方向研究生課程實驗空氣動力學的教學中，關于教學內容與教學模式上還存在諸多問題急需解決，例如以下所提到的兩個關鍵問題。

1.新工科背景下專業基礎課程理論教學與工程研究的聯動協調機制問題

實驗空氣動力學課程不僅理論性與實踐操作性強，而且具有較強的工程應用背景。學生在課堂上接受的理論教學再多，如果沒有經過實驗室實際操作訓練與工程應用實踐，其理論知識也不能有效地轉化為科技創新能力。因此，在教學中需要同時兼顧知識的繼承性與先進性，教學內容既要涵蓋傳統的經典理論知識，又要涉及大量聯系工程實踐的新成果、新知識，如何在新工科背景下構建專業基礎課程理論與工程研究相銜接的教學內容、處理好經典與前沿的關系已成為該課程教學改革的首要關鍵問題。

2.傳統型知識傳授模式向多元互動型自主探索模式的教學轉變問題

課堂教育仍是新形式下高等院校研究生教學活動的主要模式，在傳統型“重教輕學”的課堂知識傳授過程中，學生作為知識接受者，其學習主動性與思維創新性受到極大的限制。而當課堂教學模式由知識傳授型向多元互動型自主探索模式轉變時，學生從知識的接受者轉變為知識的探究者，有利于激發學生的學習主動性和熱情，拓寬學生的學習視野，并能夠顯著提高學生的綜合素質。新工科背景下，如何建立面向國家交通強國戰略需求和學科前沿的國際化交通類人才培養范式，將課堂傳統型知識傳授模式轉向多樣化教學模式，是該課程教學改革開展研究的又一關鍵問題。

二、軌道交通專業實驗空氣動力學課程教學改革探索

（一）傳統與創新互補的教學內容

實驗空氣動力學課程主要通過物理實驗方法來研究空氣流動特性和空氣流經物體時的相互作用規律。隨著軌道車輛運行速度提高，列車與周圍空氣的相互作用規律越來越復雜，采用實驗的方法開展列車空氣動力學特性研究對于軌道車輛的發展具有重要意義。在實驗空氣動力學課程的傳統教學內容中，主要包括了流體力學中常用的相似理論、實驗數據的誤差分析與處理、風洞實驗測試的相關知識以及流場顯示與觀測技術等。因此，在保留原有經典教學內容的基礎上，還需要對實驗空氣動力學相關知識的深度及廣度等方面進行擴展和延伸，使授課內容緊跟列車空氣動力學的發展前沿。

教師在講解傳統實驗空氣動力學內容時，可以結合最新的列車空氣動力學研究，來拓展知識的廣度。例如在講解采用風洞實驗來測試列車模型的氣動阻力、列車風時，可以補充一些前沿科學問題研究。如列車氣動阻力主動控制技術：在風洞開展列車模型阻力測試時，通過在列車頭部噴射低密度氣體，改變列車頭部的附面層，能夠降低高速列車運行過程中所受到的氣動阻力，尤其是摩擦阻力，從而達到高速列車節能降耗問題；例如列車橫風下安全評估技術：在風洞開展列車風測試時，通過改變列車模型與風洞風速來流方向的夾角，即可模擬列車在橫風作用下運行所受空氣動力的影響，由此來評估列車的傾覆安全性等；例如列車風測試時的流場顯示技術：在風洞進行列車風測試時，采用PIV（粒子圖像測速法）技術對列車模型周圍流場的流動規律進行可視化研究等。

實驗空氣動力學課程中大部分實驗均在風洞中開展，傳統的風洞僅能實現模擬列車在正常凈空氣環境下的運行狀態，而不能實現模擬極端惡劣天氣下列車的氣動性能。因此，在課程的教學內容中可以增加環境風洞的相關內容。環境風洞可以模擬列車在風/沙/雨/雪等惡劣天氣下運行時的空氣動力學特性。除風洞實驗平臺以外，動模型實驗平臺也是實驗空氣動力學課程中教學的重要內容。傳統教學中動模型實驗臺主要研究列車風、交會壓力波及隧道壓力波等方面內容，在開展動模型實驗平臺教學時，教師可以適當增加前沿科學研究內容，如動模型實驗臺可以模擬列車在隧道內發生火災時煙霧顆粒傳播規律及隧道通風性能等；動模型實驗臺也可研究列車通過隧道時，隧道進出口處的微氣壓波緩解措施研究等。通過增加這些傳統教材上沒有的教學內容，使得學生深入了解列車空氣動力學領域的最新研究熱點，擴大學生的知識面。同時，教師通過結合具體科研項目，給出詳細的解決方案，加深學生對該處知識點的了解與掌握，提高學生分析問題、解決問題的能力。

（二）多元互動型自主探索的教學模式

傳統型“重教輕學”的課堂知識傳授過程中，學生作為知識接受者，其學習主動性與思維創新性受到極大的限制。開展傳統型知識傳授模式教學轉變為多元互動型“教與學”的實踐探索，實施激發學生學習主動性和科研創新性教學模式，是軌道交通專業實驗空氣動力學課程教學體系改革的重要內容。多元互動型自主探索的教學模式主要包括以下幾個內容。

（1）在課程內容教學中，學生自由組合形成不同學習小組，每個小組負責一個教學內容的資料搜集、撰寫和匯報，課堂匯報之前任課教師對每個小組匯報內容進行指導，在課堂匯報后，任課教師當場對每個小組的講授內容進行補充和點評。通過自主探索學習，學生提高了知識搜集歸納能力、總結分析能力及匯報表達能力等，該教學模式下的課堂知識學習，使得學生成為主動者，教師成為指導者，極大地提高了學習效率。

（2）實驗空氣動力學課程中涉及風洞、風洞實驗和動模型實驗教學時，任課教師可將講堂設在風洞實驗室和動模型實驗室。采取現場教學的方式，通過對實驗裝置、實驗流程、實驗內容等方面進行講解，以及開展實驗演示等環節。帶領學生身臨其境學習和探索，激發學生的學習興趣和創新靈感。

（3）課內外有機結合，開設專題講座，結合課程學習內容，邀請校內外具有豐富工程經驗的專家對其研究項目的工程背景、研究方法及相關成果等進行介紹，構建一種“寓教于樂，寓學于研”的教學氛圍，從封閉式課堂轉向開放式課堂。

（三）創新探索的實踐環節

通過對實驗空氣動力學課程內容的學習，學生們基本掌握了該課程的基本理論知識和實驗測試的相關技術，為了使學生們能夠更好地掌握課堂所學知識，并能達到靈活運用所學知識進行應用實踐，將在該課程教學內容最后期間，增設創新探索的實踐環節，該創新探索實踐環節也是結課考核中的重要指標之一。

創新探索的實踐環節是根據教學內容和教學模式所涉及的課程知識，依托中南大學軌道交通安全實驗室的環境風洞、動模型實驗平臺開展自主探索的研究性實驗。首先由學生自由分組，每個小組依托實驗平臺開展列車空氣動力學相關研究，自主探索研究方向需具有創新性，并運用課程所學內容自主設計實驗，各個小組完成實驗研究內容并撰寫實驗報告。該創新探索的實踐環節，可培養學生運用所學知識解決問題能力、實踐動手能力和團隊合作能力等。

三、提升綜合素質的考核評價體系

高校教育教學改革中，其課程考核評價體系也是重要一環，課程考核評價是權衡教育目標設置與達成、提高教學質量的重要因素。當前，我國基礎教育課程評價存在評價對象窄化、評價主體單一、評價方法單調和評價目標過于量化等問題。只有運用多樣化的評價方法，同時評價目標擺脫過于量化現狀，才能客觀科學地對我國基礎教育課程進行評價。

在對軌道交通專業列車空氣動力學方向研究生課程實驗空氣動力學進行考核評價時，可運用多樣化的評價方法。取消以往“一考定成績”的考核方式，采用課程小作業+開放式小作業+小組課程任務+章節測試+自主創新探索實踐報告+結課考試/結課論文的綜合評價方式進行課程考核，突出學生的個人學習能力、創新能力及團隊協作能力的培養，研究各個環節的權重關系，提高考核體系的科學化和合理化，建立符合軌道交通現代化教育課程的考核機制。

四、結束語

通過開展面向軌道交通專業列車空氣動力學方向研究生課程實驗空氣動力學的教學改革實踐探索。構建了一套具有鮮明軌道交通特色的實驗空氣動力學課程教學體系，并提出面向科研創新的課程實踐環節，著重培養研究生的工程實踐能力與科研創新精神，形成一套強化綜合素質評價的考核機制。積極引導和開拓研究生的創新思維、自主學習能力、動手實踐能力和團隊協作意識，為培養服務于國家交通強國戰略需求和軌道交通前沿研究領軍人才的后備力量提供有力支撐。