從“新”到“心”的課程內科研育人教學方法研究
——以飛機結構設計專業課為例

張永杰，萬小朋，王海濤，張曉化

（西北工業大學 民航學院，西安 710072）

為全面落實教育部《高校思想政治工作質量提升工程實施綱要》，深入推進“三全育人”和“十育人”體系建設，全國高等學校結合各自辦學特色和學科特點先后出臺了一系列“三全育人”和“十育人”綜合改革實施計劃[1-2]。作為“十育人”的重要組成部分，科研育人[3-5]的地位和作用尤為突出。如何打通“科研+教學”立德樹人通道[6]、踐行“科研的核心是育人”教育理念[7-8]、提高科研育人教學質量[9-10]及獲得可復制的科研育人教育教學模式[11-12]，一直以來都是高等教育管理者和高等學校教育工作者亟待解決的核心問題。

作為科研育人的重要陣地，高等學校本科專業課程教學以其課程育人、思政育人和科研育人等多重作用和立德樹人重要載體[13-16]，發揮著越來越重要的作用。飛機結構設計專業課由飛行器結構設計、結構維修與適航、飛機結構疲勞強度與斷裂分析及飛機液壓元件與系統、航空結構仿真分析及民航概論等必修和選修課程組成，是培養飛行器設計與工程等航空專業本科人才的重要教學環節，決定著航空類本科生的專業培養質量和人才競爭力水平。因此，擁有航空本科專業的高等學校都非常重視高水平專業課程的建設和全方位科研育人體系的構建。本文就是在此大背景下，以西北工業大學飛機結構設計專業課為例，系統展示了專業課內科研育人典型案例，總結并提出了一種從“新”到“心”三位一體的課程內科研育人教學方法，收到了非常好的教學成效。

一、科研育人典型案例

基于近年來飛行器設計和航空技術發展的最新動態，西北工業大學飛機結構設計專業課教研組精心設計和編排了一些科研育人案例在課堂內分享給學生，取得了非常好的教學效果。現將其中的典型案例簡要歸納如下。

（一）綠色出行的電動飛機

中國航空研究院發表的《電動飛機發展白皮書》[17]中指出：電動飛機以電能作為推進系統的全部或部分能源，是航空業貫徹綠色航空、應對全球環境挑戰的重要舉措，是“第三航空”時代的重要標志，將對世界航空業產生革命性的影響。通過給學生系統講述電動飛機的由來、美國等國近期發展的電動飛機項目及我國的電動飛機發展現狀，讓學生們充分了解電動飛機和電動航空的未來發展趨勢，提高其學習專業知識的興趣和動力。電動飛機發展路線如圖1 所示。

圖1 電動飛機發展路線

（二）源頭“零排放”的氫動力航空

歐盟發布的《氫燃料航空規劃》[18]（Hydrogen-powered Aviation）中指出：氫燃料適合支線、區域、短程和中程運輸飛機；采用氫燃料的噴氣客機較現有的航煤燃料飛機可以減排50%～75%，采用氫燃料電池的電動飛機可以減排75%～90%。通過給學生講述未來航空碳排放和碳中和發展趨勢、美國等國為了達到2035 年和2050年碳排放目標而提出的氫動力航空規劃及我國在氫能產業和氫能航空領域所作的貢獻，讓學生充分了解氫動力飛機和氫動力航空的最新發展動態，拓展其專業知識背景和學科發展方向。氫動力飛機和儲氫結構如圖2 所示。

圖2 氫動力飛機和儲氫結構

（三）高效飛行的下一代大型民用飛機

作為美歐等航空強國推崇的最具潛力的下一代亞音速和超音速民用飛機機型，具有高升阻特性、油耗優勢的翼身融合布局高亞音速飛機項目和具有二倍音速巡航的超音速飛機項目均已獲得了階段性進展，引領著世界下一代大型民用飛機的發展方向。通過給學生系統講述下一代大型民用飛機的研發背景、波音和空客兩大航空巨頭的預研機型特點及我國大飛機工程的最新進展，讓學生充分了解下一代大型民用飛機的技術創新點和國內外差距，開闊其專業視野的同時培養其航空報國精神。下一代亞音速和超音速民用飛機如圖3 所示。

圖3 下一代亞音速和超音速民用飛機

（四）城市立體交通中的空中出租車

在電推進、高能電池等新型技術的不斷推動下，變革性空運方式可能成為解決城市交通擁堵問題的有效手段之一，具備短距或垂直起降、便捷操控、高效率及低排放等綜合性能的空中出租車無疑將成為其中亮眼的主角。通過給學生系統講述城市立體交通發展背景、垂直起降飛行器（VTOL）發展動態及我國城市立體交通構建進程，讓學生充分了解空中出租車的主要類型和垂直起降飛行器的技術特點，擴大其專業認知范圍和學科發展空間。空中出租車如圖4 所示。

圖4 空中出租車

（五）民用飛機結構技術進展

輕質、高效率、易加工、多功能及智能化等一直以來都是民用飛機結構追求的目標，近年來先后出現的先進復合材料結構、高強度輕質合金結構、一體化結構、多功能結構、智能結構、仿生結構及激光增材制造結構等正在一次又一次地刷新人們對于飛機結構的認知和定義。通過給學生系統講述民用飛機結構的最新技術進展、典型應用場景及我國在該領域的技術發展現狀，讓學生充分認識飛機結構技術的熱點/難點和未來發展趨勢，培養其飛機結構設計創新思維和前瞻性意識。變體飛機結構和激光增材制造結構如圖5 所示。

圖5 變體飛機結構和激光增材制造結構

（六）航空結構沖擊動力學技術進展

航空結構沖擊動力學主要關注軍民機服役或運營過程中可能遭遇的典型沖擊問題，主要包括飛機正常著陸/非正常著陸、飛鳥與冰雹等離散源撞擊、發動機包容性及戰斗損傷或客艙內的最小風險炸彈位置等[19-20]。通過給學生系統講述航空結構沖擊動力學技術（圖6）的最新研究進展、數值計算和試驗方法及我國在該領域的技術發展現狀，讓學生充分認識航空結構沖擊動力學的專業發展方向和近期研究熱點，提升其航空結構的認知水平和專業素養。

圖6 航空結構沖擊動力學技術

（七）翼身融合布局民用飛機結構設計技術

翼身融合布局民用飛機具有大升阻比、低阻力和低噪聲等優點[21-23]，是未來最具發展潛力的高亞音速客機之一，而其非圓截面機身結構承載效率低和穩定性差等問題已成為急需解決的主要結構設計難題[21-23]。為此本教研組跟蹤該學科方向十余年，潛心研究，獲得了階段性研究成果。通過給學生系統講述翼身融合布局民用飛機結構（圖7）特點、國內外的研究現狀及本教研組關于新型縫合復合材料結構承載特性的研究歷程和方法，讓學生充分認識先進飛機結構的研發過程和設計思想演變，鼓勵學生深度參與此類科研訓練（部分成果課內講評和交流），樹立其刻苦鉆研的精神和追求卓越的價值理念。

圖7 翼身融合布局民用飛機結構

（八）機翼前緣電脈沖除冰結構設計技術

電脈沖除冰系統具有能耗低、效率高及結構簡單等眾多優點，已成為未來飛機防/除冰技術的主要發展方向之一[24-25]。本教研組針對機翼前緣電脈沖除冰結構（圖8）開展了近十年的系統研究，取得了一些具有工程應用價值的研究成果。通過給學生系統講述電脈沖除冰系統的電動—機械除冰原理、國內外的研究現狀及本教研組關于翼面結構動響應和沖擊疲勞的研究方法和思路，讓學生充分認識多學科交叉融合背景下飛機結構安全性設計思想的演化，鼓勵學生深度參與此類科研訓練（部分成果課內講評和交流），激發其自主學習交叉學科知識的動力和積極性。

圖8 機翼前緣電脈沖除冰結構

二、科研育人教學方法總結

在近二十年的專業課程教學中，飛機結構設計專業課教研組始終堅持挖掘、搜集和梳理航空領域的新事件、新理念和新方法，歸納總結出航空技術發展的新動向、新趨勢；同時注重學生科研精神培養，始終堅持將最新的研究成果分享給學生，并積極鼓勵學生參與進來。經過多年的教學經驗積累和凝練，形成了系列化的教學案例，提出了從“新”到“心”三位一體的課程內科研育人教學方法（構建方案如圖9 所示）。

圖9 三位一體教學方法構建方案

從“新”到“心”的課程內科研育人教學方法簡要總結如下。

（一）旁征博引，登高望遠，從“新知”到“心動”的拓展

航空專業課教師應具有寬廣的專業知識背景和洞察未來航空技術發展趨勢的敏銳眼光，密切跟蹤未來航空技術的發展動向，多方位、多渠道地搜集和整理教學素材，形成系統化的教學案例（如上節所述的電動飛機、氫動力航空、下一代大型民用飛機及空中出租車等典型案例），為學生架起登高望遠的階梯，使其“心動”于捕獲“新知”。

（二）博采眾長，勇于創新，從“新技”到“心得”的領悟

航空專業課教師應時刻關注本學科和相關學科的最新研究成果及其應用前景，廣泛搜集和整理航空領域新技術的研發動態，形成系統化的教學案例（如上節中的民用飛機結構技術、航空結構沖擊動力學技術等典型案例），為學生觸及航空新技術和領悟技術創新所帶來的巨大潛能鋪就多條途徑，使其“心得”于斬獲“新技”。

（三）迎難而上，授之以漁，從“新法”到“心裁”的開啟

航空專業課教師應善于將自身的研究成果和所關注的前沿科學技術問題顯性化地展示給學生，除了形成系統化的教學案例（如上節中的翼身融合布局民用飛機結構設計技術、機翼前緣電脈沖除冰結構設計技術等典型案例），還應積極鼓勵學生參與到這場科學技術盛宴中，從展示科研成果“大餐”的“授之以魚”到傳授烹飪“大法”的“授之以漁”，全方位為學生提供“科研訓練場”和“奇思大舞臺”，使其“心裁”于練就“新法”。

三、教學成效分析

作為從“新”到“心”課程內科研育人教學方法的實踐者，本教研組始終以學生融會貫通和心領神會為目標，堅持價值塑造、能力培養和知識傳授有機統一，不僅是新知識、新技術和新方法等創新內容的“搬運工”，更是學生心態、心意和心靈上的“知心人”。

（一）“天高任鳥飛”，為飛鳥提供高天

通過電動飛機、氫動力航空、下一代大型民用飛機及空中出租車等典型案例講授，使學生“遠望”了世界航空技術領域的未來發展趨勢，深刻體會到了“天高任鳥飛”的獲得感和滿足感，更重要的是讓學生明晰了“登高”的方向和“天高”的廣博。

（二）“上下而求索”，為求索者提供階梯

通過民用飛機結構技術進展、航空結構沖擊動力學技術進展等典型案例講授，使學生“博采”了航空技術領域的最新研究成果，深刻體會到了“上下而求索”的堅毅和卓絕，更重要的是為學生勇攀科學技術高峰奠定了厚積的“肩膀”和“求索”的臺階。

（三）“實踐出真知”，為實踐者提供舞臺

通過翼身融合布局民用飛機結構設計技術、機翼前緣電脈沖除冰結構設計技術等典型案例講授，使學生“練就”了發現科學問題、找準研究思路、大膽實踐求證及精益求精等基本的科學研究方法和素養，深刻體會到了“實踐出真知”的實質和內涵及“工程問題—科學求解—工程應用”良性科研循環的“永動機理”，更重要的是為學生的真知灼見搭建了“思維秀場”和“實踐廚房”。

四、結束語

本文以飛機結構設計專業課為例，通過系統介紹電動飛機、氫動力航空、下一代大型民用飛機、空中出租車、民用飛機結構技術、航空結構沖擊動力學技術、翼身融合布局民用飛機結構設計技術及機翼前緣電脈沖除冰結構設計技術等科研育人典型案例，構建了以“旁征博引，登高望遠”“博采眾長，勇于創新”“迎難而上，授之以漁”為核心的從“新”到“心”三位一體的課程內科研育人教學方法，并進行了教學成效分析，期望能夠為航空專業科研育人和高等學校課程教育教學改革提供可借鑒的方法和有價值的參考。