航空航天方向本科實驗教學改革探討

摘 "要 "教學實驗室是專業人才培養的重要支撐部分，從實驗室的規劃布局、課程的改革創新、科創平臺的設計搭建等方面探討以學生為中心、讓每一位學生更優秀的培養理念和目標，從功能區域管理到開放式運行，從實驗課程的設計到科創活動的實施，從校內資源的有機結合到校外資源的合作共贏，梳理出一條適合綜合性大學航空航天工程專業的人才培養路徑，為一流專業的建設發展提供更加優質的實驗教學資源。

關鍵詞 "航空航天工程專業；教學實驗室；科創工作室

中圖分類號：G642.423 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）14-0131-04

Discussion on Undergraduate Experimental Teaching Re-

form Based on Aerospace Direction//LYU Xinying， ZHANG

Xiaohui， YU Wensheng

Abstract "Teaching laboratory is an important supporting part

of major talent training. This paper discusses the training con-

cept and goal of taking students as the center and making each

student better from the aspects of laboratory planning and

layout， curriculum reform and innovation， the design and con-

struction of science， innovation platform， from functional area management to open operation， from the design of expe-

rimental courses to the implementation of science and inno-

vation activities， from the organic combination of on campus

resources to the win-win cooperation of off campus resources，

sort out a talent training path suitable for Aerospace Engi-neering Majors in comprehensive universities， so as to pro-vide more high-quality experimental teaching resources for the construction and development of first-class majors.

Key words "aerospace engineering majors; teaching labora-tory; science and innovation studio

0 "引言

航空航天工業是目前世界上最先進、最高端的一種技術工程類產業，幾乎世界上所有最新的技術發明都被優先應用于航空航天領域[1]。航空航天類專業是工科專業，又不同于傳統工科專業，涉及機械、力學、材料、電子信息、自動化控制等多學科多門類的綜合知識，因此，制訂培養方案時必須兼顧多個專業的基礎知識，這就需要在規劃建設實驗室時多方面考慮。同時，在一流專業建設需求下，教學實驗室是以實驗教學為主，承擔培養學生動手能力、綜合能力和創新能力的任務，是高校進行人才培養的重要平臺[2]，其作用尤為重要。基于創新能力培養的教學改革是深化我國高校教育改革的必然趨勢[3]，做好頂層規劃、分步實施、逐步提升，將實驗課程和科創競賽有機結合，集中人員和設備等資源，著重培養學生綜合實踐和科技創新能力。

1 "基于基礎知識和創新平臺的實驗室規劃

在已有實驗室管理的基礎上，設計并開放實驗室管理模塊[4]，實驗教學分為專業基礎實驗、專業綜合實驗、設計創新實驗等，按照不同種類將實驗空間按照功能進行劃分。在實驗教學過程中，良好的教學秩序是取得良好教學效果的基本保障。當有若干個小組同時在一個實驗室進行實驗時，保證各個小組順利完成自己的實驗操作的同時，不對其他小組形成干擾，就顯得尤為重要。由于采用區域功能化的思路，每個小組在進行不同內容的實驗時，實驗區域不會發生交叉。對于需要在同一功能區內操作的不同實驗小組，只要在時間上進行一定的調整，在使用時間上不發生重疊，就可以實現同時開展實驗活動，提高設備使用效率。

基礎實驗區主要用來完成專業課程配套實驗，將現有實驗室房間和設備按照類別與功能進行分類管理，按照人才培養方案和專業課程的設定，根據航空航天工程專業的授課內容特點，將實驗區域分為材料與結構實驗區、氣動與推進實驗區、飛行控制實驗區和數字仿真計算分析區等。同一區域完成同類別實驗，方便學生將知識點貫通應用。針對設備種類多、臺套數少的特點，為了最大限度地利用儀器設備的資源優勢和提高其利用率，減少不必要的經費浪費[5]，開設十組實驗，十組學生同步進行，無論是時間、空間還是實操性，都得到極大提升。

創新平臺為學生的日常科技創新活動、科研訓練計劃、創新創業訓練、比賽競賽等提供軟硬件支撐。參照飛行器從設計到制造試飛的完整工序，創新區域分為分析與設計區、機械加工區、部件整機組裝區、調試試飛區。該區域為全校學生24小時開放，同時設有圖書角，緊鄰學院咖啡吧，營造輕松愉悅的學術氛圍。

2 "基于國際化人才培養的雙語需求和重點

課程配套建設

歐美的高水平大學對實驗室建設都十分重視，特別是對實驗室環境、儀器等的規范管理和高效率利用，使之更好地為學校教學科研工作服務[6]。在人才培養方案的制定方面借鑒歐美先進教學理念，融合中西方文化元素，制定符合綜合性大學航空航天工程專業的培養體系，參照工程教育認證標準，根據航空航天工程專業的人才培養需求，將專業課程中的核心要素加以提煉，單獨設立實驗課，分別為專業基礎類實驗“航空航天實驗I”和綜合創新類實驗“航空航天實驗II”。其中“航空航天實驗I”在第五學期開設，針對學生的知識水平和課程的內容需求，開發線上線下相結合的中英文雙語實驗教學內容。通過飛機結構認知、總裝、飛行性能計算、飛行控制等一條主線，針對大型民用客機完成從拆裝到設計、從總裝到飛行的閉環訓練。

疫情的發生對高校信息化教學建設和水平是一場考驗[7]，考慮后疫情時代的學生分布特點，實驗教學過程采用虛實結合方式，分為課上講解和課下實踐相搭配，學生通過Web端即可完成飛行體驗，真實的飛機教具拆裝和虛擬的飛機設計組裝控制相結合，進一步加深對大型民用客機的基礎認知和整體設計流程的理解，充分認識飛機結構參數、翼型選取、發動機選取等對其飛行性能產生的不同影響，初步掌握飛機總體設計及飛行控制系統的基本設計過程和方法。具體實施過程和計劃達到的實施效果如表1所示。

該虛擬仿真實驗提供開放的交互式實驗平臺，中英文雙語版，學生借助Web端即可隨時訪問。通過對飛機參數的設定、飛行控制過程的操作，可以很大程度發揮學生的自主能動性，讓學生通過互動實操、優化設計、控制算法演練等，結合人機交互虛擬仿真系統，真實感受飛行器的飛行狀態，在實踐中了解掌握飛機的飛行原理和設計原則。借助VR技術，可使知識點更加生動和直觀地展現，有利于激發學生的學習熱情與主動性，有效記憶與理解重難點，提高教學效率與質量。將航空器結構組成、推進原理、起降過程、飛行控制等全過程通過虛擬仿真實驗平臺對廣大學生開放，鼓勵學生創新，并為高年級學生開放端口設計。該課程獲得市級重點課程建設立項，同時開發配套線下設備，搭建飛行控制實驗教學平臺，形成線上線下相結合的授課模式。

3 "基于項目式設計創新實驗的建設

參照國內外高校高水平教學實驗室的建設與管理經驗[8-10]，將實驗課程與科創活動結合起來，既完成課程內容的學習，又培養學生的創新能力。“航空航天實驗II”在第六學期開設，此階段的學生對專業知識已經有了初步了解，專業課程的學習在同步進行。本門實驗課程32學時，其中16學時針對專業課程，如自動控制原理和飛行器結構力學等核心知識點，開展相關實驗內容，能夠做到與專業課上的知識點進行理論和實驗的對比驗證，培養運用理論知識分析實驗現象的能力；另外16學時采用項目式教學法，分組完成課程目標的設計、實施，鍛煉工程應用和科技創新能力。實驗內容涉及推進原理、飛行器結構力學、自動控制原理、飛行器設計等專業課程，實驗課堂上將上述專業課程的理論、公式、實驗現象和程序實現具體化、可視化，使課程內容成為研究生和航空航天從業技術人員的基礎訓練內容。具體實驗內容如圖1所示。

信息化建設是解決問題的有力途徑[11-13]。通過學校的公共平臺Canvas系統完善實驗內容體系，包括課程講義和預習視頻等材料，同時對實驗設備進行信息化建設，每套設備有專屬二維碼，學生可以通過掃描二維碼熟悉設備的工作原理、操作步驟、注意事項等內容，便于開展相關實驗。

采用項目式開展實驗課程的優勢在于注重跟蹤相關新技術的發展，并將其反映在創新實驗內容中，讓學生可以及時了解領域前沿和技術方面的更新換代，旨在鍛煉學生將專業課程融會貫通，綜合解決專業問題的實踐動手能力。

4 "科創工作室的建設

德國教育宣言中提到：教育的目的，不是培養人們適應傳統的世界，不是著眼于實用性的知識和技能，而要去喚醒學生的力量，培養他們自我學習的主動性、抽象的歸納能力和理解力，以便使他們在目前無法預料的種種未來局勢中，自我作出有意義的選擇[14]。黨的十九大報告指出：深化科技體制改革，建立以企業為主體、市場為導向、產學研深度融合的技術創新體系。與行業聯合共建科創工作室，緊密貼合行業發展需求，及時了解行業發展動態，儲備最新技能。新時代背景下對于人才的要求體現在綜合素質方面，適應社會發展的實用型人才，既需要有非常扎實的理論功底，更需要有熟練的實踐操作能力，特別是實踐創新能力[15]。因此，在培養過程中堅持以“加強專業基礎、開拓創新思維、培養實踐能力、提高綜合素質”為指導思想，以培養與提高學生的科學實驗素質和創新能力為目標，積極探索創新人才培養途徑。與學生創新中心聯合成立分中心，促進校內資源的有效整合和實時共享，分中心為工程實踐課程派送班主任，實施小班制管理，對學生的實踐環節做到全程跟蹤和指導，將課程孵化的作品繼續培育，鼓勵學生參加科創項目，做到從入門到興趣培養的無縫對接。

產教融合育人在高等工程教育人才培養過程中發揮著重要作用[16]。在充分利用校內資源的同時，積極探索與校外相關企業合作共贏，聯合共建科創工作室，為參與科創活動的學生分配企業導師，及時了解行業的發展趨勢，從行業需求的角度開展科創課題，定期舉辦科創活動優秀項目成果展和分享沙龍；組織和舉辦相關比賽競賽，促進相關專業的交流互通，培養學生實踐創新能力和團隊協作精神，也為后續的研究生階段學習做了很好的銜接。

5 "結束語

從實驗室的頂層設計到精細化管理，從實驗平臺的搭建到吸引學生，從實驗課程的有序開展到科創活動的實踐能力培養，實驗室摸索出一條適合綜合性大學航空航天工程專業的人才培養路徑，無論是實驗室的規劃建設還是課程體系的凝練提升，都有章可循。接下來會加強信息化建設和管理，形成科創活動常態化，以此增強學生的內驅力，夯實專業理論知識，培養創新思維和開拓國際視野，為一流人才的培養貢獻力量。

參考文獻

[1] 趙良玉，唐勝景，王偉，等.航空航天類專業本科教

學實驗室建設與思考[J].實驗科學與技術，2014，

12（6）：187-190.

[2] 劉善增.基于雙一流建設的機械工程專業機械原理課

程教學新思考[J].中國教育技術裝備，2019（24）：113-

114，117.

[3] 畢美華，周雪芳，李齊良，等.創新能力培養引導的

光纖通信課程教學改革探討[J].實驗室研究與探索，

2020，39（7）：164-168.

[4] 王海，韋才壽.基于高校實驗室管理的開放實驗室系

統的設計與規劃[J].中國高新科技，2021（9）：159-

160.

[5] 安鋼力.高校實驗室管理的探索與實踐[J].中國現

代教育裝備，2018（17）：12-14.

[6] 羅霞，羅闊，李震，等.新工科背景下專業創新實踐

大平臺研究與探索[J].中國教育技術裝備，2020

（19）：126-130.

[7] 鄔大光，李文.我國高校大規模線上教學的階段性特

征：基于對學生、教師、教務人員問卷調查的實證研

究[J].華東師范大學學報（教育科學版），2020，38（7）：

1-30.

[8] 張玉平，徐洲，林忠欽.新時期一流大學實驗室

建設與管理探索[J].實驗室研究與索，2011，30（3）：

64-67.

[9] 李雨晨，陳凱華，于凱本.國際一流國家實驗室的管

理運行機制啟示：以美國勞倫斯伯克利國家實驗室

為例[J].全球科技經濟瞭望，2018，33（10）：47-54.

[10] 王芳，田宏偉，段天林，等.美國一流大學實驗室

及大型科學儀器設備管理的特色及啟示[J].實驗室

研究與探索，2018，37（10）：258-261.

[11] 張麗蓮.基于信息化手段的實驗室管理模式探索[J].

實驗室研究與探索，2010，29（7）：152-154.

[12] 陳海泉，林自葵.基于信息化的高校實驗室管理創

新研究[J].實驗技術與管理，2016，33（11）：250-253.

[13] 鞏固成果 開拓創新 以教育信息化全面推動教育現

代化：劉延東副總理在第二次全國教育信息化工作

電視電話會議上的講話[J].中國教育信息化，

2016（3）：1-4.

[14] 劉成科.青年科技人才的使命感研究[D].合肥：中

國科學技術大學，2019.

[15] 楊之武.高校實驗室創新性建設與管理探思[J].山

東農業工程學院學報，2019，36（6）：59-61.

[16] 趙聰慧.新工科背景下產教融合育人模式研究[D].

陜西：西安電子科技大學，2019.