以需求為導向的《空氣動力學基礎》教學改革研究

徐兆可,張海軍,張翰偉,傅文廣

(中國民航大學 安全科學與工程學院,天津 300300)

0 引言

作為航空航天技術重要的基礎性課程,國內外航空航天類院校或專業都將空氣動力學設置為核心類課程[1-4]。空氣動力學是麻省理工學院航空宇航工程專業的主干課程,并在課程實施過程中安排了實踐教學環節,以滿足現代科學發展對人才的需求[1]。空軍航空大學的華欣等[2,5]“以學生為中心”重視學生特點與知識需求,深入探討“理實一體”的空氣動力學教學模式,并基于社會科技發展的需要,通過對教學過程的優化教學設計、整合教學內容,開展空氣動力學課程的過程性評價研究。北京航空航天大學周越等[6]基于高校人才培養需求,在空氣動力學專業科研課堂將最新科研成果轉化為實驗教學課程,嘗試建立“認知實踐創新”的實驗教學新模式。空軍工程大學王穎等[7]通過利用CFD(Computational Fluid Dynamics, 計算流體力學)手段,結合數值實驗、計算機模擬和分析研究,針對空氣動力學部分開展教學模式改革的探索與研究,提升教學效果。東莞理工學院陶實等[8]以學生為中心,以問題為導向,旨在提高學生的創新能力,構筑空氣動力學教學中理論和實踐兩個相輔相成的環節。

空氣動力學是中國民航大學安全科學與工程學院航空器適航審定工程專業和學科研究生的專業選修課。扎實的空氣動力學知識對深入理解民用飛機適航條款十分重要。25部運輸類飛機適航標準[9]中飛行、結構和動力裝置條款對空氣動力學的知識背景要求很高。同時,25部B分部飛行條款符合性驗證方法MC2(分析/計算)和MC4(實驗室試驗)需要學生掌握空氣動力學中的數值模擬和風洞試驗的相關知識,提升相關能力。目前安全科學與工程學院空氣動力學課程主要內容為理論教學,包括空氣動力學基本概念與規律、控制方程推導和求解方法以及數值計算仿真方法,缺乏實驗演示和實踐內容,也缺乏空氣動力學知識與適航的關聯與融合。同時考慮到安全科學與工程學院航空器適航審定工程專業學生的研究方向包括飛機結構適航審定、航空發動機適航審定和機載系統與設備適航審定,學生的專業背景包括力學和電學,其力學基礎參差不齊。如何將空氣動力學知識與適航相關聯相融合,如何合理安排課程內容和設計教學方法,使力學基礎差的學生跟得上學得會,使力學基礎好的學生學得好學得新,是空氣動力學基礎課程需要解決的關鍵問題。

本文針對中國民航大學行業院校特色以及航空器適航審定工程專業特色,以需求為導向,基于雨課堂教學工具開展線上線下混合式教學模式探索,并研究與分析在課堂教學中引入CFD數值實驗線上演示線下實踐的可行性,對空氣動力學基礎進行課程教學改革研究,理論聯系實際,從而提升學生的適航審定與驗證工程技術能力。

1 需求解析

1.1 專業建設需求

航空器適航審定工程專業面向飛機、發動機的設計、制造、使用和維修,培養具有扎實的理論基礎、系統的專業知識,掌握飛機、發動機適航專業基礎知識,能獨立解決適航審定與驗證方面的工程技術問題,能勝任科研院所、高等院校、公司企業和其他單位的科研、開發、教學和技術管理工作的適航復合型高級人才。通過空氣動力學課程的學習,使學生掌握空氣及氣體流動的基本規律,正確理解飛機飛行中空氣的流動規律及作用,正確理解發動機工作中氣體流動的規律及作用,為進一步學習飛機的飛行原理和發動機原理打下堅實的理論基礎,從而滿足航空器適航審定工程專業建設需求。

1.2 條款需求

在民用飛機適航審定中,25部B分部飛行條款中性能(條款25.101～25.125)、操縱性和機動性(條款25.143～25.149)、配平(條款25.161)、穩定性(條款25.171～25.181)、失速(條款25.201～25.207)、地面和水面操縱特性(條款25.231～25.239)以及其他飛行要求(條款25.251～25.255)與空氣動力學息息相關,需要深刻理解空氣動力學中的基本概念和規律,扎實掌握空氣動力學中的氣動力和力矩、粘性和邊界層流動(失速的基礎知識)、翼型和機翼的氣動特性等相關知識;25部C分部結構條款中飛行機動和突風情況(條款25.331～25.351)、地面載荷(條款25.479～25.493)需要了解空氣動力學知識,因飛機結構的載荷是由空氣動力引起的;25部E分部動力裝置條款中進氣系統(條款25.109 1～25.109 3)同樣需要掌握空氣動力學的內流知識。同時,上述條款尤其是B分部中條款符合性驗證方法包含的MC2(分析/計算)和MC4(實驗室試驗),需要學生具備和提高空氣動力學中的數值模擬和風洞試驗的工程應用能力。

由此可見,要對上述條款有深刻的理解,在其要求下進行民用飛機的設計和適航審定工作,需具備堅實的空氣動力學知識基礎。

1.3 行業需求

以行業需求為導向,開展空氣動力學課程的行業需求調研。使用“問卷星”微信小程序對學過本課程且已就業的學生進行問卷調查,以分析畢業生工作崗位(單選)和崗位需求(多選),共返回32份有效調查問卷。圖1所示為本課程畢業生就業崗位問卷調查結果,可見學生入職對口的設計和適航部門占比達59.38%。圖2所示為畢業生所在崗位對本課程知識的需求問卷調查結果,可知對空氣動力學基本概念的需求占87.50%,對空氣動力學計算和實驗也有需求。

圖1 畢業生就業崗位問卷調查結果

圖2 就業崗位對空氣動力學知識需求問卷調查結果

1.4 學生需求

以學生為中心,開展空氣動力學課程的學生需求調研[10]。使用“問卷星”微信小程序對學過本課程的學生進行問卷調查,以分析學生的職業規劃(單選)和感興趣課程內容(多選),共返回46份有效調查結果。圖3所示為學生職業規劃比例問卷調查結果,可知有63.04%的學生希望從事民用飛機適航行業,有21.74%的學生希望從事飛機設計行業,有4.35%的學生希望從事機務維修行業。圖4所示為學生感興趣的本課程當前內容的問卷調查結果,可知大部分學生對與空氣動力學相關的飛機的飛行性能和數值仿真軟件的應用更加感興趣。

圖3 學生職業規劃問卷調查結果

圖4 學生感興趣的課程內容問卷調查結果

由前述內容可見,學生對空氣動力學知識的學習有較大的需求,且更期望學習適航相關的空氣動力學知識,更關注仿真軟件的學習應用。

以學生及行業需求為中心,結合專業建設需求和條款需求,重點關注學生需求,可以發現,空氣動力學與適航融合,是四種需求的集中體現,融合的程度取決于空氣動力學基礎知識的掌握程度。因此,本文從空氣動力學與適航的融合入手,強調基礎知識的掌握,從課程內容、教學模式和考核評價三方面進行空氣動力學課程教學改革。

2 課程內容

空氣動力學課程主要包括三方面內容:(1)氣體動力學基本知識與規律;(2)飛機的空氣動力;(3)計算流體力學基礎。氣體動力學基本知識與規律使學生掌握氣體流動的基本規律,理解發動機工作中氣體流動的規律及作用;飛機的空氣動力使學生掌握空氣流動的基本規律,理解飛機飛行中空氣的流動規律及作用;計算流體力學基礎使學生理解空氣動力學基本方程的數值求解方法,并能夠使用數值模擬方法對空氣動力學問題進行分析計算。

對學生希望增加的課程內容(多選)進行問卷調查,調查結果如圖5所示。由圖5可見大部分學生都希望增加空氣動力學與適航關系,數值仿真方法的講解,仿真軟件的訓練和風洞實驗四部分內容。其中,非常有意義的建議為:希望數值仿真和審定基礎相聯系,模擬符合性驗證工作中的問題。空氣動力學知識與適航的深度結合,既是本文重點,也是專業建設、條款和學生所需。

圖5 學生希望增加的內容問卷調查結果

擬在原課程基礎上,適當減少理論知識的講解,強調基本概念,合理增加驗證工作中潛在問題的數值仿真訓練,新增符合性實驗演示與實踐、空氣動力學與適航模塊。如在講解拉瓦爾噴管流動趨勢和四種流動類型的知識點時,引入拉瓦爾噴管的CFD數值模擬,通過后處理將流動趨勢和四種流動類型以圖片的形式直觀展示出來,同時可使學生更深刻地理解抽象的激波概念。針對失速,可用CFD模擬不同迎角下翼型的繞流現象,可直觀對比流動分離與迎角的關系,同時提醒學生大迎角下CFD的誤差太大的弊端,注意符合性驗證的方法選取。增加伯努利方程的驗證實驗,包含兩個子實驗:文丘里管測壓和低速翼型繞流壓力分布。使學生在驗證伯努利方程的同時對升阻力的原理有更深刻的認識;持續增大翼型迎角,與CFD仿真失速現象進行對比,探究翼型的失速特性。空氣動力學與適航模塊需要將適航知識融合于空氣動力學知識中,在理論知識的學習中適時地加入適航知識,因此需要教師同時對空氣動力學和適航條款都有深刻而透徹的理解。

3 教學模式的設計

以需求為導向,通過對需求的解析,將專業建設需求、條款需求和學生需求分解為課程教學中的問題。以教師為主導,以學生為主體[11],以問題為中心,基于雨課堂教學工具實現線上線下混合式教學,以激發學生學習的主動性和積極性,提高教學效果,使學生獲取基礎知識的同時提升適航審定與驗證工程技術能力,從而滿足專業建設、條款和學生需求。

3.1 問題教學法

問題教學法,也叫以問題為導向的教學模式[12]。空氣動力學知識與適航融會貫通是專業建設、條款和學生對本課程需求的集中體現,將空氣動力學知識與對應適航知識相結合,形成課堂教學活動的問題。教師在整個教學過程中是主導者,負責提出問題和引導學生思考;學生是教學活動的主體,自主分析問題解決問題,可采用理論分析方法、數值模擬方法或風洞試驗方法;問題是教學活動的中心,結合需求將課程內容分解為不同的問題,因此問題將貫穿于整個教學活動中。在教學過程中,通過雨課堂教學工具發布問題及問題所需空氣動力學知識。比如失速特性是25部B分部25.203條款,在適航審定中屬于中國民用航空局的重點關注要素,同時也與空氣動力學中氣動力和力矩、粘性和邊界層流動等知識點息息相關。在學習氣動力和氣動力矩、粘性和邊界層流動等知識點前,先提出“翼型失速特性”的問題,由學生自行分組(每組3～5人,組員保持穩定,形成良好的團隊合作),查閱資料,分析問題,解決問題,最終翼型失速相關知識點學習完畢時,提交翼型失速特性分析報告,再由教師進行評價和總結。

大作業作為貫穿本課程全過程的“最大問題”,需要教師精心設計,由學生分組協作自行分解問題,分析問題,解決問題,鍛煉學生的理論分析能力、工程應用能力和溝通交流能力。在課程初期將大作業及詳細要求發布到雨課堂習題集功能區,學生可隨時查看,以問題為中心,學習課程知識。將分組情況及各組員分配任務輸入到雨課堂,方便管理記錄各組員的工作完成度。

3.2 混合式教學模式的實現

充分利用雨課堂工具,實現課前線上、課堂線上+線下、課后線上的有機統一。教師需要適當修改課堂課件至30分鐘左右,添加實時提問的問題,裁剪內容至預習課件。并結合CFD手段與雨課堂工具,分別開展線下和線上的實驗演示及實踐教學。

課程開課前,在雨課堂開通空氣動力學教學課程,并調研分析學生對課程的期望,評估學生的基礎,以了解學生的接受能力和需求,合理設計課程的問題。每節課前推送預習課件的同時,發布與本次課內容相關的問題,使學生帶著問題預習,提高預習效果。課堂教學過程中,根據本次課設計的問題,在雨課堂上實時提問(3～4次提問為宜),鼓勵學生發送彈幕交流。預留課堂討論時間,結合本節課所學知識對本節課的問題進行討論,加深對知識的掌握。課后在雨課堂討論區交流,教師及時回復交流信息,掌握學生學習情況;通過雨課堂報表,分析本節課學生學習情況和課堂效果,及時改進不足之處。針對學生力學基礎參差不齊的問題,充分利用雨課堂的討論區、分組和課后反饋等功能,掌握學生的學習進度并對學生進行差異化輔導。基于雨課堂的線上線下混合式教學,能夠充分調動學生的學習主動性,并能夠及時跟進所有學生的知識掌握情況,提高教學效果。

針對課程中的實驗演示和實踐部分,引入“數值實驗”方法,采用課堂實驗演示和課后數值計算實驗實踐相結合的教學模式。比如,使用Fluent、OpenFOAM等CFD數值模擬軟件,基于雨課堂工具演示CFD方法的前處理、數值求解和后處理方法,展示文丘里管軸向壓強分布、速度分布,圓柱繞流卡門渦街現象及渦的產生和耗散規律,使學生對流動現象和本質有更深刻的理解;對于薄翼型理論的內容,可選取一典型薄翼型及狀態,對理論分析和CFD方法模擬結果進行對比分析,深刻理解兩方法的差異和優缺點,數值實踐部分的任務要求和計算條件均發布至雨課堂作業,供學生隨時查閱學習。結合雨課堂工具,充分發揮數值實驗演示及實踐的特點,提高學生的學習興趣和積極性。

4 多維度考核評價

采用注重過程和能力的多維度考核評價機制,根據平時表現、作業完成度和答辯情況等,從知識學習、溝通交流、組織協調等多個維度對學生進行評價考核。

課程考核成績由平時成績(30%)和大作業成績(70%)兩部分構成。考核評價明細見表1。平時成績由任課教師依據考勤、平時作業、平時表現等進行評定。平時表現主要包括遇到問題與老師的交流情況,交流后對問題的理解情況以及雨課堂報表的反饋,屬重點考核內容。大作業考核包括分析/計算結果,分析報告和答辯情況。分小組答辯,組長對大作業做整體答辯,每位組員(包含組長)對各自的工作做詳細答辯。最終大作業成績由以下幾部分組成:對作業的整體評定,將成績乘以權重系數分配給所有組員;對所有組員的詳細匯報的評定;根據大作業完成進度和質量,結合組員對組長的評價反饋,對組長進行評定,將成績乘以權重系數分配給各組長;由組長根據本組成員平時表現、工作量和難易程度對組員進行評定,由老師將成績乘以權重系數分配給組員。在大作業評價中引入權值系數,權值系數的大小由老師根據學生的整體表現進行綜合分配,既能保證初始成績的有效性,又能考核到不同同學的工作量,同時避免學生互評中出現異常分數。大作業不能考核到的知識點,根據課堂的問題討論環節、隨機提問環節和平時作業完成情況進行考核。

表1 多維度考核評價明細

采用多維度考核評價機制,對學生的平時學習和分組協作、溝通交流、分析問題、解決問題等能力進行全面考核,使學生在完成課程學習的同時,全方位鍛煉適航審定與驗證工程技術能力,從而滿足專業建設需求、條款需求、行業需求和學生需求。

5 結語

本文結合院校和專業特色,以需求為導向,從專業建設、條款、行業和學生需求四個方面進行了空氣動力學課程教學的需求解析,將空氣動力學知識和適航知識深度融合,是專業建設、條款、行業和學生的共同需求。采用問題教學法,將空氣動力學知識和適航知識深度融合的需求分解成課堂教學中的問題,基于雨課堂教學工具開展線上線下混合式教學模式探索,同時思考線上線下混合式實驗演示和實踐教學的解決方案,采用多維度考核評價機制全方位考核學生的學習和能力,從而提升學生的適航審定與驗證工程技術能力,最終滿足專業建設、條款、行業和學生的需求。