基于CDIO理念的固體火箭發動機設計課程教學改革與實踐

摘 要 在分析固體火箭發動機設計課程教學現狀的基礎上，提出基于CDIO理念的項目設計教學模式。按照過程化、工程化、項目化的改革思路，系統深入地對課程從教學內容、方法和模式上進行探索。教學實踐表明，采用CDIO模式，課程教學由知識傳授向能力提升轉變，激發學生的學習主動性和積極性，提高學生運用理論知識解決工程設計實際問題的能力，學生的創新思維和工程素養得到全面鍛煉和提升。

關鍵詞 固體火箭發動機設計；CDIO理念；教學改革

中圖分類號：E251.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0083-03

0 引言

海軍工程大學飛行器動力工程專業的本科學生未來將會從事固體火箭發動機的設計和管理，因此，掌握固體火箭發動機的設計理論和方法是他們最基礎的素質之一。固體火箭發動機設計課程主要研究固體火箭發動機設計技術，旨在讓學生系統地運用火箭發動機原理知識，對固體火箭發動機進行綜合設計，牢固掌握固體火箭發動機的關鍵技術指標和設計方法。固體火箭發動機設計課程有助于提升學生工程設計能力，為學生未來工作任職提供重要的專業支撐。

CDIO工程教育理念是近年來國際工程教育改革的最新成果，包含構思（Conceive）、設計（De-

sign）、實現（Impelment）、運作（Operate）等核心內容[1-2]。固體火箭發動機設計課程運用基于CDIO理念的項目設計教學模式，以固體火箭發動機從研發到使用的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程內容有機聯系的方式，以發動機總體和關鍵部組件的設計作為項目，通過協同實施和完成項目設計任務進行學習，提高創新實踐能力。

1 固體火箭發動機設計課程教學現狀

1.1 教學模式單一，高階性體現不足

課程專業特色鮮明，涉及機械、氣體動力學、傳熱學、火箭發動機原理等多個學科領域，綜合性和實踐性較強，要求學生具有扎實的專業背景知識，并且能夠將所學知識應用在具體設計過程中，具有一定難度。但是，長期以來，課程教學手段和模式較為傳統，在教學中仍然采用“理論講授+自主設計”的方式進行授課，存在設計理論較多但內容深度不足、設計過程復雜但重難點不突出、設計范圍廣但工程實踐性不強等諸多問題，無法將系統的設計理論與具體的工程實踐有機結合，對學生發展研究性學習和探究解決問題的高階能力培養不足。

1.2 實踐環節薄弱，工程性體現不強

固體火箭發動機設計本身是一門實驗科學，在真實的設計過程中需要開展大量力學、傳熱、燃燒、爆破、試車等危險性實驗，利用實驗得到的數據對理論進行反復修正和迭代，從而獲得更加精準的設計結果。而高校無法與專業設計研究部門一樣具有門類齊全的實驗條件，高校的實驗條件相對有限，特別是一些具有危險性的實驗無法開展，導致學生的動手實踐能力受到影響，與實際的工程設計相比有一定差距。

1.3 設計難度較低，開放性體現不夠

由于固體火箭發動機設計理論難、計算量大，設計過程存在總體與分系統技術參數的關聯性、約束條件復雜性以及數據的耦合性等難點，優化設計和計算十分復雜，因此，將性能參數進行一定的簡化，約束條件在一定程度上放松，將教學目標定位在學生完成全流程設計體驗上，從而一定程度上降低設計難度，但這也導致設計過程開放性不夠，沒有給學生提供充分表現個性、激勵創新的空間，對學生探索能力和創新精神的培養不足。

2 基于CDIO理念的教學改革

根據教學中存在的問題，在詳細分析現有條件的基礎上，結合課程特點，采用CDIO模式，制定過程化、工程化、項目化的改革思路，系統深入地對課程從教學內容、方法和模式上進行探索。

2.1 多類選題，體現設計個性

固體火箭發動機結構較為簡單，但種類多樣，按照用途和功能可以分為主動力固體火箭發動機、助推器固體火箭發動機、巡航固體火箭發動機和姿軌控固體火箭發動機等。不同種類的固體火箭發動機的設計要求有一定的區分，特別是飛行器總體對發動機的要求不同，從而導致設計過程存在一定的差異。因此，在設計選題上改變以往單一選題，倡導選題類型多樣化，讓學生在以往經驗、知識儲備、思維習慣下開展各種探索，尋求約束條件下的最優方案，而不再要求設計結果的唯一性，充分體現學生的興趣愛好，有利于學生個性化發展。

2.2 分組教學，發揮團隊優勢

綜合分析學生的知識儲備、興趣愛好、專業特長、編程能力等，按照優勢互補的思路，對學生進行混合分組。每個小組安排一名指導教師作為課后指導，以完成設計過程和設計任務為最終目標。按照競賽模式，將任務進行細化，并對各階段進行量化評分，強化學習效果，從而激發學生的競爭意識，培養學生相互協作的團隊精神。

2.3 明確主線，強調過程體驗

固體火箭發動機設計涉及學科較多，完整的設計需要掌握復雜的專業背景知識，僅靠一個小組的本科學生完成如此龐大而又復雜的設計具有較大難度。因此，課程教學以學生體驗設計過程為基礎目標，以提升設計能力為最終目標。在具體過程中，需要對設計內容進行區分，重點抓住熱力參數計算、藥柱結構設計、燃燒室強度校核、噴管結構設計、點火裝置設計，簡化藥柱三維設計和內彈道設計等，忽略部分結構質量的約束控制，適當放寬質量比等參數性能要求。恰當的內容優化既能使學生體驗完整的設計過程，提升能力，又不至于因為難度過大而導致設計無法完成。

2.4 注重案例，突出工程實踐

固體火箭發動機與工程實踐緊密相關，為此，聯合相關科研機構，搭建溝通交流平臺，組織線上講座活動，邀請相關工程師和型號設計師作為輔導教師進行技術指導，進一步促進課程教學與工程技術的緊密融合。學生以工程師的角度考慮設計要點，及時解決相關工程和實踐中的關鍵問題，提升工程實踐能力。豐富實踐內容，利用仿真實驗平臺，彌補真實實驗條件不足，構建完整的實驗體系，提升學生的工程實踐能力。

2.5 優化內容，開展項目化教學

項目化教學的特點是以項目為中心，通過真實情境和問題驅動展開學習過程，使學生更好地將理論知識應用到實踐中，提高學生分析問題和解決問題的能力[2-3]。優化教學內容及設計主題，按照項目化設計的任務下達、方案制定、組織實施、檢查評估等步驟組織實施。在整個設計過程中，以項目為載體，始終堅持“教師為主導、學生為主體”，教師重點關注要求的提出以及關鍵節點指導，并不過多地介入具體設計；學生發揮主觀能動性，逐步實現“做中學、學中做”，從而完成設計流程。小組針對設計結果進行分析整理，反復優化設計過程。小組結合設計過程撰寫設計報告，總結設計經驗和感悟，完成設計匯報，開展自評、互評以及指導教師總評。

3 基于CDIO理念的教學實踐

結合CDIO理念，根據教學大綱要求，以構思、設計、實現、運作為主線，開展教學實施。從典型項目案例引入，以設計要求、技術指標為構思，以結構組成及設計理念為設計，在此基礎上，以完成典型結構組成的參數指標為實現，最后以真實環境中的使用（貯存、點火）為運作，將專業知識和工程實踐結合，培養學生的工程素養和實踐能力[4-5]。教學實施步驟如表1所示。

3.1 構思階段

固體火箭發動機設計通常從發動機總體給出要求開始，內容是估算發動機一系列可變參數，如燃燒室壓強、噴管擴張比、流量系數、殼體和噴管材料以及殼體尺寸等對發動機性能的影響。教師針對設計案例，提出發動機總體設計要求，引導學生根據設計要求探尋合適的設計方案。設計小組根據所學設計理論和方法，結合固體火箭發動機研制案例經驗，詳細交流、反復探討，與指導教師一起不斷完善設計方案。

3.2 設計階段

根據前期方案，將項目任務劃分為一級總體設計項目和二級分系統設計項目，項目層級劃分及具體內容如表2所示。

學生結合研制工作程序，按照項目層級，圍繞項目內容，開展發動機項目化設計。發動機設計過程通常需要遵循三個基本原則：1）先算后做，即先進行分析計算，后進行設計、試制；2）先重后輕，即發動機結構應先重（或厚），后減輕（減薄）；3）先單項后綜合，即先進行二級子項目和分系統設計，后進行總體項目和系統設計。由于發動機設計中各個參數相互約束限制，因此在實際設計中可以根據具體情況調整設計順序。設計的重點主要是性能、結構、氣動等參數的計算，通常在完成分系統的計算后結合總體要求和相關約束條件進行重新迭代，直至得到合理的設計結果。

3.3 實現階段

學生結合設計得出的結果，利用三維結構仿真軟件繪制發動機結構組件三維模型，通過組件裝配實現從理論到工程圖紙的轉變。若裝配中發現諸如尺寸不合理、空間利用率不高等問題，結合發動機質量比、噴管擴張比等參數重新進行優化設計。對于小尺寸固體火箭發動機，可以進一步結合實驗室中的3D打印機和推進劑加工制造設備，開展結構件制造和裝配。對理論計算數據和實驗數據進行對比分析，尋找設計中存在的不足，從而進行調整優化。

3.4 運行階段

對于尺寸、推力較小的微小型固體火箭發動機，設計完成后依托水平試車臺進行點火試車，獲取內彈道曲線數據，考核設計效果。對于尺寸、推力較大的固體火箭發動機，由于無法進行真實實驗，依托有限元分析軟件進行發動機在實際使用條件下的仿真計算，用于考核發動機的性能。學生根據運行結果對整個設計方案和過程進行綜合評價，并完成最終的設計改進。

4 教學考核和評價

采取過程性考核和終結性考核相結合的方式開展課程考核和評價，具體考核內容和評價方式如表3所示。過程性考核主要基于CDIO理念，在各階段開展針對性考核，主要采取學生自評、互評以及教師點評的方式進行，從而保證學生在各節點的任務完成質量[6-7]。終結性考核主要采用“設計報告+

自主答辯”的方式進行，學生在完成整個設計后，撰寫設計報告，制作匯報課件，現場進行成果匯報和展示。教師結合設計參數指標，制定量化打分表，根據設計報告和答辯情況進行量化打分。

5 結束語

本文針對固體火箭發動機設計課程教學模式傳統、實踐環節薄弱、設計難度較低等問題，運用CDIO國際工程教育理念和模式，結合多樣選題、分組教學、突出實踐等方法，開展項目化教學，讓學生通過小組協同實施、完成項目設計任務進行學習，不僅能夠體驗完整的設計過程，而且能夠增強創新意識，提高實踐能力，取得較好的教學效果。

6 參考文獻

[1] 銀光球，張福江.基于CDIO機械本科課程教學改革探索與實踐[J].教育教學論壇，2017（29）：152-154.

[2] 王曉娟，韋韞韜.CDIO工程人才培養模式下項目化課程體系建設研究[J].中國教育技術裝備，2016（2）：86，89.

[3] 吳凈，陳克，張宏遠.基于CDIO工程教育模式的能源動力類課程體系改革與實施[J].中國現代教育裝備，2017（11）：35-37.

[4] 楊強，李忠.基于CDIO理念的數字媒體技術專業實訓類課程教學改革與實踐[J].中國教育技術裝備，2015（6）：131-132，144.

[5] 謝愛娟，曹劍瑜，羅士平，等.CDIO視域下構建“五位一體”實驗教學新模式[J].教學研究，2015，38（1）：98-101.

[6] 余發軍，王雙紅，林漫漫.基于CDIO理念的物聯網課程教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2020，39（12）：194-197.

[7] 寧超，劉君，韋素媛，等.全過程多維度的學測評一體化考核方式改革實踐：以“火箭發動機原理”課程為例[J].西部素質教育，2022，8（1）：154-156.

*項目來源：海軍工程大學2023年度教育科研項目（基金編號：NUE2023ER17）；海軍工程大學2023年度教學成果立項培育項目（基金編號：NUE2023TA04）。

作者簡介：賴建偉，通信作者，博士，講師；方登建，副教授；常建、張濤濤、王少蕾，博士，講師。