基于探究體驗模式的航空航天大類核心基礎課程教學創新與實踐

摘 "要：該文針對西北工業大學航空航天大類的核心課程空氣動力學基礎（雙語），首先進行學生學情和教學痛點的深度剖析。進一步地，為了解決痛點問題，教學團隊以“科學探究與體驗式學習環境創設”為創新理念，以生成式的案例庫建設、理實融合式的“虛實結合”實驗模式、探索式的操作架構搭建為主要創新途徑，旨在培養學生的抽象思維能力、解決實際問題的能力及創新思維能力。最后，通過生對師的“3-2-1小紙條”反饋及師對生的多元化考核，實現課堂的快速優化與迭代。總體地，教學創新成效顯著，所采取的創新方法和途徑也在一定范圍內得到輻射和推廣。

關鍵詞：空氣動力學；教學改革；創新實踐；探究式；體驗式

中圖分類號：G640 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）07-0010-05

Abstract： The present study focuses on the core course Fundamentals of Aerodynamics of Northwestern Polytechnical University's aerospace category. First， it conducts an in-depth analysis of students' academic situation and teaching pain points. Further， in order to solve the pain points， the teaching team takes \"scientific inquiry and creation of experiential learning environment\" as the innovative concept， with the construction of generative case library， the experimental mode of \"combining virtual and real\" with the integration of theory and reality， and the construction of exploratory operation structure as the basis. The main innovative approach is to cultivate students' abstract thinking ability， ability to solve practical problems and innovative thinking ability. Finally， through the \"3-2-1 small note\" feedback from students to teachers and the diversified assessment of teachers to students， the rapid optimization and iteration of the classroom is realized. Overall， the teaching innovation has achieved remarkable results， and the innovative methods and approaches adopted have also been radiated and promoted within a certain range.

Keywords： Aerodynamics; teaching reform; innovative practice; inquiry; experiential

“型號研制，氣動先行”，空氣動力學被譽為飛行器設計的先行官，是飛行器總體設計、結構、動力、氣動布局和彈道等的先修課程，對于畢業要求具有很強的支撐性。課程要求學生掌握空氣動力學的基本概念，理想流、不可壓流的理論體系及翼型、機翼的分析方法。進一步培養學生的抽象思維能力、知識應用能力及創新思維能力。同時，培養學生的航空航天專業素養、科學探索精神及空天報國情懷，專門為培養我國航空航天領域高素質拔尖人才服務。

作為航空航天技術重要的基礎性課程，空氣動力學在國內外航空航天類院校或專業都作為核心類課程進行設置。國外高校以麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）為典型代表[1-2]，其航空宇航工程專業的學生在學習空氣動力學課程的過程中，特別要求參加以小組形式完成的課程實踐項目，內容是針對波音公司發展的關于翼身融合體飛行器的設計及氣動分析項目。相較之下，國內高校如北京航空航大大學[3-4]、南京航空航天大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學、西北工業大學[5]等相關院校，由于受傳統歷史的接受式教育模式影響較深，課程體系及教學模式比較接近。以西北工業大學（簡稱“西工大”）的空氣動力學課程教學為例，該課程的研究對象“飛行器”賦予了其固有的國防特色，也讓它成為了一把“雙刃劍”。一方面，是其服務于飛行器設計的國防背景本能散發出的極強吸引力使得學生非常感興趣；另一方面，則是其國防背景下潛在的“不近人情”：空氣動力學（簡稱“空動”），卻曾經一度被學生調侃為“空洞”。主要原因包括以下幾個方面。

“看不見，摸不著”：“空氣看不見、飛行器摸不著”的特點，使得流動現象、力學機理抽象難懂，學生現有的抽象思維能力和數學建模能力難以適應。

“學得懂，不會用”：課程以二維翼型、三維平面機翼模型為主要對象，以無黏不可壓縮流動為主要內容，薄翼理論、普朗特升力線理論等經典理論為主要方法，然而，實際飛行器結構、氣動特性及流動現象比典型模型、經典理論復雜得多，所學理論與實踐結合不夠，導致學生解決工程實際問題的能力弱。

“從已知，到未知”：目前課程教學內容以教材內容為主，偏重于基礎理論、物理概念、基本方程及經典解析方法等。學科前沿、創新實踐、開放性設計等內容嚴重缺失，學生在掌握基本內容的基礎上，缺乏對未知前沿的思考和探索。

綜上所述，國外高校將探究式學習貫穿于整個空氣動力學課程教學環節中，同樣也貫穿于相應的課程實踐環節中，通過對較為前沿的翼身融合體飛行器進行簡單的工程計算、較為復雜的計算流體力學（CFD）分析、模型實驗分析、飛行性能分析等來達到對飛行器氣動設計研究方法的系統性掌握。相比之下，國內空氣動力學課程的教學仍側重于傳統的接受式學習模式，課程實踐教學的設置[6-7]也僅僅是對課堂教學基本知識點的進一步理解及深化，并不強調對整體系統知識的掌握。缺乏對學生系統性思維、創新性思維能力以及解決工程實際問題能力的培養[8]。以上的點狀差異本質上是兩者教學模式不同的一個折射，涉及整體教學理念、教學內容、教學組織及考核體系等問題。

因此，在目前“新工科”背景下，如何實現以學生發展為中心，如何使得空氣動力學不再“空洞”，使得學生清楚地知道學有所用且如何用，如何培養學生的抽象思維能力是關鍵問題之一，如何培養學生運用所學分析、解決實際飛行器設計問題的能力是關鍵問題之二，如何激發學生的探索發現能力及創新思維能力是關鍵問題之三。

論文分別從課程教學創新的主要途徑、考核與評價體系的改革模式、課程創新取得的成效與推廣情況進行闡述，為我國航空航天相關院校的專業課程改革提供可參考的實踐案例。

一 "課程教學創新途徑

基于“科學探究與體驗式學習環境創設”的創新理念，針對三個痛點問題，以“生成式的案例庫建設、理實融合式的‘虛實結合’實驗模式、探索式的操作架構搭建（發現—分析—解決問題）”為主要創新途徑（圖1），通過多種手段，實現了抽象思維能力、解決問題能力及創新思維能力的培養目標。

首先，解決“看不見，摸不著，抽象思維能力不足”的痛點問題：重構內容，生活具象，提高學習體驗感。開展了開放式的案例庫建設（圖2），包括生活元素案例庫、優質動畫案例庫、虛擬仿真案例庫、課程思政案例庫。通過挖掘生活元素，建設豐富的生活素材案例庫，將專業知識具象到生活場景中，打造有趣的、親切的、有溫度的空氣動力學課堂。以繞圓柱的無升力流動為例，將生活中的牛奶、書桌上的墨汁引入課堂教學，通過設置分組實驗，每個小組從實驗目標、材料選取、方案設計、實驗實施均在課堂上實時協作完成。通過固定變量法，不同小組驗證不同物理參數的影響規律，并進行結果記錄和分析總結。最后，師生共同基于實驗結論推導雷諾數的數學表達式。整個教學過程，將抽象的專業知識、物理機理生活化、具象化、可操作化，并通過知識的逐步推進和能力升階，實現知識和能力的內化。

圖2 "開放式案例庫建設

生活案例庫目前有32個典型案例，比如，在學習翼型及機翼下洗時，引入了“運動員的帽子及大雁的人字形飛行”；講到圓柱繞流時，引入了“海島云團及弧線球”。通過生活案例，實現了空氣動力學流動現象的具象化表征。優質動畫庫目前有21個典型案例，比如翼型的失速現象，翼尖渦效應，層流、湍流現象究竟是什么，一張動圖勝過教師千言萬語的解釋和大篇幅文字的描述。另外，我們開發了虛擬仿真實驗平臺，目前，已內嵌了四個虛擬實驗案例，包括風洞的組裝，翼型測壓與氣動力計算，翼型表面流譜觀測及流場粒子測速。通過線上風洞豐富和優化了實驗教學。在課程教學全過程中，從三個維度融入了課程思政[9]。第一，以知識體系為軸，融入哲學辯證思想，培育學生的科學辯證思維。第二，講述我國以馮如和錢學森為代表的航空航天人的科研故事，樹立空天報國情懷，激勵學生成為這樣的人。第三，講述與學科相關的民生安全問題，培養行業責任感，激發學習動力。

其次，解決“學得懂，不會用，解決復雜問題能力弱”的痛點問題：虛實結合，真實體驗，促進理論實踐融合。采用了虛擬仿真平臺及風洞實驗的“線上+線下”“虛+實”的混合實驗教學模式，旨在培養學生將理論知識用于生產實踐的綜合能力和創新實驗能力。教學團隊建設了小型的教學風洞，讓學生真切摸到風洞設備、飛機模型，以及親眼觀察模型在風洞中的吹風過程。但是，線下風洞教學實驗多以演示、驗證為主，缺乏學生參與度和有效提高其實踐能力的途徑。為了加強學生在相關實驗教學環節的參與度與自主設計性，教學團隊運用現代化信息技術開發了虛擬仿真實驗平臺，并建設了虛擬實驗案例庫，包括風洞部件的虛擬組裝、翼型表面壓力測量、翼型表面流譜觀測等。學生選取實驗參數，運行風洞，下載實驗數據，最終完成相應的實驗報告。

最后，解決“從已知，到未知，創新思維能力不足”的痛點問題：探索發現，層層遞進，培養學生創新思維能力。充分運用“探索實驗、仿真軟件、創新實踐、科研訓練”四重操作架構，鼓勵學生發現科學問題，探尋科學原理。遵循知識的認知結構：觀察流動現象→分析力學行為→探尋基本原理→理論用于實踐[10]，通過開展課堂實驗觀察物理現象和探索力學原理、借助數值仿真軟件制作動畫或視頻深刻理解流動機理、通過完成課后實踐作業掌握將基礎理論付諸實踐的全過程（圖3）。以翼型低速氣動特性為例，通過開展課堂翼型失速過程演示實驗、課中分組設計虛擬仿真實驗方案進行升力系數曲線的參數影響分析、課后進行創新實踐，如探空火箭全動尾舵翼型設計、超音速靶機翼型選取分析等（圖4）。使得教師與學生一起從現象著手發現問題、從力學機理出發分析問題，到理論應用解決問題，實現師生共同將碎片化知識整合應用的過程。

二 "考核與評價體系

首先，生對師的評價采用“3-2-1小紙條”。具體地，在每堂課結尾，教師通過雨課堂發布投稿任務，學生通過手機投稿個人的小紙條，具體內容總結為3-2-1（圖5），即3個印象深刻的知識點、2個喜歡的方面、1個問題或建議。教師通過學生實時反饋的個性化信息，梳理每一位學生當堂課對主要知識點的掌握情況、對教師教學創新的喜好程度，以及學生還存在哪些知識盲點及對老師的建議。根據學生反饋的信息，教師查漏補缺，取長補短，實時迭代優化課堂，真正實現以學生為中心。教師對所有信息進行了詞云分析（圖6），顯然，學生對于知識點是集體認同的，對于課堂“卡門渦街實驗及根據實驗推導雷諾數”這樣的教學設計是非常喜歡的。而每位同學的問題和建議是個性化的，正是教師以學生為中心進行教學優化的突破口。

師對生的考核采用過程性和終結性評價相結合，進行多元考核。具體包括雨課堂、課后作業、課后實踐、課程實驗、期末考試等部分（圖7）。我們通過課程群發布、評閱及評選模范作業，并對每位同學進行階段成績匯總和分析，實時監督和指導。對于課外實踐，我們也制定了詳細的考核指標（表1），以制作馬格努斯效應飛行器的課外實踐為例，要求通過小組協作，完成方案設計、計算驗證、材料制作、飛行試驗及報告撰寫與匯報，并進行師生共評。基于此，考核學生的綜合分析能力及團隊協作能力。

三 "創新成效與推廣

（一） "教學創新成效

空氣動力學基礎四個學年的統計成績（圖8）表明，90分以上的百分比逐年提升，2020—2022年春提高了9個多百分點，80分以上提高了近17個百分點。這樣的提升效果離不開我們的教學創新。從學生的評教中，也能反映一二，有學生提到：“教師注重過程評價，能夠根據反饋對內容進行調整；激發了我們的興趣和思考；反映了學科前沿；能夠引導和啟發我們如何做人做事等等。”

（二） "輻射與推廣

本課程所做的教學創新方法及途徑已經在空氣動力學基礎（雙語）教學團隊中得到了輻射應用（共計12個教學班，22位教學團隊教師）。同時，受邀赴第四軍醫大學、長安大學等兄弟院校做了經驗交流與分享，部分創新途經已得到了推廣應用。空氣動力學基礎（雙語）獲批校級核心課程建設項目、線下一流課程，教學團隊獲校級教學成果一等獎、二等獎，獲批省部級重點教改項目等。教學團隊開發的虛擬仿真實驗平臺對校內外人員免費開放，虛擬仿真實驗課程上線時間2020年9月。已服務過校內學生1 600余人次，校內外4 800余人次，訪問量26 000余人次（統計數據截止2022年7月）。并解決了疫情期間無法進行線下實驗教學的難題。

四 "結束語

本文采用探究體驗式的教學創新模式，注重實時反饋與迭代、融入創新實踐與科研，力求為學生創造一個自然的、批判性的學習環境，激發深度思考，提高學習體驗，促進探究式學習。本文的教學創新模式在航空航天大類專業核心課程空氣動力學基礎（雙語）課程中進行了教學實踐檢驗，同樣也可推廣至其他相關專業課程中，旨在服務于我國航空航天領域創新拔尖人才的培養。

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