基于创新实践理念的空气动力学课程教学体系建设

[摘 要] 围绕建设创新型国家的人才需求，北京航空航天大学空气动力学课程教学改革经过多年的教学探索，重新确立了本课程的基本定位，即通过理论教学、实验教学和创新实践三大环节，重点培养学生航空航天意识、提出和解决问题的能力，以及综合利用所学知识开展创新实践的能力。

[关键词] 空气动力学 创新实践 教学改革

一、教学改革的必要性及目标

随着现代科学技术的迅速发展、学科的交叉与融合、国防安全和社会经济的发展需求，国家对航空航天领域人才需求发生了巨大的变化。未来国家的航空航天人才需要掌握的航空宇航科学技术是以数学、物理学以及现代技术科学为基础，以飞行器设计、推进理论与工程、制造工程、人机与环境工程等专业为主干的高度综合的学科体系。作为北京航空航天大学（以下简称“北航”或“我校”）具有航空航天特色的核心课程之一，空气动力学从教学理念、教学内容、教学方法等方面进行全面改革势在必行。鉴于该课程的特殊地位，我们提出的教学改革总体目标是：通过理论教学、实验教学和创新实践三大环节，要求学生掌握空气动力学的基本理论及其应用，培养学生的航空航天意识，以及提出并解决问题、综合利用所学知识进行创新实践的能力。

二、构建现代教学理念 深化教学体系改革

在空气动力学课程教学体系建设过程中，我们坚持以航空航天科学技术的发展方向和国家对创新人才需求的走向为牵引，从提升学生认知水平、培养学生动手实践能力、增强学生集成创新意识的培养目标入手，始终把培养学生的动手实践能力和创新意识作为教学的根本任务。在此基础上，我们建立了“理论教学+实验教学+创新实践”的现代教学体系，并对教学内容做了相应改革。在制订课堂教学计划时，注重理论与实验相结合，除理论教学外，开设8项空气动力学实验。理论课程分为“空气动力学基础”和“飞行器空气动力学”两大部分。在空气动力学基础部分，以理想流体力学和粘性流体力学的经典内容为基础，重点突出空气动力学的基本概念、基本原理和方法，以体现课程的基础性。在飞行器空气动力学应用部分，针对现代飞行器的发展趋势，重点突出现代飞行器的气动设计概念和方法论，并通过讲授流动和旋涡控制技术、计算机数值仿真概念和基本方法，以体现课程的前沿性和时代性，进一步拓宽学生的视野，加深学生对本课程的理解和认识。其中，空气动力学基础课堂讲授45学时，实验课学时数为8；飞行器空气动力学课堂讲授36学时，实验课学时数为6。此外，要求学生积极参加课外科技活动，综合利用所学空气动力学理论开展创新实践。

1. 理论教学

该教学环节强调物理概念的清晰化与数学推导的严谨性，注重物理过程的图像显示和基础理论的课堂推演。以概念清楚、推理严谨、重点突出为原则，根据基础部分重视基本概念、基本原理和理论的推导，应用部分重视理论的应用、气动设计概念和方法论的教学方针，我们多次组织主讲教师讨论空气动力学各章节的讲授重点、难点及方法。同时在知识传承过程中，适时地介绍一些国内外著名流体力学家的生平事迹、对学科的贡献和他们的人生理念等，既有效地提高了学生对该课程的学习兴趣，同时又使学生在学习新知识的过程中自然接受了素质教育，特别是人文教育熏陶，对树立远大理想和正确的人生观起到了重要作用。譬如，在讲授边界层理论时，及时介绍了近代流体力学大师普朗特教授的生平、学术成就、学习方法等；在讲授理想流体力学时，介绍了欧拉、伯努利等著名数学家、流体力学家的学术成就；在讲授高速空气动力学时，介绍了冯·卡门对近代空气动力学的杰出贡献；在讲授湍流及其性质时，介绍了著名艺术家和科学家达·芬奇对于湍流的定性描述和有关湍流现象的名画，等等。

2. 实验教学

该教学环节以动手实践能力和创新意识的培养为主，将显示和定量实验、感性与理性认识相结合，重视理论对实验过程的指导作用和对实验数据与图表的定量分析过程。依托国家级实验教学示范中心所创建的三大实验平台，即专业基础实验、专业综合实验和集成创新实践平台，我们在该教学环节开展了实验教学方法的研究与实践，并紧跟航空科技的最新发展，与时俱进地设计实验内容、更新设备、改善实验手段，取得了良好的教学效果。

针对该课程的8项实验，我们详细讨论了各项实验的教学大纲，并选拔有实践经验的教师负责实施。在实验教学过程中，通过专业基础实验平台必修实验项目的训练，重点提升学生对专业知识的认知水平和理解深度；通过专业综合实验平台的必修和自选实验项目的完成，培养学生的动手实践能力，以及综合利用所学知识解决问题和分析问题的能力；通过集成创新实践平台实验项目的完成，锻炼学生的工程实践能力，提高其集成创新意识和工程理念。

3. 创新实践

该教学环节强调工程意识，突出团队训练和团队实践，重点培养学生工程实践与集成创新意识。

第一，借鉴国家级航空航天实验教学中心的专业基础实验、专业综合实验、集成创新实践三大教学平台，我们构建了现代空气动力学创新实践教学体系。该实践教学体系以流体力学学科为依托，重视科研与教学互动，及时地将科研成果引进并丰富实践教学内容。在讲授知识的同时，向学生传授科学研究的方法，以及最新科研进展，以开阔学生的视野，激励并激发学生的学习热情和创新思维。比如，专业综合实验平台中大多数实验项目和集成创新实践平台中的实践项目是由科研成果直接转化而来，其中很多实验设备为北航独有。将科研成果和设备通过创造性地重新设计、适当简化和改造，应用于专业综合实验平台和集成创新实践平台中，不断提升实践教学水平，引领学生开拓视野、了解航空航天科学技术前沿，加强创新型高素质人才培养。同时教学实验又反哺科研，教师和学生通过将在创新性实践过程中获得的一些理念和成果应用于科研活动中，获得了良性互动。

第二，为了培养学生的创新实践意识，我们充分利用学生课外科技活动延续和扩展理论及实验教学内容，有目的地引导学生进行创新实践活动，避免自发无序的活动，达到事半功倍之效。而将学生的创新意识与课外科技活动紧密结合并纳入到实践教学体系之中，突出创新实践教学环节，既是本课程一个重要的实践教学措施，也是航空航天相关专业长期积淀下来的一种教学理念和优良传统，更是加强现代高等工程教育理念的重要环节。其中，为了加强实践教学活动，激发学生航空航天情怀，强化航空航天意识，我们积极与航空航天主机单位建立联系，从人才培养角度出发建立实践教学的共建基地。从2004年起，我们与中航空集团公司沈阳飞机设计研究所、成都飞机设计研究所和陕西阎良第一飞机设计研究院共同建设了航空创新实践基地，为学生的实践活动提供了重要场所。

经过近几年的教学实践，该教学体系成果显著，学生不仅在各类科技活动中屡屡斩获殊荣，而且在毕业后得到众多用人单位的广泛肯定与好评。

三、改进教学手段与方法 不断提高教学效果

在具体教学过程中，我们又分别针对该课程不同教学环节的要求，灵活运用各种行之有效的教学方法。

1. 启发式教学与因材施教相结合

为了使探究性、主动式学习成为学生的一种学习习惯，我们采用启发式教学方法，强调以学生为中心，变单向传输式教育为双向互动式教育，让学生在学习过程中自始至终处于主动地位，主动提出问题、思考问题，从而具备独立思考和独立判断能力，而教师只是起指导和促进作用。与此同时，在课堂教学中还注意因材施教，针对各教学环节的具体教学任务和不同学生的认知特点来开展教学，提高其学习兴趣。

2. 传统黑板教学与现代多媒体技术相结合

针对该课程不同的教学内容，我们采用传统黑板教学方式与现代多媒体技术相结合的教学手段。一方面，该课程需要推导演绎的逻辑推理知识很多，特别是理论教学的基础部分重视基本概念、基本原理和理论的推导，传统的黑板教学方式更适合这种知识体系的认知规律。另一方面，高速发展的航天技术和工程实际应用，又需要学生更深入和直观地了解空气动力学知识的内涵。为此，我们充分利用现代多媒体技术，通过虚拟实验、教学录像、实验录像等形象化教学手段将抽象、复杂的流动现象展示出来，从而为学生更深刻、更透彻地理解知识的内涵搭建了一个有效平台。例如，在讲授N-S方程的推导、平板边界层的相似解、普朗特的升力线理论等时，可以脱离多媒体课件而通过板书进行讲授，这不仅便于各种复杂方程或理论的推演，也便于学生在教师书写过程中记笔记，并利用时间间隔进行思考。相较之下，多媒体课件信息容量大而且丰富，可提供大量形象直观的教学材料，包括各种流动现象的实验录像片，因此我们可以在各种物理现象的介绍、理论的应用和各种概述性的内容讲授中大量使用这种教学手段。比如介绍翼型绕流及其失速特性、边界层的分离现象、激波的形成等重要流动现象时，该课程使用了大量的实验录像片，使教学内容更加直观形象，深受同学好评，充分体现了形象化教学在提高教学质量和效果中所发挥的作用。

3. 创新实验实践教学方法

针对不同层次的实验教学，我们开展了教学模式和方法的研究与实践，具体形式与指导方法如下所示。

（1）统一指导和典型示范相结合

对于以传承实验知识为主的专业基础实验平台，强调基本理论、方法的验证和实践，要求学生在教师的统一指导下独立完成。对于难度较大的实验，也可先由教师通过讲授与实验相结合的方式进行典型示范，然后由学生根据实验指导书独立完成。

（2）自主设计和小组协作相结合

对于主要体现实验的设计性和自主创新性的专业综合实验，如飞行器风洞测力实验，绝大多数实验学生在完成中包含有不同程度的自由设计、探索性实验。这类实验的课时较多，目标和要求明确，但实验具体方案需要学生进行精心的设计和安排。这类实验一般由学生自由组成一个3～5人的小组进行，在教师指导下完成全部实验内容。

（3）突出工程理念的集成创新意识

对于强调实验项目的工程实践与集成创新性的集成创新实践，主要面向高年级优秀学生，与课外科技活动相结合，由学生组队申请，要求包括：项目意义、工程前景、实验或研究的基本思路、技术路线、技术难点及其解决的办法，预期成果、研究人员分工合作情况等。学生将按照申请计划进行设计、制造、实验或实践等活动，从而全面培养集成创新意识和团队实践能力，最后通过答辩推选出优秀项目参加北航“冯如杯”、全国“挑战杯”等大学生科技活动。

（4）教师指导方法

本课程实验教学由理论课主讲教师和专任实验教师共同负责指导，由具备一定实验素质及能力的研究生担任辅导，将课内指导和课外指导紧密结合。在整个过程控制上，实验教学建立了实验预习、实施、报告和考试相结合的机制，同时依托信息化手段，将实验教程上网，构建教师和学生交互平台，取得了良好的效果。在大量硬件类和需要使用各类仪器设备的实验实施过程中，教师采取了严格的实验预习方式，要求学生在实验开始时必须提交实验预习报告。实践表明，在有限的实验学时下，实验预习的好坏对实验效果产生了直接的影响。

此外，教师还采用先进教学手段，开发和应用网络教学手段和虚拟实验室环境，不仅把多媒体和网络技术引入实验课堂教学，还针对学生学习中的难点自行开发网上虚拟学习软件、网上在线答疑系统，帮助学生预习和深入理解。

四、结语

综上所述，我校空气动力学课程经过多年的教学探索，坚持使学生在探索的过程中学习，在学习的过程中实践，在实践的基础上创新，充分调动并发展了学生的主动性、探究性、研究性和工程实践能力。而依托国家级航空航天实验教学中心，我们在实践教学环节鼓励和倡导优秀学生积极参加全国大学生“挑战杯”、航模比赛以及我校“冯如杯”等各种学生课外科技活动，参加学生达到50％以上，并取得了以下显著成绩。其中，分别荣获2005年第九届全国“挑战杯”一、二等奖，2007年第十届全国“挑战杯”一等奖，2009年第十一届全国“挑战杯”二等奖；分别荣获2005年、2006年、2007年、2008年北航“冯如杯”学生课外科技作品竞赛一等奖；2004～2008年，以航空创新实践基地为班底的北航航模队在全国航空航天模型锦标赛中，连续五次荣获油动载重项目团体、电动载重空投项目冠军、无线电遥控直升机模拟搜救项目冠军。实践表明，通过该环节的训练，学生能够将所学知识融会贯通，并提高了自身综合创新实践的能力。许多学生把亲手制造出“一架飞机”作为他们四年奋斗的目标之一。而且，由于亲自参加飞行器的研制过程，熟悉了飞行器设计的工程性、试验性、多科性等内涵，学生毕业后对行业的适应性非常强，对此很多用人单位都给予了高度肯定。

参考文献：

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[2] 张华，潘晓丽，郭辉，白涛，王海文，蒋持平.依托学科优势建设有特色的流体力学教学实验体系[J].力学与实践，2007，29（4）：77-79.

[3] 刘咏梅，祝钧，戴敏.构建实践教学体系，强化创新实践能力培养[J].实验室研究与探索，2009，28(2):12-14.

[4] 谭志静，陈杰平，张华. 开放式实践教学体系的建设与运行[J].理工高教研究，200７，２６（５）．

（作者单位：北京航空航天大学航空科学与工程学院）

编辑：陈 敏

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