空氣動力學課程中引導型實驗項目的設置與實踐*

王曉璐　韓非非　劉戰(zhàn)合　趙輝（鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程學院，河南鄭州450046）

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空氣動力學課程中引導型實驗項目的設置與實踐*

王曉璐韓非非劉戰(zhàn)合趙輝
（鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程學院，河南鄭州450046）

摘要：空氣動力學課程具有抽象性強的特點，合理設置實驗項目和學時，可以提高學生學習興趣。對原有實驗項目進行了改造升級，新項目具有較好的引導性，且航空背景更為突出。通過多個實驗單元的設置，提升了課程的趣味性，與理論教學相互映襯，取得了良好效果。

關鍵詞：空氣動力學；實驗教學；引導式教學

一、“空氣動力學”實驗課現(xiàn)況及特點

“空氣動力學”是飛行器設計與工程專業(yè)的一門專業(yè)主干課程，主要介紹飛行器在空氣中的受力規(guī)律、理論方法和分析方法。目前共48個學時，其中理論課44學時，實驗課4學時。現(xiàn)有的實驗有2個：二維圓柱繞流測壓實驗（圖1）和平板粘性附面層測定實驗（圖2），每個實驗均為2個學時，且均為驗證性實驗。即要求學生按照實驗手冊進行相關參數(shù)的測量，并將所得結果與理論值進行對比。實驗在之前的教學中起到了很好的作用，但由于儀器老化，測量精度大幅下降，有的操作臺所得結果甚至與理論不符，對學生學習積極性帶來了不利影響；另外，這兩個實驗仍屬于通識性質，學生更希望能結合航空實際提供新的實驗項目。

二、引導型實驗項目的構建與實施

引導式教學［1］已在諸多工科課程中得到了應用［2，3］，作者在理論教學時已經進行了初步的探索［4］，借鑒航空領域實踐教學的研究成果［5，6］，本文將引導式教學的思想應用于實驗項目，即構建一個以航空為主要背景的實驗單元組，設置不同層次的項目，學生可以根據自身情況選擇其中若干進行實際操作，在掌握實驗原理的基礎上，首先完成教師給定任務，而后可自行提出實驗目標，嘗試進行科研型項目研究。

實際操作中，結合學院實驗室現(xiàn)況，以實驗單元的方式構建了6個實驗項目（部分設備如圖3所示），其中核心項目有3個：二維翼型煙風洞實驗、飛機升力實驗和流線型物體壓差阻力實驗。

圖1　二維圓柱繞流測壓實驗

圖2　平板粘性附面層測定實驗

（1）基本流體概念和流態(tài)的顯示：二元翼型煙風洞實驗。該項目主要用于展現(xiàn)低速流理論中的流線、旋渦、層流、湍流和流動分離現(xiàn)象；從專業(yè)角度上來看，比單純進行邊界層速度測量和圓柱體繞流速度測量更為形象和直觀，對于繞流狀態(tài)的表現(xiàn)也更為深刻。

圖3　新配置的部分實驗設備

（2）飛行器受力狀態(tài)的顯示——升力：飛機升力實驗。該項目直接將飛機模型和小型風洞引入實驗環(huán)節(jié)，可以充分表現(xiàn)真實飛機設計的思想和過程，實驗中將飛機與四連桿機構相連，通過改變飛機迎角和風速，可給出升力的定量變化規(guī)律。

（3）飛行器受力狀態(tài)的顯示——壓差阻力：流線型物體壓差阻力實驗。由于需要設置阻力天平，限于風洞大小，選取剖面為翼型的流線型物體（而非飛機）作為模型。這樣既可以滿足風洞要求，又方便學生結合理論課上介紹的翼型理論和二維翼型煙風洞的流態(tài)圖展開思考。學生也可以自行制作其他外形的模型，以比較不同物體的壓差阻力大小，從而加深對“流線型”定義的理解。

升力和阻力是飛機空氣動力學中非常重要的2個力學參數(shù)，通過實驗（2）和（3），學生可以獲得對它們的直觀認識，有利于后續(xù)飛行力學、飛行器總體設計等課程的學習。

此外，為了提高實驗的趣味性，也為了在以后方便“流體力學基礎”和“航空航天技術基礎”、“航空概論”等專業(yè)基礎課和外專業(yè)選修課的學生，還另外建設了3個通用性實驗項目：伯努利原理演示實驗、空氣粘性演示實驗和乒乓球吹風演示實驗。

其中伯努利原理演示實驗充分借鑒了原有2個實驗項目的經驗，并改進了測量精度；空氣粘性演示實驗通過2個同軸圓盤的相對運動情況來宏觀展示粘性效應；乒乓球吹風實驗則可展示物體所受空氣動力與風速之間的定量關系。它們入門簡單，可操作性強，所需時間也較少，可以合計安排在1個學時之內。學生們通過實際操作，可以對看不見摸不著的空氣產生直觀的認識，學有余力的話，也可以設置一些定量任務，例如給出乒乓球離開噴嘴的距離與風速大小的關系曲線。

三、結論和展望

目前教學實踐活動正在逐步完善中，相對之前的實驗項目，學生們對新實驗項目的興趣有了明顯的提高，學習效果也有相應的提升。部分學生已經嘗試將航模制作中的問題帶到實驗室中尋找答案，引導型實驗的效果正在逐步展現(xiàn)。相信與理論教學相結合，可以使學生對“空氣動力學”課程獲得較為綜合的認識，有利于貫徹落實面向工程一線的航空工程師培養(yǎng)方案。

參考文獻

［1］巴巴拉·格羅斯·戴維斯.國外大學教學與教改譯叢：教學方法手冊［M］.嚴慧仙譯，杭州：浙江大學出版社，2006.

［2］鄧建新.C#課程一體化多層次問題引導式教學方法［J］.計算機教育，2014（11）：68-71.

［3］姜占平，廖智勇，譚逢友.產品綜合訓練課程問題引導式教學模式初探［J］.教育與職業(yè)，2009，11：151-152.

［4］王曉璐，代君，韓非非，等.引導式教學方法在空氣動力學課程上的應用［J］.教育教學論壇，2016.

［5］栗中華，陳艷，張鵬，等.面向航空教育認證標準的實踐課程改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2014，33（3）：146-149.

［6］張華，潘曉麗，郭輝，等.依托學科優(yōu)勢建設有特色的流體力學教學實驗體系［J］.力學與實踐，2007，29（4）：77-79.

Abstract:With the abstract characteristics，it is hard for students to learn the concepts in aerodynamics. Measures of reforming the experimental items and periods could light the students' passions in class. New experimental items were presented and have shown better guiding performances and more suitable for aeronautical engineering. Several experimental units were constructed to make the course more interesting and easier to learn，and works well with the combination of theory teaching.

Keywords:Aerodynamics；experimental teaching；guiding teaching

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）11-0070-02

*基金項目：鄭州航空工業(yè)管理學院教育科學研究基金資助項目（ZHJY2016-07）

作者簡介：王曉璐（1982-），男，河南信陽，博士，高級工程師，從事空氣動力學和飛行器設計教學和科研工作。