航空航天專業(yè)研究生實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)教學(xué)改革探索

何霖 陸小革

摘要：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)是航空航天專業(yè)研究生的重要專業(yè)課程之一，具有知識(shí)面廣、實(shí)踐性強(qiáng)、綜合要求高等特點(diǎn)。為提高教學(xué)效率，結(jié)合課程特點(diǎn)，從課程培養(yǎng)模式、教學(xué)方式和考核體制等方面對(duì)課程教學(xué)改革進(jìn)行初步探索。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué);教學(xué)改革;航空航天

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）52-0083-03

隨著載人航天工程、嫦娥工程、干線客機(jī)、航母艦載機(jī)等一系列航空航天領(lǐng)域重大項(xiàng)目的開(kāi)展，我國(guó)航空航天事業(yè)近年來(lái)得到飛速發(fā)展，取得許多驕人的成績(jī)。要實(shí)現(xiàn)航空航天事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，攻克工程實(shí)際中面臨的一系列流體力學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)難題，越來(lái)越需要借助相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的支撐。因此，培養(yǎng)掌握流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)相關(guān)專業(yè)人才的迫切需求，使得實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)相關(guān)課程得到越來(lái)越多的開(kāi)設(shè)航空航天專業(yè)的高等院校的高度重視。他們希望通過(guò)教學(xué)改革探索新型教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，得到廣泛共識(shí)。北京航空航天大學(xué)利用自身在航空航天學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，探索建立了富有特色的多層次流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[1];南京航空航天大學(xué)在空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中對(duì)研究型教學(xué)進(jìn)行探索，通過(guò)利用公共資源、網(wǎng)絡(luò)信息共享、系統(tǒng)化教學(xué)體系等方式，訓(xùn)練學(xué)生空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中的創(chuàng)新思維意識(shí)和創(chuàng)新思維方法[2];天津大學(xué)則以科研為依托，跟蹤世界流體力學(xué)研究最新成果，不斷更新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方式，對(duì)流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新和改革[3]。針對(duì)航空航天工程實(shí)際中對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的需求和綜合型人才培養(yǎng)目標(biāo)，我校（國(guó)防科技大學(xué)）為航空航天專業(yè)開(kāi)設(shè)了實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)相關(guān)課程。結(jié)合課程特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)踐，筆者對(duì)課程教學(xué)改革進(jìn)行初步探索。

一、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)課程特點(diǎn)

與其他專業(yè)知識(shí)課程相比，實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)要求等方面存在較大差別，具有知識(shí)面廣、實(shí)踐性強(qiáng)和綜合要求高等特點(diǎn)。

（一）知識(shí)面廣

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)雖然從名稱上看屬于流體力學(xué)或力學(xué)的范疇，但其內(nèi)容涉及廣泛，除了需要流體力學(xué)相關(guān)專業(yè)知識(shí)外，還涉及物理、光學(xué)、機(jī)械、電子等許多領(lǐng)域。以空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)最常使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備——風(fēng)洞為例，風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與使用不僅需要空氣動(dòng)力學(xué)的等熵流動(dòng)理論，還需要材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)課程為基礎(chǔ)。另外，國(guó)際上最先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，大多是將激光、光學(xué)成像、數(shù)字圖像分析等高度融合，沒(méi)有相關(guān)專業(yè)知識(shí)的，無(wú)法準(zhǔn)確理解和合理運(yùn)用這些測(cè)試技術(shù)。因此，沒(méi)有廣泛的多學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)，很難理解、掌握并應(yīng)用實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)課程講授的內(nèi)容。

（二）實(shí)踐性強(qiáng)

了解相關(guān)知識(shí)和原理，到能夠?qū)嶋H運(yùn)用該項(xiàng)知識(shí)和技術(shù)，還需要實(shí)踐。一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，筆者在課堂上講授完風(fēng)洞基本原理之后，讓學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別風(fēng)洞設(shè)備，很多學(xué)生連風(fēng)洞內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)方向都弄不明白，體現(xiàn)出理論與實(shí)踐間的差距。因此，與其他專業(yè)課程相比，實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)課程需要更多的實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

（三）綜合要求高

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的教學(xué)目的不僅僅是讓學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)理論，關(guān)鍵是通過(guò)實(shí)踐，能夠正確選擇并合理應(yīng)用相關(guān)知識(shí)和技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。這一實(shí)踐過(guò)程包含設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、制訂實(shí)驗(yàn)方案、合理選擇所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備、正確使用測(cè)試技術(shù)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確分析等。每個(gè)環(huán)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)，缺一不可。一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，其他環(huán)節(jié)都會(huì)受到影響。因此，為更好實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)，需要培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

二、探索教學(xué)改革的原因

筆者接觸過(guò)不少上過(guò)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)課程的碩士生和博士生，他們?cè)陂_(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，在實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析等方面都出現(xiàn)過(guò)許多低級(jí)甚至是原理性的錯(cuò)誤。這不僅嚴(yán)重影響他們的實(shí)驗(yàn)研究，有的甚至影響到正常畢業(yè)。比如選擇了不合理的測(cè)試技術(shù)，得到錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果，或者在實(shí)驗(yàn)操作中設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)不合理，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效。這些內(nèi)容都是在課堂上講過(guò)的，但沒(méi)有得到學(xué)生的足夠重視，說(shuō)明課堂教學(xué)方式存在缺陷。

考核評(píng)價(jià)方面，過(guò)去課程考核采用單一的筆試方式，但筆者在教學(xué)研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)工作做得好，不一定課程成績(jī)考試得高分，相反，課程考試得高分，實(shí)驗(yàn)不一定搞得好。這說(shuō)明課程在考核體制方面也存在嚴(yán)重不足，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，特別是對(duì)實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)。除此以外，課堂教學(xué)中，有學(xué)生非常認(rèn)真地聽(tīng)，但也有很多學(xué)生睡覺(jué)或干別的事情，這大概是所有課堂的通病。雖然學(xué)習(xí)要靠學(xué)生的積極性，但如何通過(guò)教學(xué)模式的改變最大程度提高學(xué)生的積極性，也是提高課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

雖然僅從一門(mén)課程的教學(xué)就將學(xué)生培養(yǎng)成具有很強(qiáng)實(shí)踐能力、能夠很好開(kāi)展流體力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)人才是很難的，但在有限的課程教學(xué)時(shí)間讓學(xué)生深刻體會(huì)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的復(fù)雜性，在工程實(shí)際中少出現(xiàn)錯(cuò)誤，少走彎路，提升教學(xué)質(zhì)量，是進(jìn)行課程教學(xué)改革探索的原因所在。

三、課程教學(xué)改革初步探索

結(jié)合實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)課程特點(diǎn)和筆者的具體教學(xué)實(shí)踐，本文從教學(xué)模式、授課方式和考核體制等方面提出一些教學(xué)改革探索方案。

（一）教學(xué)模式改革

過(guò)去的教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)對(duì)每個(gè)學(xué)生同等待遇，每個(gè)學(xué)生具有相同的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和考核方式。筆者認(rèn)為，對(duì)于以學(xué)習(xí)知識(shí)為主的本科生，這種方式是毋庸置疑的，但對(duì)以能力培養(yǎng)為主的研究生而言，由于他們的研究方向不同，關(guān)注點(diǎn)不一樣，對(duì)知識(shí)的需求也不同。因此，研究生的課堂教學(xué)采用統(tǒng)一的模式并不合理，借助美國(guó)對(duì)大學(xué)生個(gè)性發(fā)展的探究教學(xué)模式[4]，應(yīng)將研究生課程教學(xué)從過(guò)去注重知識(shí)傳輸向注重培養(yǎng)實(shí)踐能力轉(zhuǎn)變。

1.團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)模式，強(qiáng)調(diào)個(gè)性發(fā)展。筆者在教學(xué)實(shí)踐中采用團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)模式，學(xué)生自由組合分成多個(gè)小組，每個(gè)小組成為一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)不同的團(tuán)隊(duì)角色，如組長(zhǎng)（負(fù)責(zé)人）、總工程師（總體技術(shù)負(fù)責(zé)人）、風(fēng)洞組、測(cè)試組、總體方案設(shè)計(jì)組、數(shù)據(jù)分析處理組。學(xué)生根據(jù)不同角色在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)不同的分工，通過(guò)協(xié)作共同完成某個(gè)指定的研究?jī)?nèi)容。對(duì)每個(gè)團(tuán)隊(duì)采用相同的標(biāo)準(zhǔn)（相同的目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和考核方式），而團(tuán)隊(duì)內(nèi)的每個(gè)成員根據(jù)今后發(fā)展需求或喜好，通過(guò)協(xié)商方式確定個(gè)人分工，這樣每個(gè)學(xué)生不需要了解和掌握所有知識(shí)，可以有針對(duì)性地關(guān)注自己需要的內(nèi)容。這種方式的特點(diǎn)在于，可以發(fā)揮學(xué)生個(gè)性，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)配合意識(shí)，鍛煉其能力，如與他人分工協(xié)作的能力、領(lǐng)導(dǎo)和管理團(tuán)隊(duì)的能力等。

這種教學(xué)模式不意味著某個(gè)學(xué)生只需關(guān)注自己所關(guān)心的部分內(nèi)容即可，他還需要關(guān)注團(tuán)隊(duì)內(nèi)其他成員的工作。比如，實(shí)驗(yàn)測(cè)試小組需要知道總體方案設(shè)計(jì)組的需求，才能選擇合理的測(cè)試手段，針對(duì)總體方案設(shè)計(jì)中的不合理內(nèi)容提出修改意見(jiàn)，增加團(tuán)隊(duì)內(nèi)的相互協(xié)作性。

2.注重學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試技術(shù)等部分，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展不斷變化。比如，十年前經(jīng)常采用的測(cè)試技術(shù)，如今幾乎沒(méi)有人使用，新出現(xiàn)的測(cè)試技術(shù)又可能具有完全不同的原理。另外，我國(guó)航空航天領(lǐng)域所進(jìn)行的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容多種多樣，需求各不相同，課程教學(xué)內(nèi)容根本無(wú)法滿足具體工程實(shí)踐需求。但是不管內(nèi)容如何變化，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究中運(yùn)用的基本原理和方法是不變的，因此，課程教學(xué)過(guò)程增加許多討論環(huán)節(jié)，讓學(xué)生依據(jù)基本原理和方法，結(jié)合具體情況分析何種情況下使用什么方法或技術(shù)，為什么如此選擇。教學(xué)過(guò)程中，以培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法為主，而不是以傳輸知識(shí)為主。

（二）豐富教學(xué)方式

1.任務(wù)式教學(xué)方式。即對(duì)每組學(xué)生提出一定的任務(wù)，在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中完成。課程快結(jié)束時(shí)，各組對(duì)相關(guān)任務(wù)進(jìn)行匯報(bào)，根據(jù)任務(wù)完成情況進(jìn)行考核。任務(wù)完成需要運(yùn)用課程教學(xué)中的內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中注意力更集中。

2.引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。任務(wù)式教學(xué)在很多教學(xué)改革中已經(jīng)得到廣泛采用，但它在提高學(xué)生的積極性方面還是不夠的。因此，筆者在教學(xué)過(guò)程中引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。即同一任務(wù)，同時(shí)安排多組學(xué)生完成，最后根據(jù)各組完成情況進(jìn)行比較，評(píng)出優(yōu)劣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。通過(guò)分組比較，每組學(xué)員不是僅僅完成任務(wù)就可以，如果任務(wù)完成情況不如其他組，也會(huì)影響最終成績(jī)。因此，學(xué)生完成任務(wù)的認(rèn)真度更高，學(xué)習(xí)效果更好。

3.增加答辯環(huán)節(jié)。引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的同時(shí)，增加答辯環(huán)節(jié)，主要是為了學(xué)生間的相互提問(wèn)和交流。每個(gè)小組完成任務(wù)后，要上臺(tái)匯報(bào)，其他同學(xué)擔(dān)任評(píng)委進(jìn)行提問(wèn)，根據(jù)匯報(bào)小組的回答情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并公布結(jié)果。引入這種在我國(guó)科研項(xiàng)目申報(bào)中廣泛采用的模式，一是為了培養(yǎng)學(xué)生交流意見(jiàn)、主動(dòng)思考的習(xí)慣;二是通過(guò)問(wèn)答拓寬學(xué)生的視野和想法，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力。

（三）完善教學(xué)考核體制

1.多種考核內(nèi)容。過(guò)去單一筆試的方式已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)這類實(shí)踐性很強(qiáng)的課程的考核評(píng)價(jià)。因此，考核時(shí)，采用多種考核內(nèi)容，從不同方面進(jìn)行考核。一是增加文獻(xiàn)調(diào)研的考核，學(xué)生根據(jù)要求，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)某一領(lǐng)域的一種最新測(cè)試技術(shù)進(jìn)行介紹。這一考核內(nèi)容評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)最新進(jìn)展的調(diào)研能力，有助于學(xué)生掌握相關(guān)方向的最新發(fā)展，為實(shí)驗(yàn)研究提供最新思路和技術(shù)支持。二是根據(jù)要求對(duì)某類實(shí)驗(yàn)設(shè)備或測(cè)試技術(shù)進(jìn)行介紹，要求學(xué)生能夠清楚掌握某類設(shè)備或技術(shù)的基本參數(shù)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、使用范圍和相關(guān)要求，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)研究時(shí)更好掌握該類型設(shè)備或技術(shù)的原理和特點(diǎn)。三是綜合考核，即完成任務(wù)式教學(xué)中的任務(wù)，這類考核綜合性較強(qiáng)，從整體方案、設(shè)備選擇、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、結(jié)果分析等評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，對(duì)學(xué)生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究能力進(jìn)行綜合考核。根據(jù)考核內(nèi)容、形式和難易程度，設(shè)定各考核環(huán)節(jié)在總成績(jī)中的占比例，得到最終考核成績(jī)。

2.雙重評(píng)價(jià)方式。由于考核內(nèi)容多為無(wú)法具體量化的內(nèi)容，因此在教師評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，增加學(xué)生間的相互評(píng)價(jià)。它一改過(guò)去由教師主導(dǎo)成績(jī)?cè)u(píng)判的模式，引入學(xué)生評(píng)價(jià)，既能體現(xiàn)評(píng)價(jià)的公正性，又讓學(xué)生參與評(píng)判過(guò)程，積極促進(jìn)學(xué)生思考。筆者認(rèn)為，相對(duì)于成績(jī)高低，讓學(xué)生真正培養(yǎng)和掌握能力更加重要。

四、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航空航天專業(yè)研究生對(duì)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)課程需求以及課程特點(diǎn)，筆者結(jié)合自身教學(xué)實(shí)際對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行改革探索。作為初步嘗試，教學(xué)改革方式可能有許多不合理或不完善的地方。但通過(guò)課程實(shí)踐中學(xué)員的反應(yīng)，學(xué)生的積極評(píng)價(jià)讓筆者感到欣慰。從強(qiáng)調(diào)知識(shí)傳授到注重學(xué)生綜合科研能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，從以教師講授為中心到以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心的轉(zhuǎn)變，是課程教學(xué)改革的根本。教學(xué)改革不可能一蹴而就，還會(huì)面臨新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。筆者所采用的方法也不一定科學(xué)合理，但作為教學(xué)改革探索，需要打破傳統(tǒng)觀念束縛，也需要對(duì)錯(cuò)誤的不斷修正。筆者將個(gè)人嘗試在這里拋磚引玉，希望廣大讀者評(píng)判指正，幫助筆者更好開(kāi)展教學(xué)改革研究，能為他人提供有益的參考借鑒。

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