葉輪機械綜合實驗課程教學(xué)改革的探索

劉漢儒 王掩剛

摘 要：葉輪機械綜合實驗課程是飛行器動力工程核心專業(yè)課程，該課程實施效果不僅對于學(xué)生理解理論知識具有關(guān)鍵作用，還對學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。文章針對葉輪機械綜合實驗課的教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及綜合評價三個方面進(jìn)行了有益的改革探索，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：葉輪機械；實驗教學(xué)；開放實驗；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）19-0124-03

Abstract： The comprehensive experiment course of turbomachinery is the core course module of the major of flight vehicle propulsion engineering. The implementation effect of the course plays an important role not only in understanding the theoretical knowledge for students， but it is also a key link for training practical and innovative ability of students. In this paper， based on the current teaching status of the module of comprehensive experiment of turbomachinery， some beneficial reform and exploration have been carried out in three aspects regarding of teaching content， teaching method and comprehensive evaluation. These have effectively motivated the interest of students in learning and enhanced the comprehensive practical ability and innovation ability of students.

Keywords： turbomachinery； experiment teaching； open experiment； innovation ability

葉輪機械是航空發(fā)動機的核心部件，對發(fā)動機的性能起著決定性的作用。“葉輪機械原理”是飛行器動力工程專業(yè)一門主干專業(yè)課程，主要介紹航空壓氣機和渦輪兩大核心部件的基本概念原理，具有較強的工程應(yīng)用背景。該課程以氣體動力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、機械設(shè)計等課程知識為基礎(chǔ)，又對后續(xù)的航空發(fā)動機原理課程學(xué)習(xí)具有承前啟后作用。同時，由于葉輪機械本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部流動看不見摸不著等特點，該課程內(nèi)容抽象概念多，知識的綜合性連續(xù)性強，所以學(xué)習(xí)難度較大[1]?！叭~輪機械綜合實驗”課程設(shè)置的目的在于一方面幫助學(xué)生理解和掌握所學(xué)的原理方法，并獲得實驗技能的訓(xùn)練。通過綜合性實驗，使學(xué)生掌握葉輪機械的基本結(jié)構(gòu)形式、運行性能與調(diào)節(jié)控制，掌握航空流體機械性能測試、流動測試、設(shè)計與仿真實驗的基本方法，提高學(xué)生動手操作能力；另一方面，葉輪機械綜合實驗課程要成為本科生對專業(yè)儀器、實驗操作、專業(yè)軟件操作、數(shù)據(jù)分析等基本功訓(xùn)練的綜合主戰(zhàn)場。同時，開放性實驗課程將實驗教學(xué)上升到工程思維與理念訓(xùn)練的高度，作為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的一種不可或缺手段[2]。加強實踐教學(xué)的探索改革符合《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》[3]中對強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的要求，體現(xiàn)了“基于全面發(fā)展的創(chuàng)新教育”理念，保持和發(fā)展了“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實踐、求創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)特色。本文則是介紹了我們在教學(xué)過程中對“葉輪機械綜合實驗”課程的教學(xué)內(nèi)容、 教學(xué)方法、考核方式進(jìn)行的一些探索工作。

一、更新教學(xué)內(nèi)容，突出專業(yè)能力培養(yǎng)

（一）構(gòu)建現(xiàn)實-虛擬結(jié)合的實驗教學(xué)平臺

針對目前本科生培養(yǎng)中缺乏實踐教學(xué)，學(xué)生動手實踐能力不足，看的多操作少，沒有在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的機會的現(xiàn)狀，2015年在工信部教學(xué)實驗示范中心的支持下，我們開始對該課程進(jìn)行探索改革，建設(shè)了多功能平面葉柵等教學(xué)硬件平臺，擴充實驗項目，建設(shè)多套設(shè)備，極大提高學(xué)生的參與度，加強了該課程的實踐教學(xué)能力，真正實現(xiàn)學(xué)生親自動手實驗，實現(xiàn)創(chuàng)新實踐訓(xùn)練的效果。在教學(xué)過程針對葉輪機械概念抽象，流動復(fù)雜的問題，增加虛擬教學(xué)實驗與真實實驗相輔助。其中一部分是大量有專業(yè)特點的計算機動畫和視頻短片，包括軸流壓氣機、離心壓氣機以及多級壓氣機內(nèi)部流動動畫，以及壓氣機和渦輪的二次流動的CFD動畫，這樣把抽象的概念原理和葉輪機械內(nèi)復(fù)雜的流動過程形象地表達(dá)出來，使學(xué)生對概念原理和流程的理解更清晰透徹。另一方面，也購置了數(shù)字葉型設(shè)計及數(shù)字風(fēng)洞軟件，可對不同的葉柵模型進(jìn)行虛擬氣動測試，這對實施開放實驗，學(xué)生自行動手設(shè)計葉型并仿真驗證提供了必要條件。“實”與“虛”的結(jié)合，降低了學(xué)生在部分真實實驗過程中操作誤差帶來的風(fēng)險，也彌補了部分昂貴單一設(shè)備學(xué)生無法全部參與操作的不足，促進(jìn)知識的轉(zhuǎn)化與拓展，加深學(xué)生對航空葉輪機械結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點以及內(nèi)部流動的理解。

（二）設(shè)置遞進(jìn)式實驗題目

在葉輪機械綜合實驗課程建設(shè)過程中，我們建立了“基礎(chǔ)性實驗”、“綜合性實驗”、“設(shè)計研究性實驗”三類實驗內(nèi)容。增加原有基礎(chǔ)實驗的新穎性和信息量，加強實驗的思考性和啟發(fā)性，增加學(xué)生靈活操作儀器設(shè)備和動手動腦的機會，如速度壓力測量基礎(chǔ)實驗，包括五孔探針、動/靜態(tài)壓力傳感器以及線風(fēng)速儀的基本原理、校準(zhǔn)和使用方法，學(xué)生可以在基礎(chǔ)實驗中掌握各種測試技術(shù)和儀器使用。綜合性實驗是為學(xué)生設(shè)計好實驗方案和實驗?zāi)康?，讓學(xué)生通過完整的實驗題目訓(xùn)練，加深對葉輪機械理論的理解，掌握葉輪機械研究中主要的實驗技術(shù)，包括壓氣機的性能實驗、葉頂動態(tài)壓力實驗、進(jìn)氣畸變實驗以及平面葉柵的性能及流動實驗。設(shè)計性實驗則屬于開放性內(nèi)容，不限制題目，學(xué)生自行設(shè)計實驗?zāi)康暮头桨?，利用教學(xué)實驗平臺完成自己的題目，實現(xiàn)閉環(huán)訓(xùn)練。設(shè)計性實驗培養(yǎng)了學(xué)生全局統(tǒng)籌實驗的能力以及在實驗中學(xué)習(xí)，在實驗中研究和用理論知識解決問題的能力。設(shè)計性實驗的報告采用論文形式提交，培養(yǎng)學(xué)生的獨立科學(xué)思考、查閱文獻(xiàn)和科技寫作能力。學(xué)生通過設(shè)計性實驗，啟發(fā)創(chuàng)新意識，鍛煉綜合創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了初步科研能力。葉輪機械綜合實驗課程遞進(jìn)式實驗構(gòu)架如圖1所示。

（三）建設(shè)航空特色的專業(yè)教材

在高等教育活動中，教材建設(shè)是保證教育質(zhì)量的關(guān)鍵?！叭~輪機械綜合實驗”課程目前使用的是自編講義，主要以實驗指導(dǎo)書為主，缺乏理論提升。我們在學(xué)校規(guī)劃教材建設(shè)項目的資助下進(jìn)行了系統(tǒng)的葉輪機械氣動實驗技術(shù)的教材編寫，加入了葉輪機械測量的主要技術(shù)理論和先進(jìn)的測量技術(shù)內(nèi)容。圍繞本科教學(xué)改革對教材建設(shè)的需要，針對飛行器動力工程專業(yè)特點，在教材中還配合給出許多航空發(fā)動機用葉輪機械氣動實驗的設(shè)計案例，以及工程應(yīng)用案例使該教材具有突出的專業(yè)特色，同時也進(jìn)行了知識高度提升和廣度擴充。該教材不僅講技術(shù)而且要使學(xué)生通過教材學(xué)習(xí)，熟悉葉輪機械實驗研究中的工程思維。教材的編寫理念為理論與工程并行，結(jié)合注重基礎(chǔ)，加強實踐的學(xué)生培養(yǎng)原則，突出實踐教學(xué)在特色工科專業(yè)中的重要性。同時力求對學(xué)生創(chuàng)新性的培養(yǎng)，以豐富的實踐教學(xué)內(nèi)容和訓(xùn)練推動新一輪培養(yǎng)方案實施，促進(jìn)相關(guān)專業(yè)的綜合改革。

二、教學(xué)方法改革，提升實驗教學(xué)效果

（一）開設(shè)網(wǎng)絡(luò)大學(xué)堂

學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)不僅在課堂，更多的時間是在課外。因此，我們建設(shè)了葉輪機械綜合實驗課程的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，其中包含實驗課講義、授課錄像、多媒體課件以及儀器使用演示錄像等模塊。首先，學(xué)生可以在理論課和實驗課之間的空檔期先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，對實驗課所用儀器和所要進(jìn)行的實驗程序有所了解。這樣既不占用實驗課總課時，又能在實驗課上快速熟悉操作，展開實驗甚至還有充分的時間自由摸索實驗設(shè)計。另外，該網(wǎng)站也留有論壇模塊，學(xué)生可以在論壇進(jìn)行交流和疑難問題提交，教師每隔一段時間會登錄解答，方便總結(jié)學(xué)生遇到的共性問題，也為教師掌握教學(xué)進(jìn)度、衡量教學(xué)效果提供了有力依據(jù)。

（二）理論課和實驗課教學(xué)協(xié)同發(fā)展

針對葉輪機械原理和葉輪機械綜合實驗教學(xué)任務(wù)往往由不同的教師擔(dān)任，交流溝通不夠，導(dǎo)致理論課講授的知識在學(xué)生實驗過程中沒有對應(yīng)充分的體現(xiàn)。本課程教師在教學(xué)過程中與理論課教師經(jīng)常溝通交流，在實驗項目的更新上考慮了理論教學(xué)的知識重難點，通過直觀實驗幫助學(xué)生對理論知識加深理解。同時協(xié)調(diào)安排實驗與理論課的進(jìn)度，使得實驗課進(jìn)行能夠和理論課相關(guān)知識點講解有效銜接，圍繞某些知識點，如平面葉柵基本原理、多級壓氣機性能等，一堂理論緊跟一堂實驗，互為補充，互為完善，做到學(xué)生對知識的高效吸收。另外，在實驗課上對理論知識點對應(yīng)講解，加強理論與實踐的融會貫通。實驗課與理論課教師制定相鋪相成的課程群發(fā)展規(guī)劃，明確“學(xué)生為本”的教學(xué)目標(biāo)，并提出相應(yīng)的實施措施，穩(wěn)步做好課程建設(shè)工作。通過理論課教師與實驗課教師定期研討交流，雙方對學(xué)生的知識掌握情況都能有比較準(zhǔn)確的了解，教學(xué)工作得到了更好的開展。

（三）教授進(jìn)教學(xué)實驗室

目前葉輪機械實驗課都是以青年教師任課為主，但是由于葉輪機械類課程普遍都具有抽象、綜合、應(yīng)用強的特點，需要授課教師具有深厚的研究經(jīng)歷和經(jīng)驗，才能更好地講授葉輪機械知識。教師不僅要對課本知識熟悉，還要對葉輪機械有研究認(rèn)識，而這是大多數(shù)青年教師所欠缺的。針對這個問題我們在葉輪機械綜合實驗課中，邀請部分葉輪機械實驗研究方面的知名教授進(jìn)入課堂，切身講授如何進(jìn)行實驗研究以及自身研究經(jīng)驗，期間穿插航空葉輪機械氣動實驗的專題講座，介紹實驗研究的前沿問題，不僅讓學(xué)生感受到知名學(xué)者的魅力與風(fēng)采，還了解到實驗研究領(lǐng)域的最前沿發(fā)展。知名教授參與實驗課教學(xué)活動，以豐富的研究經(jīng)驗和對葉輪機械的深層理論認(rèn)識，給同學(xué)們帶來了極大的知識收獲，促進(jìn)了本科生培養(yǎng)質(zhì)量的提高，同時他們的教學(xué)經(jīng)歷和授課技巧也能幫助任課青年教師提高教學(xué)水平。

（四）構(gòu)建開放式創(chuàng)新實踐教學(xué)平臺

受本科培養(yǎng)計劃總學(xué)時限制，目前大多數(shù)實驗課程的課時都比較有限，一般為16學(xué)時，部分達(dá)到24學(xué)時。這就導(dǎo)致學(xué)生不能深入理解和運用所學(xué)的葉輪機械測試原理和特性知識，也不能滿足學(xué)生對自由創(chuàng)新實踐的需求。因此我們改變以往的教學(xué)方式，構(gòu)建開放式實驗教學(xué)來提高實驗教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。我們在課后加入創(chuàng)新實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，葉輪機械教學(xué)實驗室在計劃外實行預(yù)約開放，學(xué)生可以實驗小組（3-5人）進(jìn)行預(yù)約實驗臺，利用課外時間盡情地進(jìn)行拓展實驗，為學(xué)生開辟了“第二課堂”。同時，學(xué)生可以結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、科研訓(xùn)練、高峰計劃以及學(xué)科競賽等本科生實踐訓(xùn)練項目，在葉輪機械教學(xué)實驗室自主進(jìn)行實驗創(chuàng)新或者實驗研究活動。許多學(xué)生在開放實驗教學(xué)活動中取得的科研成果都成為了大學(xué)生挑戰(zhàn)杯、節(jié)能減排競賽等項目的參賽素材。開放性教學(xué)活動使該門實驗課程的開展已經(jīng)不局限在初級層次的動手能力培養(yǎng)，而是能延伸到創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新高度，給有潛力的學(xué)生提供更大的空間和平臺。

三、建立綜合創(chuàng)新的考核評價體系

合理的成績評定方式既是公平體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的付出，也是客觀評價教學(xué)質(zhì)量的指標(biāo)。一般的實驗課程考核成績主要由實驗報告和平時考勤決定，但是這種評價方式無法全面評價學(xué)生對實驗方法的掌握以及靈活運用的程度。另外從創(chuàng)新型實踐人才培養(yǎng)的角度看，學(xué)生在實踐過程的協(xié)作能力、創(chuàng)新能力通過這種成績結(jié)構(gòu)都無法體現(xiàn)，有實踐創(chuàng)新潛力學(xué)生的積極性不能激發(fā)出來，創(chuàng)新創(chuàng)造活動不能得到積極肯定。圍繞“給通才制定規(guī)則，給天才留出空間”的教學(xué)理念，結(jié)合該課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，葉輪機械綜合實驗課程設(shè)置了新的考核方式，以充分重視學(xué)生的協(xié)作創(chuàng)新能力水平，逐漸淡化和降低實驗報告評分權(quán)重。在新的考核方式總成績構(gòu)成中，平時考勤成績占比例為10%；實踐過程成績占比例30%，考核學(xué)生協(xié)作和靈活操作能力；創(chuàng)新能力，也就是學(xué)生參與開放性實驗活動部分所占成績比例為20%；實驗報告比重為40%，具體實驗課成績構(gòu)成比例如圖2所示。改革后的考核方式避免了部分學(xué)生在實驗過程搭車蒙混，在實驗后抄襲報告的現(xiàn)象，也鼓勵了能力較強的學(xué)生積極參加創(chuàng)新實驗，開發(fā)實踐思維能力，使實踐能力的培養(yǎng)不僅僅停留在課堂中。

四、結(jié)束語

“葉輪機械綜合實驗”課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及考核方式方面的改革探索，構(gòu)建專業(yè)特色教材，提出名師實驗教學(xué)、講座式教學(xué)等多種途徑，網(wǎng)絡(luò)大課堂先導(dǎo)學(xué)習(xí)、開放實驗結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等多樣化教學(xué)手段，建立了“立體化”教學(xué)模式，全面提高了學(xué)生參與實踐教學(xué)活動的積極性，較大地增強了實踐教學(xué)的效果，提升了實踐教學(xué)層次，突出了創(chuàng)新型實踐人才培養(yǎng)的目標(biāo)，實現(xiàn)了實踐教學(xué)與理論教學(xué)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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