強(qiáng)化應(yīng)用理念的“氣體動(dòng)力學(xué)”教學(xué)改革探索與實(shí)踐

孫振生　強(qiáng)洪夫　張智勇　張世英

【摘要】針對部隊(duì)對復(fù)合型、應(yīng)用型人才的需要，配合軍隊(duì)院校新一輪的教學(xué)改革，就如何在“氣體動(dòng)力學(xué)”課程中強(qiáng)化應(yīng)用理念從調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、錘煉教學(xué)團(tuán)隊(duì)、改革教學(xué)模式、創(chuàng)新考核方法等方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐，對提高“氣體動(dòng)力學(xué)”的教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮了很好的作用。

【關(guān)鍵詞】氣體動(dòng)力學(xué) 應(yīng)用理念 教學(xué)改革

【中圖分類號】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）19-0234-02

一、引言

“氣體動(dòng)力學(xué)”是流體力學(xué)的一個(gè)重要分支，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，氣體動(dòng)力學(xué)在航天、航空、兵器、環(huán)境、氣象等領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。特別是在航空航天和流體機(jī)械領(lǐng)域，如吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及現(xiàn)在各國競相研究的高超聲速飛行器等的研制與發(fā)展，對具有寬廣而深厚的氣體動(dòng)力學(xué)知識的人才均具有迫切的需求。

根據(jù)本校新版的人才培養(yǎng)方案，“氣體動(dòng)力學(xué)”是相關(guān)專業(yè)本科三年級學(xué)員開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)類必修課程。課程的培養(yǎng)目標(biāo)是讓學(xué)員理解氣體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展歷程和研究方法，掌握氣體動(dòng)力學(xué)的基本概念、基本組成等基礎(chǔ)知識，了解氣體動(dòng)力學(xué)在相關(guān)裝備設(shè)計(jì)、研制中的作用，為后續(xù)專業(yè)課的打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，注重強(qiáng)化學(xué)員的應(yīng)用意識，注重理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)員利用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力，能夠在思維能力、情感態(tài)度與價(jià)值觀等方面得到鍛煉和提高，為部隊(duì)相關(guān)裝備的技術(shù)保障和發(fā)展建設(shè)培養(yǎng)“技指合一”的復(fù)合型人才。

從人才培養(yǎng)目標(biāo)可以看出，在新軍事變革和武器裝備跨越式發(fā)展對復(fù)合型人才需求的大背景下，新版人才培養(yǎng)方案更為注重應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，更加注重培養(yǎng)學(xué)員的綜合運(yùn)用知識分析問題和解決問題的能力。對學(xué)員而言，這門課程處于從基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)到專業(yè)課學(xué)習(xí)的過渡階段，課程的教學(xué)既要保證學(xué)員掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識，又要考慮與后續(xù)專業(yè)課程的銜接，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)做好鋪墊，進(jìn)而能夠分析解決第一任職需要掌握的專業(yè)技術(shù)問題。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過幾年的探索和時(shí)間，從授課內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)團(tuán)隊(duì)的錘煉、教學(xué)模式的改革、考核方式的創(chuàng)新幾個(gè)方面對課程教學(xué)進(jìn)行了全面的改革，有力的促進(jìn)了理論授課與綜合素質(zhì)培養(yǎng)的結(jié)合，取得了很好的教學(xué)效果。

二、強(qiáng)化應(yīng)用理念，注重教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

“氣體動(dòng)力學(xué)”的一個(gè)重要特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，概念抽象，描述氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微分方程非常復(fù)雜，有關(guān)公式和結(jié)論的推導(dǎo)過程冗長繁雜，且對學(xué)員的數(shù)學(xué)知識要求較高。傳統(tǒng)的“氣體動(dòng)力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)過分強(qiáng)調(diào)公式的推導(dǎo)，大量的板書推導(dǎo)不僅占用了相當(dāng)多的課堂時(shí)間，而且容易使學(xué)生感到枯燥乏味，甚至產(chǎn)生厭學(xué)情緒，使得教學(xué)難以達(dá)到預(yù)期的效果。筆者認(rèn)為，“氣體動(dòng)力學(xué)”是一門來源于工程實(shí)際的課程，對工科的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)這門課程更重要的目的是將所學(xué)的知識應(yīng)用到實(shí)踐中去。因此，課堂內(nèi)容的講解重點(diǎn)應(yīng)放在分析問題的思路和方法，講清基本概念，強(qiáng)調(diào)公式背后的物理意義及其適用范圍，而淡化大量繁雜的數(shù)學(xué)變換。這樣既可以節(jié)約大量的課堂時(shí)間用來突出教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)，也可以使課堂氣氛變得輕松活潑。在這種理念的指引下，結(jié)合課時(shí)壓縮的實(shí)際，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)首先根據(jù)本專業(yè)的需要對教材中的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了有針對性的優(yōu)化，壓縮了不可壓縮流體方面的內(nèi)容，將重點(diǎn)放在可壓縮流體特別是超聲速流體的特有現(xiàn)象，并根據(jù)后續(xù)學(xué)習(xí)“發(fā)動(dòng)機(jī)原理”的要求，重點(diǎn)講述可壓縮流體的管道流動(dòng)。在具體內(nèi)容的講解過程中，采用“問題導(dǎo)引式”，力圖做到“概念準(zhǔn)確、原理深入、推導(dǎo)簡化、學(xué)以致用”。如在講解激波概念時(shí)，可以通過飛機(jī)發(fā)展過程中出現(xiàn)的“音障”問題引入；在講解激波的反射與相交時(shí)，可以通過火箭發(fā)射時(shí)“糖葫蘆”狀的尾焰形狀引入；在講解卡門渦街的概念時(shí)，可以通過風(fēng)吹過電線或樹枝發(fā)出的“嗚嗚”響聲引入等。這種問題導(dǎo)引式的方法不僅強(qiáng)化了教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用理念，還可以使學(xué)員理解氣體動(dòng)力學(xué)不是空洞的理論，而是與生活緊密相連，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的興趣和自信心。

三、依托科研優(yōu)勢，提高授課隊(duì)伍水平

教學(xué)與科研是相輔相成，互為一體的，教學(xué)是科研的“隱形動(dòng)力”，而科研是教學(xué)的“源頭活水”。如果沒有科研的支撐，教學(xué)必然不深不透。若要對教學(xué)內(nèi)容把握準(zhǔn)確，講解深入淺出，必須要求教師在相關(guān)領(lǐng)域有較為深入的研究。

本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)長期從事飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究和技術(shù)開發(fā)，承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金、航空基金、陜西省自然科學(xué)研究計(jì)劃、軍隊(duì)預(yù)研和軍隊(duì)科研等多項(xiàng)研究課題。這些課題既有空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論研究，也有相關(guān)理論在具體裝備中的應(yīng)用研究，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在這些課題的研究過程中，把基礎(chǔ)的氣體動(dòng)力學(xué)背景知識同裝備研制和使用進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，既鍛煉了教學(xué)團(tuán)隊(duì)對基礎(chǔ)知識的理解和掌控能力，又形成了大量來源于工程實(shí)際的教學(xué)素材，為教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)和教學(xué)內(nèi)容的改革提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)所在的實(shí)驗(yàn)室既擁有可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的小型風(fēng)洞、煙風(fēng)洞、測力裝置等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還擁有如熱線風(fēng)速儀、計(jì)算平臺以及Fluent等CFD計(jì)算軟件，這些軟硬件為錘煉教學(xué)團(tuán)隊(duì)提供了良好的平臺。此外，我們還組織團(tuán)隊(duì)人員參加學(xué)術(shù)會(huì)議和教育教學(xué)研討會(huì)，并定期邀請校內(nèi)外的專家做專題講座或?qū)W術(shù)報(bào)告。對新進(jìn)入團(tuán)隊(duì)的青年教員安排專人幫帶，采用隨堂聽課、集體備課、組內(nèi)研討等方式幫助他們成長。力爭經(jīng)過3-5年的努力，建立一支年齡結(jié)構(gòu)合理、科研能力強(qiáng)、教學(xué)水平高、既具有理論知識又具備工程經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

四、改革教學(xué)模式，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是氣體動(dòng)力學(xué)教學(xué)一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不但可以增強(qiáng)學(xué)員的感性認(rèn)識，鞏固學(xué)習(xí)的理論知識，還可以通過實(shí)驗(yàn)的操作，鍛煉學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力，掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能。此外，實(shí)驗(yàn)知識的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫這一全流程的工作可以看作是一個(gè)解決工程實(shí)際工程問題的過程，是應(yīng)用理念的具體體現(xiàn)。

在以往的教學(xué)過程中，由于課時(shí)總數(shù)的限制和對實(shí)驗(yàn)重視程度的不夠，實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)數(shù)被大量壓縮，甚至出現(xiàn)理論課占用實(shí)驗(yàn)課的情況。同時(shí)，受實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，學(xué)員分組每組人數(shù)較多，組員之間容易產(chǎn)生相互依賴現(xiàn)象。為此，在新版人才培養(yǎng)方案的論證過程中，進(jìn)一步增加了實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)，并加大了實(shí)驗(yàn)課成績在最終成績中的比重。同時(shí)，利用“2110建設(shè)”、“科研條件建設(shè)”等專項(xiàng)資金，淘汰了一批陳舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增加了新型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量，將實(shí)驗(yàn)小組人員的數(shù)量降至3人以下。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同，確定組員之間明確的分工，在發(fā)揮學(xué)員主觀能動(dòng)性的同時(shí)，重視團(tuán)結(jié)合作精神的培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)室場地開闊，學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過程中自由行動(dòng)，相互配合，可以更好地完成實(shí)驗(yàn)。但也給管理和安全帶來一定的隱患，學(xué)生由于走動(dòng)頻繁，容易造成實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，甚至造成人身安全事故。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)軍校學(xué)員的特點(diǎn)，提出了“戰(zhàn)位”教學(xué)方法。即在實(shí)驗(yàn)的過程中，嚴(yán)格按照部隊(duì)訓(xùn)練的方式將學(xué)員劃分成各個(gè)號位，將實(shí)驗(yàn)流程分解、細(xì)化，每個(gè)人按照實(shí)驗(yàn)流程有秩序的完成自己的實(shí)驗(yàn)操作。這種方法不但可以有效地避免儀器的損害和安全事故的發(fā)生，還給學(xué)員提供了一個(gè)貼近部隊(duì)實(shí)際的訓(xùn)練場景，對學(xué)員第一任職能力的培養(yǎng)和部隊(duì)工作模式的適應(yīng)具有積極的意義。從實(shí)際效果來看，這種培養(yǎng)模式不但能使學(xué)員短時(shí)間內(nèi)規(guī)范地掌握實(shí)驗(yàn)的操作步驟、過程，提高了學(xué)員的動(dòng)手能力，還為學(xué)員的部隊(duì)任職打下了良好的基礎(chǔ)。

此外，為進(jìn)一步強(qiáng)化應(yīng)用理念，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同，將實(shí)驗(yàn)分為演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等多種類型，并鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)員依據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件開發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以滿足不同類型學(xué)員的需求。

五、創(chuàng)新考核方法，注重知識綜合運(yùn)用

教學(xué)離不開考試，考試是反映學(xué)員學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)效果的重要手段。關(guān)鍵采用何種方式進(jìn)行考試考核，才能更好地反映學(xué)員對知識的掌握能力和運(yùn)用程度是一個(gè)需要研究的課題。傳統(tǒng)的“氣體動(dòng)力學(xué)”考試一般采用閉卷形式，主要考察學(xué)員對基礎(chǔ)知識的掌握程度，難以反映學(xué)員運(yùn)用基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題的能力。

為了強(qiáng)化應(yīng)用理念，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)將考核方式修改為閉卷+開卷模式，閉卷主要考察學(xué)員對基本知識的掌握能力，題型以選擇、判斷、填空、簡答形式為主；開卷考試主要考核學(xué)員運(yùn)用知識分析問題、解決問題的能力，題型以計(jì)算、分析和論述為主，開卷考試允許學(xué)員查閱教材、學(xué)術(shù)論文等資源，二者分值各占考試總分值的50%。此外，為了強(qiáng)化學(xué)員的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰推綍r(shí)表現(xiàn)，將最終成績的評定分為考試成績+實(shí)驗(yàn)成績+平時(shí)作業(yè)成績?nèi)糠?，?quán)重的分配分別為60%、30%和10%。若學(xué)員能對某一問題有較為深入的研究，鼓勵(lì)學(xué)員以學(xué)術(shù)論文或者報(bào)告的形式呈現(xiàn)，教員根據(jù)論文的質(zhì)量給予一定程度的額外加分。為充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的積極性，在第一次上課時(shí)將考核方式和評定方法宣布。

該方法經(jīng)過近十年的完善和發(fā)展，取得了較好的效果，較為有效地避免了學(xué)員考前“臨陣磨槍”式的死記硬背現(xiàn)象，較為真實(shí)地考察了學(xué)員對知識的掌握情況?？傊?，考試不是目的，僅是手段，如何能通過考核進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)員學(xué)習(xí)積極性和對知識的掌握運(yùn)用能力也是一個(gè)需要繼續(xù)研究的課題。

六、結(jié)語

作為本專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，“氣體動(dòng)力學(xué)”既有深入的理論，又能結(jié)合實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)員綜合運(yùn)用知識的能力。在培養(yǎng)復(fù)合型、應(yīng)用型人才的教學(xué)改革和教學(xué)實(shí)踐中，筆者就如何在“氣體動(dòng)力學(xué)”的教學(xué)過程中強(qiáng)化應(yīng)用理念從教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、錘煉教學(xué)隊(duì)伍、改革教學(xué)模式、創(chuàng)新考核方式做了一些探討和實(shí)踐。教學(xué)改革是一個(gè)永恒的話題，如何能在將來的教學(xué)中結(jié)合部隊(duì)對人才的需要進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量仍是一個(gè)亟需研究的課題。

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作者簡介：

孫振生（1982-），男，漢族，山東泰安人，博士，副教授，研究方向：計(jì)算流體力學(xué)和湍流的數(shù)值模擬。