航空宇航推進專業(yè)教學(xué)體系改革與實踐

摘要：為了滿足在綜合性大學(xué)開設(shè)航空航天專業(yè)培養(yǎng)具有工程經(jīng)驗的創(chuàng)新型人才任務(wù)，對上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院航空宇航推進本科專業(yè)核心課程體系進行了教學(xué)改革探索。在“三位一體”教學(xué)理念指導(dǎo)下，提出了航空宇航推進專業(yè)本科課程改革思路，改革了教學(xué)體系，并經(jīng)過優(yōu)質(zhì)教材編制、課程實驗、課程實訓(xùn)、項目設(shè)計大作業(yè)、課堂專題講座和課堂教學(xué)組織共六個環(huán)節(jié)的教學(xué)改革，貫穿于推進專業(yè)課程的全部教學(xué)實踐過程，促使學(xué)生進行主動性學(xué)習，鍛煉了學(xué)生的思維力、生成力和表達力，人才能力培養(yǎng)的效果顯著，航空宇航推進本科專業(yè)課程的教學(xué)改革與實踐取得了良好的成績。

關(guān)鍵詞：航空宇航推進；人才能力培養(yǎng)；教學(xué)改革；工程教育

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0113-04

航空航天產(chǎn)業(yè)是國家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，體現(xiàn)了一個國家科技、工業(yè)、經(jīng)濟等的發(fā)展水平與綜合實力，對科學(xué)技術(shù)進步和國民經(jīng)濟發(fā)展具有重大的意義。目前國家正在施行的航空發(fā)動機和燃氣輪機“兩機”科技重大專項，對“航空宇航推進理論與工程”學(xué)科的高水平人才培養(yǎng)提出了迫切要求。我國專門的航空院校少，目前已經(jīng)無法滿足大量的高水平航空航天人才培養(yǎng)任務(wù)，綜合性大學(xué)開設(shè)航空航天專業(yè)并加強人才培養(yǎng)勢在必行。我國高等工程教育歷史上承襲了前蘇聯(lián)的高等教育模式，注重專業(yè)教育而忽視個性、多學(xué)科交叉和創(chuàng)造力的培養(yǎng)，已不能適應(yīng)全球人才競爭，與當前構(gòu)建創(chuàng)新型國家的人才知識結(jié)構(gòu)需求也有較大差距[1]。我國部署航空院?！昂娇沼詈酵七M理論與工程”學(xué)科的培養(yǎng)方案中專業(yè)分工細、課程多，綜合性大學(xué)與之不同，比如上海交通大學(xué)，其對于通識課程設(shè)置較多，而對專業(yè)課則要求相對少而精，這樣綜合性大學(xué)在開設(shè)“航空宇航推進理論與工程”學(xué)科的專業(yè)課程時，就沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可供借鑒，必須進行教學(xué)改革的探索。

一、教學(xué)理念與教學(xué)改革思路

教學(xué)改革的探索建立在先進的教學(xué)理念之上。首先來理解一下關(guān)于教育的定義。聯(lián)合國教科文組織制訂的1997年版《國際教育標準分類法》（ISCED）[2]中指出：教育是導(dǎo)致學(xué)習的、有組織的和持續(xù)的交流。由此定義可以看出，現(xiàn)代教育已經(jīng)不再局限于過去單一的傳授知識，而是要通過靈活多樣的教學(xué)方式，解放人的潛在能力，挖掘人的創(chuàng)造能力，促進人的全面發(fā)展。在對傳統(tǒng)教學(xué)方法改革的過程中，涌現(xiàn)出了各種各樣的新教學(xué)方法[3]。上海交通大學(xué)在建設(shè)世界一流大學(xué)的進程中，在基礎(chǔ)、工程學(xué)科的拔尖人才培養(yǎng)上都進行了積極的探索，形成了“知識探究為基礎(chǔ)、能力建設(shè)為核心、人格養(yǎng)成為根本”的“三位一體”教學(xué)理念[4-5]。本文將在此教學(xué)理念的指導(dǎo)下，對航空航天專業(yè)必修課和專業(yè)核心課程“推進原理”進行教學(xué)改革，致力于學(xué)生學(xué)習能力包括思維力、生成力和表達力的培養(yǎng)，爭取達到教育即解放、教師即開發(fā)、學(xué)生即創(chuàng)造、教室即成長的效果。通過對同樣是綜合性大學(xué)的歐美一流大學(xué)航空航天工程專業(yè)的深入調(diào)研，確定了上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院航空宇航推進專業(yè)的課程體系，循序漸進地安排了五門專業(yè)核心課，包括“工程熱力學(xué)（D類）”、“空氣動力學(xué)Ⅰ”、“空氣動力學(xué)Ⅱ”、“傳熱學(xué)”和“推進原理”，最后進行“專業(yè)課程設(shè)計”。“推進原理”作為課程鏈中最重要的一環(huán)，是一門難度大、綜合性高的課程，也是一門需要理論知識與工程實踐相結(jié)合的課程，對于教改最為迫切，為此本文將以“推進原理”的教改為例來論述?！巴七M原理”要求學(xué)生掌握航空燃氣輪機與火箭發(fā)動機的基本原理、結(jié)構(gòu)及其基本設(shè)計能力，并在此基礎(chǔ)上，了解近期已采用和今后即將采用的航空燃氣輪機及火箭發(fā)動機的設(shè)計新技術(shù)與發(fā)展趨勢。可以看出，在有限學(xué)時的情況下要達到如此高標準的教學(xué)目標，必須在“三位一體”教學(xué)理念的指導(dǎo)下，把推進原理的知識探究作為基礎(chǔ)，分析解決科研問題的能力建設(shè)作為核心，這個過程中的嚴謹求實和探究的人格養(yǎng)成作為根本。為此，教學(xué)改革內(nèi)容上在分析解決科研問題的能力和嚴謹求實和探究的人格養(yǎng)成方面需做一些側(cè)重。強化學(xué)科前沿和突出工程實踐兩條主線，重新設(shè)計“推進原理”課程培養(yǎng)體系，合理優(yōu)化設(shè)置課程內(nèi)容，編制優(yōu)質(zhì)教材，大力加強項目設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計的項目要緊貼工程背景和時代背景，這樣才能培養(yǎng)出具有知識結(jié)構(gòu)合理、實戰(zhàn)能力強、視野開闊并具有“領(lǐng)軍人才潛質(zhì)”的航空航天專業(yè)高端人才，滿足國家對航空航天專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新人才的需求。

二、教學(xué)體系改革

根據(jù)“推進原理”課程改革的思路，設(shè)計了理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合的“推進原理”教學(xué)體系，見圖1。按照課程的核心內(nèi)容以及能力建設(shè)規(guī)律，教學(xué)體系采用模塊化設(shè)置，分為了三個層面，分別為：基礎(chǔ)層、提高層和創(chuàng)新層。基礎(chǔ)層包含課程的核心內(nèi)容，分為九個模塊，分別為氣動熱力學(xué)基礎(chǔ)、基本工作原理、葉片機原理、燃燒室原理、氣動熱力計算、總體與部件結(jié)構(gòu)、共同工作與控制規(guī)律、發(fā)動機特性、新技術(shù)與新進展，著眼于基本知識的掌握。提高層包含三個實踐項目，分別為平面葉柵流場測試實驗、微型發(fā)動機性能測試實驗以及發(fā)動機分解實訓(xùn)，實施專業(yè)特色培養(yǎng)，是對學(xué)生進行工程能力培養(yǎng)的主體。創(chuàng)新層包含兩個模塊，分別為項目設(shè)計大作業(yè)與課堂專題講座，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合實戰(zhàn)能力與創(chuàng)新能力。

三、教學(xué)實踐

“推進原理”課程工程性強，學(xué)生的“做中學(xué)”必須放在非常重要的地位。根據(jù)“推進原理”的教學(xué)體系設(shè)計，開展了如下的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。

1.優(yōu)質(zhì)教材編制。一本優(yōu)質(zhì)教材對于課程的重要性不言而喻。“推進原理”圍繞航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機兩條主線，課程內(nèi)容多。為了保證課程的基礎(chǔ)層扎實、深入，就必須精煉教材內(nèi)容，找出推進通用的原理和方法，有所側(cè)重，以點帶面組織好，在內(nèi)容廣泛的基礎(chǔ)上要具有一定的深度。國內(nèi)缺乏符合此要求的教材，缺乏系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容方面的模塊。為此借鑒了大量國際一流大學(xué)的原版教材，包括美國麻省理工大學(xué)教材《Aircraft Engine and Gas Turbine》，美國堪薩斯大學(xué)等多所大學(xué)航空機械專業(yè)所采用的教材《Aircraft Propulsion》，AIAA教育系列教材《Elements of Propulsion：Gas Turbines and Rockets》、《Aircraft Engine Design》，Rolls-Royce公司出版的《The Jet Engine》，劍橋大學(xué)教材《Compressor Aerodynamics》，以及原版名著中譯本教材《火箭發(fā)動機基礎(chǔ)》。在對這些教材深入研究的基礎(chǔ)上，形成了教材的框架內(nèi)容，并提煉出了發(fā)動機總體性能方案設(shè)計、部件設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計三個模塊的內(nèi)容。在六年多講義教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，編制出版了554千字圖文并茂的本科生教材《推進原理與設(shè)計》。編寫特色主要有三項，一是針對非航空航天院校的重點綜合性大學(xué)中航空航天工程本科專業(yè)而編寫，強化基礎(chǔ)，拓寬知識面，并確定了重點內(nèi)容為航空發(fā)動機壓氣機部件原理（著眼于航空發(fā)動機是靠旋轉(zhuǎn)葉片做功的特點），航空發(fā)動機部件共同工作、控制規(guī)律以及特性（這是航空發(fā)動機原理的重點和難點），在內(nèi)容上突出重點。二是突出設(shè)計特點，注重航空發(fā)動機設(shè)計方法的講解和實例演練；在掌握推進原理基本知識的基礎(chǔ)上，增加了發(fā)動機總體性能方案，總體和部件結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，以及壓氣機、渦輪、燃燒室三大部件的設(shè)計內(nèi)容，既有設(shè)計要求和設(shè)計流程方面的介紹，又有原理和設(shè)計相結(jié)合的實例演練，不僅加深了對發(fā)動機原理的理解，而且了解了航空發(fā)動機的設(shè)計工作，更增強了分析解決科研問題的實戰(zhàn)能力。三是民機特色，在國家大飛機立項之際，我國的航空行業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，為此書中側(cè)重于大涵道比渦輪風扇發(fā)動機（主要應(yīng)用于大型客機），并著重講解了其總體性能、結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計等多方面的內(nèi)容[6]。

2.課程實驗。課程實驗是課程中的實驗教學(xué)，著力培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、操作能力和理論聯(lián)系實際的能力。“推進原理”課程包含兩個實驗，分別是平面葉柵流場測試實驗和微型發(fā)動機性能測試實驗，下面分別介紹。（1）平面葉柵流場測試實驗。平面葉柵流場測試實驗內(nèi)容要求對給定的實驗平面葉柵速度場云圖和矢量圖進行分析，描述實驗平面葉柵的流場結(jié)構(gòu)特征；分析攻角變化對平面葉柵氣動性能的影響，給出其規(guī)律。實驗過程中要熟悉平面葉柵實驗設(shè)備、先進PIV測試系統(tǒng)和實驗方法，了解平面葉柵實驗在壓氣機氣動設(shè)計中的作用和地位，提高親自動手和組織試驗程序的能力，培養(yǎng)認真書寫實驗報告的科學(xué)作風。（2）微型發(fā)動機性能測試實驗。性能測試實驗用的微型發(fā)動機是從英國Armfield公司購進的ArmfieldCM14燃氣渦輪發(fā)動機，該設(shè)備是專為高校學(xué)生全面了解燃氣渦輪發(fā)動機而設(shè)計的，自包含小尺寸燃氣渦輪發(fā)動機演示系統(tǒng)，其設(shè)計的目的是展示航空燃氣渦輪發(fā)動機的原理和特點。在發(fā)動機的每級中配備有溫度和壓力傳感器，可對通過一個噴嘴產(chǎn)生推力的燃氣渦輪發(fā)動機進行完整的理論分析。該設(shè)備主要由兩大模塊集成，分別是發(fā)動機模塊組裝和電子控制臺，再加上一個單獨的油箱。學(xué)生通過這個完整的發(fā)動機性能測試實驗，可以得到多方面的訓(xùn)練，包括發(fā)動機的開機、關(guān)機以及數(shù)據(jù)記錄，推力估計，繪制焓熵圖，計算發(fā)動機的效率，從而達到全面掌握發(fā)動機工作原理和性能計算的目的。

3.課程實訓(xùn)?！巴七M原理”課程實訓(xùn)是進行航空發(fā)動機的分解實訓(xùn)，這是以“做中學(xué)”的方式對學(xué)生進行專題技能訓(xùn)練，意在培養(yǎng)學(xué)生的動手動腦能力，以及獨立分析問題并解決問題的能力。進行分解實訓(xùn)的航空發(fā)動機選用CFM國際公司生產(chǎn)的CFM56發(fā)動機，在上海交大航空發(fā)動機研究院技術(shù)有限公司的實訓(xùn)基地進行。CFM56發(fā)動機是目前世界上生產(chǎn)最多的航空發(fā)動機，結(jié)構(gòu)成熟，性能優(yōu)良。CFM56發(fā)動機由單級風扇加三級增壓壓氣機（或稱低壓壓氣機）、九級高壓壓氣機、短環(huán)形燃燒室、單級高壓渦輪與四級低壓渦輪組成，總體結(jié)構(gòu)緊湊，采用單元體設(shè)計，共分為十七個大的單元體。學(xué)生按照實訓(xùn)大綱的要求，分成獨立的小組，分別完成不同的分解實訓(xùn)任務(wù)，最終提交實訓(xùn)心得和結(jié)構(gòu)分析報告。

4.項目設(shè)計大作業(yè)。項目設(shè)計大作業(yè)屬于創(chuàng)新層的教學(xué)任務(wù)，同樣是采用以項目牽動的“做中學(xué)”教學(xué)模式，通過團隊合作以實現(xiàn)階段教學(xué)目標?！巴七M原理”課程實驗包含三個項目設(shè)計大作業(yè)，分別敘述如下。（1）發(fā)動機總體性能方案設(shè)計，采用自編軟件，進行變比熱計算，選取對大型客機渦扇發(fā)動機性能影響較大的幾個主要循環(huán)參數(shù)——涵道比、風扇外涵增壓比、總增壓比、渦輪前總溫，設(shè)計出多種參數(shù)方案，計算設(shè)計點性能參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，確定較佳的熱力循環(huán)參數(shù)組合，即耗油率較低、推力較大的一組或兩組熱力循環(huán)參數(shù)；畫出熱力循環(huán)參數(shù)組合圖形，分析不同比熱計算模型的各自精度；分析涵道比、風扇外涵增壓比、總增壓比、渦輪前總溫對耗油率、推力的影響。最終采用三維繪圖軟件，完成發(fā)動機流路剖面圖設(shè)計。（2）發(fā)動機總體和部件結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，對學(xué)生分組，每組各選擇一種典型型號的發(fā)動機，給出該型號發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)方案和部件結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，完成報告，并畫出總體結(jié)構(gòu)方案圖。（3）壓氣機氣動設(shè)計，給定設(shè)計點參數(shù)，要求設(shè)計一臺軸流壓氣機，給出設(shè)計報告。報告內(nèi)容包括：計算過程、程序、數(shù)據(jù)，以及葉片和流道的三維實體圖，并回答方案篩選過程中的一些問題。這三個大作業(yè)都需要學(xué)會文獻檢索，自行查閱國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫，學(xué)會進行方案篩選和設(shè)計，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

5.課堂專題講座。在進行發(fā)動機新技術(shù)與新進展教學(xué)模塊時，安排一次課堂專題講座。針對已經(jīng)完成的發(fā)動機原理教學(xué)任務(wù)，讓每個學(xué)生選取各自感興趣的知識點，查閱近五年的文獻，其中至少包含一篇英文文獻，在課堂每人進行ppt匯報，鍛煉學(xué)習文獻和演講報告、努力發(fā)現(xiàn)與思考問題的能力。

6.課堂教學(xué)組織。上述教學(xué)實踐建立在良好的課堂教學(xué)基礎(chǔ)上。課堂教學(xué)組織，首先要設(shè)計好引導(dǎo)的問題、知識的銜接和板書內(nèi)容等；在有限的課時里，把涉及內(nèi)容繁多的“推進原理”課程通過模塊化、系統(tǒng)化、深入化的教案組織，精煉教學(xué)內(nèi)容；并且所有講課模塊中關(guān)于其科技前沿的新技術(shù)和發(fā)展趨勢都融入其中；掃清學(xué)生們在學(xué)習“推進原理”時關(guān)于相關(guān)基礎(chǔ)課程遺忘和模糊不清的一些障礙，這樣讓學(xué)生無障礙地開始“推進原理”的學(xué)習；采取多種教學(xué)方式相結(jié)合：以理論、原理講授為主，采用互動式教學(xué)，要求學(xué)生課前必須預(yù)習，每節(jié)課首先隨機提問預(yù)習情況，然后以問題為先導(dǎo)，通過課堂討論、“專題式”教學(xué)等方式來講授知識；對于興趣濃厚、學(xué)有余力的學(xué)生增加課外自學(xué)閱讀要求；采用理論實踐相結(jié)合的方式進行，在授課中增加葉片等零件的實物教學(xué)，課后安排多個視頻演示觀看等，以此來增進學(xué)生的感性認識。關(guān)于人格養(yǎng)成方面，課堂教學(xué)時側(cè)重了一些典型的分析解決科研問題的實例，以探究嚴謹求實的人格養(yǎng)成。

上述六個環(huán)節(jié)貫穿于整個“推進原理”課程的教學(xué)實踐過程，促使學(xué)生進行主動性學(xué)習，鍛煉學(xué)生的思維力、生成力和表達力，以達到融會貫通的學(xué)習效果。

四、結(jié)論

以“推進原理”課程為代表的航空宇航推進專業(yè)教學(xué)改革應(yīng)用于上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院本科生的培養(yǎng)。課程負責人具備了專業(yè)課程較深厚的理論系統(tǒng)知識和一定的工程實踐經(jīng)驗，具有積極的教學(xué)熱情和投入，經(jīng)過了6年多的課程教學(xué)改革與實踐，創(chuàng)新了教學(xué)方法，并加強師生交流、討論與互動，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習的能力，在課程的教學(xué)理念、教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)團隊和教材建設(shè)等方面都有所探索和創(chuàng)新，提高了教學(xué)水平和教育質(zhì)量，實現(xiàn)了航空航天專業(yè)人才培養(yǎng)目標，產(chǎn)生了明顯的教育教學(xué)效果，學(xué)生評教優(yōu)秀，主講教師多次榮獲上海交通大學(xué)優(yōu)秀教師獎。航空宇航推進專業(yè)教學(xué)改革與實踐在上海交通大學(xué)的本科生教學(xué)中起到了模范示范作用。2012年，“推進原理”平面葉柵流場測試實驗獲得了上海交通大學(xué)本科生特色實驗獎。2013年，“推進原理”獲得了上海交通大學(xué)985“優(yōu)質(zhì)中文課程”獎。“空氣動力學(xué)Ⅱ”獲上海高校示范性全英文教學(xué)課程稱號。2015年，“推進原理”獲得了上海市教委本科重點課程建設(shè)項目立項。2015年出版的教材《推進原理與設(shè)計》，入選“十二五”國家重點圖書規(guī)劃項目，并列入2015年度“上海高校服務(wù)國家重大戰(zhàn)略出版工程”項目，該教材已經(jīng)經(jīng)歷了一輪完整的課堂教學(xué)任務(wù)，效果良好。2016年，航空宇航推進系列課程教學(xué)改革與實踐獲得了上海交通大學(xué)教學(xué)成果獎二等獎。

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