航空發(fā)動機沖擊動力學新生研討課實驗教學改革研究

羅剛 趙振華 劉璐璐 陳　偉 周標

[摘 要] 在航空發(fā)動機結構沖擊動力學新生研討課中設計了冰撞擊和外物損傷模擬實驗教學環(huán)節(jié)，通過設備技術安全改造、實驗方案優(yōu)化、實驗大綱編寫、分組實驗觀察等教學手段，將課堂理論教學與實踐教學有機結合，加深學生對結構沖擊學問題的認識。通過對學生進行問卷調查，對實驗教學在新生研討課中的教學效果進行了總結與分析。結果表明，在新生研討課中開展實驗教學，有助于學生快速深入地掌握課堂教學理論知識，調動學生參與教學活動的積極性，提高學生動手能力，推動學生理解航空特色，對學生規(guī)劃未來專業(yè)方向起到了較好的輔助作用。

[關鍵詞] 航空發(fā)動機;沖擊動力學;新生研討課;實驗教學

引言

研討式教學起源于18世紀的德國，并在19世紀成為德國大學普遍的教學方式[1]。研討式教學的特點主要包括有利于學習者向研究者角色轉換，有利于培養(yǎng)學生的分析能力，啟發(fā)學生批判精神，促使學生重視開拓創(chuàng)新，同時也倒逼課程學習與教師科研緊密結合[2]。在新工科背景下，研討式教學對提升課堂教學效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的學生具有重要意義。目前，國內已有很多大學和研究者對研討式教學開展了有益的探索與實踐。徐冬梅[3]借助新生研討課探索了以素質教育為先導的混合教學模式;鄒鋒[4]依據(jù)英國高校的經(jīng)驗，實踐了主體設計、文獻查找、小組研討與講評等研討教學方式;劉長青[5]組建了國際化的教學團隊，開展了充分的探討和辯論教學;周金堂[6]創(chuàng)建了新生研討課的“學習共同體”，促進了教學相長;張進[7]通過組織開設多門新生研討課，批量實踐了轉變本科新生學習模式的教學改革工作;李敏[8]，黃向陽[9]，鄧輝[10]等均通過具體課程的研討實踐，探索了適用于工科專業(yè)的研討教學方式。

從前人的實踐中可以發(fā)現(xiàn)，新生研討課教學方式也遇到了一定的瓶頸，主要體現(xiàn)在研討過程越來越容易進入程式化進程，即教師講授背景，學生查詢文獻與匯報，教師點評。程式化的教學模式容易導致所講授知識更新速度減緩，課堂討論教學效果不易協(xié)助學生快速形成基本科學概念等弊端，有必要對新生研討課的總體教學方式進行改革與創(chuàng)新。

本文針對南京航空航天大學開設的新生研討課航空發(fā)動機結構沖擊動力學若干問題，在研討課中引入了實踐動手環(huán)節(jié)，形成了教師理論講授—學生文獻查詢—學生匯報—教師點評—實驗室分組實踐—學生總結的教學流程，收到了良好的教學效果。

一、課程改革背景

航空發(fā)動機結構沖擊動力學若干問題是南京航空航天大學針對本科一年級新生開設的新生研討課，其目的在于培養(yǎng)學生樹立和掌握航空發(fā)動機結構沖擊動力學的基本概念、研究背景、研究方法和未來發(fā)展趨勢，具有濃郁的航空特色。該課程從2017年起開設，在教育實踐過程中，課程組發(fā)現(xiàn)新生研討課教學中面臨著認知與實踐水平難以有效提高、教學方式發(fā)展與改革不易推動等。為推動上述問題的解決，進一步提升教學效果，課程組在新生研討課中增設了學生動手實踐環(huán)節(jié)，學生在參加完課堂教學后，在教師指導下親自操作空氣炮實驗系統(tǒng)進行航空發(fā)動機工作中可能遇到的冰撞擊和外物損傷等模擬實驗，將課堂講授的背景和理論知識與實踐認知有機結合，極大地加深了對相關知識體系的理解，推動認知與實踐水平提高，改革創(chuàng)新了新生研討課的教學方式。主要解決了以下三方面實驗教學的關鍵問題：其一，設計開發(fā)教學專用的低能量空氣炮演示實驗系統(tǒng);其二，設計完備的實驗流程和雙人合作操作規(guī)范，新編寫實驗大綱;其三，設計搭建虛擬仿真系統(tǒng)，再現(xiàn)高速沖擊的過程，便于學生觀察和分析。針對上述問題，課程組通過對現(xiàn)有的科研空氣炮實驗設備及技術的消化吸收，開發(fā)適用于教學實驗的小口徑低能量自動控制沖擊實驗系統(tǒng)，通過建立高速沖擊過程虛擬仿真的步驟，科學設置學生在沖擊實驗中的動手環(huán)節(jié)，促使學生更深入地參與實驗過程，發(fā)展了航空發(fā)動機結構沖擊動力學若干演示實驗技術。

二、實驗教學改革實施

為滿足課程改革的目的和效果，課程組開展了大量的分析、研究和準備工作。

1.空氣炮的小型化低能量設計和自動控制技術?？紤]教學實驗用沖擊實驗的可操作性、精確度、安全性和可維護性，課程組在對科研用大口徑高能量空氣炮實驗系統(tǒng)的研究基礎上，提出和實踐了空氣炮的低能量小型化設計方法，極大地縮小了設備體積和占地，并大幅提高了安全性和可維護性。采用閉環(huán)控制原理研制了自動控制系統(tǒng)，對空氣炮氣室的注氣、壓力穩(wěn)定進行了全程動態(tài)監(jiān)控，對空氣炮的觸發(fā)引入了電動遙控方式，取代了科研用大口徑空氣炮的手動注氣、目視檢測和手動觸發(fā)方式，極大提升了系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化水平。建成了帶自動控制系統(tǒng)和人機操作界面的37mm口徑電磁閥式教學用空氣炮實驗系統(tǒng)一套，編寫了相應的教學實驗流程規(guī)范。

2.高速沖擊過程虛擬觀察分析軟件平臺集成開發(fā)。課程組開發(fā)了基于LS-dyna數(shù)值模擬軟件的高速沖擊過程虛擬觀察分析軟件虛擬沖擊教學版V1.0。軟件對大量不同工況，如不同速度、角度、撞擊位置的鳥/冰撞擊平板葉片過程進行有限元建模，將模型源文件存儲在工作目錄下，編寫軟件界面，學生可以在初級用戶模式中選擇想要觀察的工況，調用相應的源文件進行數(shù)值模擬，并在后處理軟件中進行沖擊過程的虛擬觀察和數(shù)據(jù)分析。此外，學生還可以采用高級用戶模式，調用沖擊過程的源文件，對其進行編輯后重新計算得到自己想要觀察的特殊工況下的沖擊過程和動態(tài)響應數(shù)據(jù)。

3.航空發(fā)動機結構沖擊動力學的若干問題課程的互動和實踐。針對航空發(fā)動機結構沖擊動力學的若干問題中的鳥/冰撞擊、機匣包容和外物損傷三個熱點問題，課堂上，采用教師理論講授和案例分析的手段引出問題，由學生查閱資料后開展廣泛研討，教師點評的手段，較好地建立了學生的理論基礎和學習方向;針對航空發(fā)動機可能遭遇的鳥/冰撞擊和外物損傷的情況，專門設計了冰柱撞擊金屬平板和鋼柱撞擊金屬葉片前緣的實驗，編寫了相關實驗的實驗大綱;隨后采用“虛擬沖擊”仿真軟件，對學生即將開展的不同工況的冰撞擊平板實驗進行了仿真和預估觀察;最后采用教師示范，學生分組動手實踐的方法，學生在實驗時2人一組，分工配合，全程參與了系統(tǒng)檢視、安裝標靶、裝彈、控制、發(fā)射、觀察實驗過程、分析標靶等工作，在保證安全的前提下親手操作空氣炮實驗設備，觀察和討論了不同速度下冰柱撞擊金屬靶板所導致的變形損傷和不同沖擊能量鋼柱對葉片前緣的沖擊損傷，對航空發(fā)動機沖擊動力學問題加深了認識。

三、教學效果總結

實施實驗教學改革后，研討課程取得了較好的教學和實踐效果。課程組針對三年來參與課程學習與實踐的本科新生開展了問卷調查工作，共收回有效問卷40份，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，82.5%的同學對課堂教學表示滿意，17.5%的同學表示基本滿意;95%的同學對實踐環(huán)節(jié)的教學效果表示滿意，5%的同學表示基本滿意;92.5%的同學表示對教師的講授能力表示滿意。上述數(shù)據(jù)表明，學生對教學團隊的知識結構和教學水平的認可。70%的同學認為課堂與實踐相結合的教學方式效果很好，應大力推廣，其余同學表示應考慮專業(yè)因素，在一定范圍內推廣。有42.5%的同學表示深入理解了航空發(fā)動機結構沖擊動力學的基本概念與問題，50%的同學較為了解（考慮到本課程面向全校所有專業(yè)學生開放，該比例較高）;100%的同學認為通過親自或協(xié)同操作實驗，了解了相應實驗方法，加深了對航空發(fā)動機結構沖擊動力學若干問題的認識。上述數(shù)據(jù)表明學生對該類課堂與實踐相結合的教學方式的肯定。學生留言：“很滿意，老師教會了很多東西”，并建議“多做幾次實驗”“希望可以讓其他年級學生加入”“實驗做的不過癮”“有助于大三選擇方向”“希望能夠大力推廣這樣的課程”等，項目收到了良好的教學效果。同時學生也建議，針對全部沖擊動力學問題，設計相應的實驗子模塊，以進一步加深學生對有關問題的理解，表明學生針對課程特點有了一定思考，提出了自身后續(xù)發(fā)展的需求，提醒了課程組今后的努力方向。

同時，課程組通過教學改革與實踐，取得了教學與科研相長的效果，在課程教學、實驗設備改造、實驗室建設以及配合相關科研工作方面取得了較好的成績，見表1。

四、結論

通過在新生研討課中開展實驗教學改革，得出如下結論。

1.實驗教學豐富了新生研討課的教學內涵，打破了原有的課堂教學陳規(guī)，快速深入推動了學生對課堂講授的結構沖擊動力學有關知識的理解和掌握。

2.實驗教學進一步促進了教師教學相長，推動授課教師具備全面的知識結構、理論與實踐教學能力，不斷更新相關專業(yè)知識體系。

3.實驗教學促使學生進一步完成角色轉變，同時具有學習者、研究者、工程師等屬性，促進學生全面發(fā)展，鍛煉了學生預先分析與團結協(xié)作能力，問卷調查表明教學效果優(yōu)良。

4.實驗教學改革促進了課程組的科研能力，推進了教學與科研相長，形成了多贏的局面。

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