航空發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊動(dòng)力學(xué)新生研討課實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

羅剛 趙振華 劉璐璐 陳　偉 周標(biāo)

[摘 要] 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)新生研討課中設(shè)計(jì)了冰撞擊和外物損傷模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)設(shè)備技術(shù)安全改造、實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)大綱編寫(xiě)、分組實(shí)驗(yàn)觀察等教學(xué)手段，將課堂理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在新生研討課中的教學(xué)效果進(jìn)行了總結(jié)與分析。結(jié)果表明，在新生研討課中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于學(xué)生快速深入地掌握課堂教學(xué)理論知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的積極性，提高學(xué)生動(dòng)手能力，推動(dòng)學(xué)生理解航空特色，對(duì)學(xué)生規(guī)劃未來(lái)專業(yè)方向起到了較好的輔助作用。

[關(guān)鍵詞] 航空發(fā)動(dòng)機(jī);沖擊動(dòng)力學(xué);新生研討課;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

引言

研討式教學(xué)起源于18世紀(jì)的德國(guó)，并在19世紀(jì)成為德國(guó)大學(xué)普遍的教學(xué)方式[1]。研討式教學(xué)的特點(diǎn)主要包括有利于學(xué)習(xí)者向研究者角色轉(zhuǎn)換，有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力，啟發(fā)學(xué)生批判精神，促使學(xué)生重視開(kāi)拓創(chuàng)新，同時(shí)也倒逼課程學(xué)習(xí)與教師科研緊密結(jié)合[2]。在新工科背景下，研討式教學(xué)對(duì)提升課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的學(xué)生具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)已有很多大學(xué)和研究者對(duì)研討式教學(xué)開(kāi)展了有益的探索與實(shí)踐。徐冬梅[3]借助新生研討課探索了以素質(zhì)教育為先導(dǎo)的混合教學(xué)模式;鄒鋒[4]依據(jù)英國(guó)高校的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐了主體設(shè)計(jì)、文獻(xiàn)查找、小組研討與講評(píng)等研討教學(xué)方式;劉長(zhǎng)青[5]組建了國(guó)際化的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了充分的探討和辯論教學(xué);周金堂[6]創(chuàng)建了新生研討課的“學(xué)習(xí)共同體”，促進(jìn)了教學(xué)相長(zhǎng);張進(jìn)[7]通過(guò)組織開(kāi)設(shè)多門(mén)新生研討課，批量實(shí)踐了轉(zhuǎn)變本科新生學(xué)習(xí)模式的教學(xué)改革工作;李敏[8]，黃向陽(yáng)[9]，鄧輝[10]等均通過(guò)具體課程的研討實(shí)踐，探索了適用于工科專業(yè)的研討教學(xué)方式。

從前人的實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，新生研討課教學(xué)方式也遇到了一定的瓶頸，主要體現(xiàn)在研討過(guò)程越來(lái)越容易進(jìn)入程式化進(jìn)程，即教師講授背景，學(xué)生查詢文獻(xiàn)與匯報(bào)，教師點(diǎn)評(píng)。程式化的教學(xué)模式容易導(dǎo)致所講授知識(shí)更新速度減緩，課堂討論教學(xué)效果不易協(xié)助學(xué)生快速形成基本科學(xué)概念等弊端，有必要對(duì)新生研討課的總體教學(xué)方式進(jìn)行改革與創(chuàng)新。

本文針對(duì)南京航空航天大學(xué)開(kāi)設(shè)的新生研討課航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)若干問(wèn)題，在研討課中引入了實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)，形成了教師理論講授—學(xué)生文獻(xiàn)查詢—學(xué)生匯報(bào)—教師點(diǎn)評(píng)—實(shí)驗(yàn)室分組實(shí)踐—學(xué)生總結(jié)的教學(xué)流程，收到了良好的教學(xué)效果。

一、課程改革背景

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)若干問(wèn)題是南京航空航天大學(xué)針對(duì)本科一年級(jí)新生開(kāi)設(shè)的新生研討課，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立和掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)的基本概念、研究背景、研究方法和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，具有濃郁的航空特色。該課程從2017年起開(kāi)設(shè)，在教育實(shí)踐過(guò)程中，課程組發(fā)現(xiàn)新生研討課教學(xué)中面臨著認(rèn)知與實(shí)踐水平難以有效提高、教學(xué)方式發(fā)展與改革不易推動(dòng)等。為推動(dòng)上述問(wèn)題的解決，進(jìn)一步提升教學(xué)效果，課程組在新生研討課中增設(shè)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生在參加完課堂教學(xué)后，在教師指導(dǎo)下親自操作空氣炮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作中可能遇到的冰撞擊和外物損傷等模擬實(shí)驗(yàn)，將課堂講授的背景和理論知識(shí)與實(shí)踐認(rèn)知有機(jī)結(jié)合，極大地加深了對(duì)相關(guān)知識(shí)體系的理解，推動(dòng)認(rèn)知與實(shí)踐水平提高，改革創(chuàng)新了新生研討課的教學(xué)方式。主要解決了以下三方面實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題：其一，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)教學(xué)專用的低能量空氣炮演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);其二，設(shè)計(jì)完備的實(shí)驗(yàn)流程和雙人合作操作規(guī)范，新編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)大綱;其三，設(shè)計(jì)搭建虛擬仿真系統(tǒng)，再現(xiàn)高速?zèng)_擊的過(guò)程，便于學(xué)生觀察和分析。針對(duì)上述問(wèn)題，課程組通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的科研空氣炮實(shí)驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)的消化吸收，開(kāi)發(fā)適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的小口徑低能量自動(dòng)控制沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)建立高速?zèng)_擊過(guò)程虛擬仿真的步驟，科學(xué)設(shè)置學(xué)生在沖擊實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)手環(huán)節(jié)，促使學(xué)生更深入地參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，發(fā)展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)若干演示實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施

為滿足課程改革的目的和效果，課程組開(kāi)展了大量的分析、研究和準(zhǔn)備工作。

1.空氣炮的小型化低能量設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制技術(shù)。考慮教學(xué)實(shí)驗(yàn)用沖擊實(shí)驗(yàn)的可操作性、精確度、安全性和可維護(hù)性，課程組在對(duì)科研用大口徑高能量空氣炮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，提出和實(shí)踐了空氣炮的低能量小型化設(shè)計(jì)方法，極大地縮小了設(shè)備體積和占地，并大幅提高了安全性和可維護(hù)性。采用閉環(huán)控制原理研制了自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)空氣炮氣室的注氣、壓力穩(wěn)定進(jìn)行了全程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對(duì)空氣炮的觸發(fā)引入了電動(dòng)遙控方式，取代了科研用大口徑空氣炮的手動(dòng)注氣、目視檢測(cè)和手動(dòng)觸發(fā)方式，極大提升了系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化水平。建成了帶自動(dòng)控制系統(tǒng)和人機(jī)操作界面的37mm口徑電磁閥式教學(xué)用空氣炮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套，編寫(xiě)了相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)流程規(guī)范。

2.高速?zèng)_擊過(guò)程虛擬觀察分析軟件平臺(tái)集成開(kāi)發(fā)。課程組開(kāi)發(fā)了基于LS-dyna數(shù)值模擬軟件的高速?zèng)_擊過(guò)程虛擬觀察分析軟件虛擬沖擊教學(xué)版V1.0。軟件對(duì)大量不同工況，如不同速度、角度、撞擊位置的鳥(niǎo)/冰撞擊平板葉片過(guò)程進(jìn)行有限元建模，將模型源文件存儲(chǔ)在工作目錄下，編寫(xiě)軟件界面，學(xué)生可以在初級(jí)用戶模式中選擇想要觀察的工況，調(diào)用相應(yīng)的源文件進(jìn)行數(shù)值模擬，并在后處理軟件中進(jìn)行沖擊過(guò)程的虛擬觀察和數(shù)據(jù)分析。此外，學(xué)生還可以采用高級(jí)用戶模式，調(diào)用沖擊過(guò)程的源文件，對(duì)其進(jìn)行編輯后重新計(jì)算得到自己想要觀察的特殊工況下的沖擊過(guò)程和動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)的若干問(wèn)題課程的互動(dòng)和實(shí)踐。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)的若干問(wèn)題中的鳥(niǎo)/冰撞擊、機(jī)匣包容和外物損傷三個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，課堂上，采用教師理論講授和案例分析的手段引出問(wèn)題，由學(xué)生查閱資料后開(kāi)展廣泛研討，教師點(diǎn)評(píng)的手段，較好地建立了學(xué)生的理論基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)方向;針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)可能遭遇的鳥(niǎo)/冰撞擊和外物損傷的情況，專門(mén)設(shè)計(jì)了冰柱撞擊金屬平板和鋼柱撞擊金屬葉片前緣的實(shí)驗(yàn)，編寫(xiě)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)大綱;隨后采用“虛擬沖擊”仿真軟件，對(duì)學(xué)生即將開(kāi)展的不同工況的冰撞擊平板實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真和預(yù)估觀察;最后采用教師示范，學(xué)生分組動(dòng)手實(shí)踐的方法，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)2人一組，分工配合，全程參與了系統(tǒng)檢視、安裝標(biāo)靶、裝彈、控制、發(fā)射、觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程、分析標(biāo)靶等工作，在保證安全的前提下親手操作空氣炮實(shí)驗(yàn)設(shè)備，觀察和討論了不同速度下冰柱撞擊金屬靶板所導(dǎo)致的變形損傷和不同沖擊能量鋼柱對(duì)葉片前緣的沖擊損傷，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題加深了認(rèn)識(shí)。

三、教學(xué)效果總結(jié)

實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，研討課程取得了較好的教學(xué)和實(shí)踐效果。課程組針對(duì)三年來(lái)參與課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐的本科新生開(kāi)展了問(wèn)卷調(diào)查工作，共收回有效問(wèn)卷40份，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，82.5%的同學(xué)對(duì)課堂教學(xué)表示滿意，17.5%的同學(xué)表示基本滿意;95%的同學(xué)對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果表示滿意，5%的同學(xué)表示基本滿意;92.5%的同學(xué)表示對(duì)教師的講授能力表示滿意。上述數(shù)據(jù)表明，學(xué)生對(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)水平的認(rèn)可。70%的同學(xué)認(rèn)為課堂與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式效果很好，應(yīng)大力推廣，其余同學(xué)表示應(yīng)考慮專業(yè)因素，在一定范圍內(nèi)推廣。有42.5%的同學(xué)表示深入理解了航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)的基本概念與問(wèn)題，50%的同學(xué)較為了解（考慮到本課程面向全校所有專業(yè)學(xué)生開(kāi)放，該比例較高）;100%的同學(xué)認(rèn)為通過(guò)親自或協(xié)同操作實(shí)驗(yàn)，了解了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法，加深了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)若干問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。上述數(shù)據(jù)表明學(xué)生對(duì)該類課堂與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式的肯定。學(xué)生留言：“很滿意，老師教會(huì)了很多東西”，并建議“多做幾次實(shí)驗(yàn)”“希望可以讓其他年級(jí)學(xué)生加入”“實(shí)驗(yàn)做的不過(guò)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(xiàng)目收到了良好的教學(xué)效果。同時(shí)學(xué)生也建議，針對(duì)全部沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)子模塊，以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)有關(guān)問(wèn)題的理解，表明學(xué)生針對(duì)課程特點(diǎn)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(shí)，課程組通過(guò)教學(xué)改革與實(shí)踐，取得了教學(xué)與科研相長(zhǎng)的效果，在課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備改造、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以及配合相關(guān)科研工作方面取得了較好的成績(jī)，見(jiàn)表1。

四、結(jié)論

通過(guò)在新生研討課中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，得出如下結(jié)論。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)豐富了新生研討課的教學(xué)內(nèi)涵，打破了原有的課堂教學(xué)陳規(guī)，快速深入推動(dòng)了學(xué)生對(duì)課堂講授的結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)有關(guān)知識(shí)的理解和掌握。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步促進(jìn)了教師教學(xué)相長(zhǎng)，推動(dòng)授課教師具備全面的知識(shí)結(jié)構(gòu)、理論與實(shí)踐教學(xué)能力，不斷更新相關(guān)專業(yè)知識(shí)體系。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)促使學(xué)生進(jìn)一步完成角色轉(zhuǎn)變，同時(shí)具有學(xué)習(xí)者、研究者、工程師等屬性，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，鍛煉了學(xué)生預(yù)先分析與團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，問(wèn)卷調(diào)查表明教學(xué)效果優(yōu)良。

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革促進(jìn)了課程組的科研能力，推進(jìn)了教學(xué)與科研相長(zhǎng)，形成了多贏的局面。

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