火箭發(fā)動機(jī)原理課程多模式融合教學(xué)探析

賴建偉 王斌 吳寒菁

摘要：本文針對火箭發(fā)動機(jī)原理課程中存在的教學(xué)模式單一、實(shí)驗(yàn)條件受限、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足等問題，提出了多模式融合教學(xué)方法；結(jié)合課程特點(diǎn)，開展了多種教學(xué)模式融合的教學(xué)設(shè)計(jì)，探討了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相融合、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與仿真教學(xué)相融合、綜合設(shè)計(jì)與自主學(xué)習(xí)相融合的教學(xué)實(shí)踐；采用多模式融合的教學(xué)方法加強(qiáng)了教學(xué)模式之間的聯(lián)系，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升了學(xué)生的知識綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力，以期有效提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：火箭發(fā)動機(jī)；多模式；融合；教學(xué)模式

中圖分類號：G642.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-7164（2020）48-0072-03

“火箭發(fā)動機(jī)原理”是本科飛行器動力工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要講授火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理、理論與計(jì)算、性能與特點(diǎn)，涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、材料、力學(xué)、傳熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科專業(yè)，在課程體系中占據(jù)十分重要的地位。但是該課程具有概念雜、公式多、理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，給日常教學(xué)帶來一定困難。特別是隨著人才培養(yǎng)的多樣化，該課程更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，教學(xué)質(zhì)量問題愈加突出。為了提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)“懂原理、擅實(shí)踐、能創(chuàng)新”的高素質(zhì)新型火箭發(fā)動機(jī)人才，必須開展該課程的教學(xué)改革研究[1-2]。借鑒國內(nèi)類似課程先進(jìn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索該課程多種教學(xué)方法和模式融合教學(xué)，有利于化解教學(xué)難點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高教學(xué)效果和質(zhì)量[3-4]。

一、當(dāng)前教學(xué)方法分析

（一）理論教學(xué)

理論教學(xué)主要采用課堂講授方法，結(jié)合視頻和圖片，現(xiàn)場講解火箭發(fā)動機(jī)的概念、原理、結(jié)構(gòu)、功能、性能等基礎(chǔ)理論知識。傳統(tǒng)課堂講授通常是以教師為中心，面對學(xué)生進(jìn)行單方向知識傳授，教學(xué)方法較為單一，雖然在知識的記憶和理解上具有一定優(yōu)勢，但是對于知識的運(yùn)用和分析上教學(xué)效果不理想[2]。同時(shí)，由于本課程具有較強(qiáng)的工程背景，課堂講授學(xué)時(shí)比重偏高制約了整個(gè)教學(xué)形式的多樣性，忽視了學(xué)生主動性的發(fā)揮，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)效果受到影響。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的重要補(bǔ)充，但是由于課程性質(zhì)的特殊性，諸如燃燒、爆炸、化驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)具有一定危險(xiǎn)，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。而且傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機(jī)原理課程教學(xué)主要以課堂理論教學(xué)為主、實(shí)踐教學(xué)為輔，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)概念理解和理論分析，往往忽略教學(xué)內(nèi)容的多樣性，實(shí)驗(yàn)、實(shí)操、研討、設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對較少，與工程實(shí)踐聯(lián)系不夠緊密，對學(xué)生創(chuàng)新性和實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)較為不足。

二、多模式融合教學(xué)方法研究

1968年，美國教育家布盧姆提出了掌握學(xué)習(xí)理論，將人類學(xué)習(xí)、掌握新知識的過程按照由低級到高級分為六個(gè)階段：認(rèn)知、領(lǐng)會、運(yùn)用、分析、綜合、評價(jià)。多模式融合教學(xué)法正是基于布魯姆的掌握學(xué)習(xí)理論，結(jié)合課程教學(xué)特點(diǎn)，并根據(jù)課程內(nèi)容的不同選擇多種教學(xué)方法進(jìn)行融合教學(xué)，以達(dá)到學(xué)生對知識掌握的高級階段。多模式教學(xué)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，將理論教學(xué)與工程實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì)相結(jié)合，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)并重發(fā)展，激發(fā)學(xué)生對火箭發(fā)動機(jī)原理課程的學(xué)習(xí)興趣，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。根據(jù)課程的理論、實(shí)驗(yàn)、仿真、設(shè)計(jì)等模塊，將理論與實(shí)踐教學(xué)相融合、實(shí)驗(yàn)與仿真教學(xué)相融合、綜合設(shè)計(jì)與自主學(xué)習(xí)相融合等教學(xué)模式應(yīng)用于課程教學(xué)中，將極大地促進(jìn)教學(xué)效果的提升。

（一）理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相融合的教學(xué)模式

火箭發(fā)動機(jī)原理課程理論部分概念雜、公式多、原理難懂、綜合性強(qiáng)，獨(dú)立的、割裂式的理論與實(shí)踐教學(xué)，不利于學(xué)生對知識的掌握。一方面，為了提高理論教學(xué)的教學(xué)效果，教師應(yīng)綜合采用啟發(fā)式、對比分析式、問題式、案例式等多維教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和熱情；另一方面，教師應(yīng)破除理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的物理界限，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)深度融合。

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同特點(diǎn)，教師可有針對性地開展教學(xué)設(shè)計(jì)，將撰寫論文、實(shí)驗(yàn)、仿真、觀摩、設(shè)計(jì)、研討等實(shí)踐環(huán)節(jié)融入理論教學(xué)階段。針對基礎(chǔ)理論部分，布置學(xué)生撰寫“火箭發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀”小論文，使學(xué)生對火箭發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷史以及未來趨勢具有更加深入全面的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生查閱資料的能力，提高學(xué)生主動獲取知識、運(yùn)用知識的能力；針對固體、液體火箭發(fā)動機(jī)專題部分，設(shè)置開放性問題，開展研討教學(xué)。針對工作原理和工作過程部分，在有效講解基本原理和過程的基礎(chǔ)上，教師可結(jié)合推進(jìn)劑燃燒和性能測試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入教學(xué)。通過理論與實(shí)踐教學(xué)的融合，還可以將理論教學(xué)延伸至實(shí)踐教學(xué)，使實(shí)踐教學(xué)促進(jìn)理論原理的理解，有助于加深學(xué)生對理論知識的理解和運(yùn)用能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)與仿真教學(xué)相融合的教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有過程真實(shí)、結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但是由于火箭推進(jìn)劑大多易燃、易爆、毒性強(qiáng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性大、防護(hù)要求高，學(xué)生易產(chǎn)生畏懼心理，學(xué)習(xí)興趣不高，實(shí)驗(yàn)效果不理想。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)成本高、設(shè)備數(shù)量少、單次參與人數(shù)受限等，也限制了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展。因此，一方面要發(fā)揮真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢，立足現(xiàn)有條件，積極開展實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)，同時(shí)制定好安全預(yù)案、做好安全防護(hù)，并加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程管控；另一方面，針對不具備開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)的情況，采用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的方法對課程中危險(xiǎn)性強(qiáng)、成本高的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行替代和模擬。仿真實(shí)驗(yàn)方法不僅可以使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過程、增強(qiáng)知識的直觀性和驗(yàn)證發(fā)動機(jī)理論，而且還可以開展設(shè)計(jì)和評估等創(chuàng)新性研究，使知識的掌握上升至綜合和評價(jià)階段。仿真實(shí)驗(yàn)方法的重點(diǎn)應(yīng)放在構(gòu)建逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象上，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中通過平臺開展模擬實(shí)驗(yàn)，并且達(dá)到要求的實(shí)驗(yàn)效果。相關(guān)課程在這一思路的指引下，利用MATLAB軟件開發(fā)固體火箭發(fā)動機(jī)一維內(nèi)彈道仿真實(shí)驗(yàn)平臺，可進(jìn)行內(nèi)彈道的仿真計(jì)算；利用UG等三維建模軟件開發(fā)固體推進(jìn)劑藥柱燃面仿真計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺，可進(jìn)行典型藥柱燃燒燃面計(jì)算和藥型設(shè)計(jì)；針對火箭發(fā)動機(jī)地面試車風(fēng)險(xiǎn)較大的問題，基于試車測試數(shù)據(jù)，開發(fā)基于Labview軟件的試車模擬平臺，利用該平臺，可完成壓強(qiáng)、溫度推力等參數(shù)采集、分析和處理，實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火試車的仿真。實(shí)驗(yàn)教學(xué)和仿真教學(xué)相融合，可以規(guī)避真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多不足，發(fā)揮仿真平臺安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的全面覆蓋。

（三）綜合設(shè)計(jì)與自主學(xué)習(xí)相融合的教學(xué)模式

錢偉長曾說過：“教，關(guān)鍵在于授之以漁”。教師在教學(xué)過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生的能力和體驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)教學(xué)方法，遵循素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育的基本理念，以設(shè)計(jì)理論和方法為牽引，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合能力。需要注意的是，理論教學(xué)是綜合設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，綜合設(shè)計(jì)是理論教學(xué)的實(shí)踐和檢驗(yàn)，理論教學(xué)的效果好壞將直接決定綜合設(shè)計(jì)的成敗。因此需要在保證理論教學(xué)效果的基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步開展綜合設(shè)計(jì)教學(xué)。火箭發(fā)動機(jī)原理課程具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，適合開展綜合設(shè)計(jì)教學(xué)，但是目前課程涉及設(shè)計(jì)的內(nèi)容相對零散、知識點(diǎn)單一，而且授課學(xué)時(shí)相對較少，無法在課堂系統(tǒng)開展綜合設(shè)計(jì)。因此，有必要將綜合設(shè)計(jì)與課后自主學(xué)習(xí)進(jìn)行融合，探索在火箭發(fā)動機(jī)原理課程中開展“火箭發(fā)動機(jī)綜合設(shè)計(jì)”教學(xué)。教師應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維為主線，按照“總體設(shè)計(jì)-分系統(tǒng)設(shè)計(jì)-性能分析”的設(shè)計(jì)思路，將課程中總體設(shè)計(jì)、內(nèi)彈道設(shè)計(jì)、裝藥設(shè)計(jì)、燃燒室設(shè)計(jì)、噴管設(shè)計(jì)和性能分析等獨(dú)立的分系統(tǒng)串聯(lián)起來，使學(xué)生逐步掌握完整的設(shè)計(jì)方法和步驟，最終實(shí)現(xiàn)火箭發(fā)動機(jī)整體設(shè)計(jì)。

首先，教師可提出設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，利用課堂教學(xué)對設(shè)計(jì)方法和理論進(jìn)行指導(dǎo)；其次，學(xué)生查閱資料，課下自主完成設(shè)計(jì)和計(jì)算，并形成設(shè)計(jì)報(bào)告；最后，學(xué)生完成答辯。教師在設(shè)計(jì)過程中主要發(fā)揮主導(dǎo)作用，重點(diǎn)介紹固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方法和理論，學(xué)生應(yīng)占據(jù)主體地位，深入?yún)⑴c設(shè)計(jì)的各個(gè)細(xì)節(jié)。學(xué)生在自主設(shè)計(jì)的過程中不僅需要對結(jié)構(gòu)組成、性能參數(shù)、燃燒等基礎(chǔ)理論全面掌握，而且還要利用課后時(shí)間學(xué)會利用solidworks、Matlab等工具軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和算法編程。通過綜合設(shè)計(jì)和自主學(xué)習(xí)的相互融合，一方面能讓學(xué)生了解固體火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)流程，提高學(xué)生分析問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深對課程知識的理解，另一方面能培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力以及運(yùn)用理論知識解決實(shí)際工程問題的能力。

三、結(jié)語

針對課程性質(zhì)和內(nèi)容特點(diǎn)，按照知識體系對各種教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行綜合分析，將原先各種孤立的教學(xué)模式相互融合并成為有機(jī)整體，既能鍛煉學(xué)生分析理論問題的能力，又能提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力，符合人才培養(yǎng)發(fā)展模式[5]，有效促進(jìn)了教學(xué)效果的提升。本文開展基于布魯姆掌握學(xué)習(xí)理論的多模式融合教學(xué)研究，對火箭發(fā)動機(jī)原理課程的教學(xué)改革具有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏志軍，劉玉群，孫巍偉.濕蒸汽火箭發(fā)動機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（04）：115-117.

[2]譚建國，吳建軍.《火箭發(fā)動機(jī)動力學(xué)》的研究型教學(xué)實(shí)踐[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2007，1（30）：44-46.

[3]康學(xué)勤，孫智，任耀劍.工科高校課程多模式教學(xué)的構(gòu)建與實(shí)施[J].新課程研究，2015（05）：21-22.

[4]李趙春，王炅.“自動控制原理”多模式融合的教學(xué)方法探索[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012（31）：81.

[5]李忠，高波，康燦.新工科背景下卓越工程人才實(shí)踐教學(xué)改革探索[J].高等工程教育研究，2019（01）：43-45.

（薦稿人：周源，海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院副教授）

（責(zé)任編輯：鄒宇銘）