傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程教學(xué)改革與探索
——以飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程為例

孟軍輝

（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院 北京 100081）

2017年2月，《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》提出，建設(shè)“新工科”人才培養(yǎng)模式，要求從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向、從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合、從適應(yīng)服務(wù)轉(zhuǎn)向支撐引領(lǐng)[1]。新工科的迅速發(fā)展，一方面，是工業(yè)科技發(fā)展對人才提出了更高要求，另一方面，傳統(tǒng)的偏理論和單學(xué)科教育的人才培養(yǎng)，在面對復(fù)雜工程問題時(shí)凸顯實(shí)踐性和創(chuàng)新性的不足[2]。新工科建設(shè)不僅涉及新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，而且也要求利用新技術(shù)對傳統(tǒng)專業(yè)進(jìn)行改造升級(jí)，加強(qiáng)工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合，在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中，主動(dòng)對接產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求，把握行業(yè)人才需求方向。新工科建設(shè)服務(wù)國家戰(zhàn)略，順應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉融合和過程實(shí)踐，在交叉領(lǐng)域踐行多學(xué)科的研究思想和方法，在解決復(fù)雜工程問題的過程中培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才[3]。對傳統(tǒng)專業(yè)核心課程的教學(xué)模式進(jìn)行深入改革，促進(jìn)人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合，以適應(yīng)時(shí)代和社會(huì)的發(fā)展。

“飛行器設(shè)計(jì)與工程”專業(yè)是北京理工大學(xué)最早建設(shè)的專業(yè)之一，其前身是1958年錢學(xué)森先生指導(dǎo)下創(chuàng)建的我國首批“火箭導(dǎo)彈”專業(yè)，歷史悠久，并于2019年經(jīng)教育部批準(zhǔn)進(jìn)入國家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)作為連接力學(xué)基礎(chǔ)課程和飛行器系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)等專業(yè)課程的紐帶，以理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)等基礎(chǔ)力學(xué)課程知識(shí)為基礎(chǔ)，以真實(shí)飛行器工程結(jié)構(gòu)為對象，將力學(xué)模型構(gòu)建和理論分析方法應(yīng)用到真實(shí)飛行器工程結(jié)構(gòu)中。該課程由宇航學(xué)院“飛行器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)”課程組承擔(dān)，依托航空航天北京市級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和武器系統(tǒng)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，是“飛行器設(shè)計(jì)與工程”專業(yè)重要的核心課程之一，2004年被評(píng)為北京理工大學(xué)校級(jí)精品課程。

以“新工科”建設(shè)的理念為指導(dǎo)，在建設(shè)“飛行器設(shè)計(jì)與工程”一流專業(yè)的需求與引領(lǐng)下，探索“飛行器設(shè)計(jì)與工程”專業(yè)傳統(tǒng)核心課程的改革模式已十分迫切。現(xiàn)代飛行器技術(shù)的飛速發(fā)展為飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)提出新的挑戰(zhàn)[4]，同時(shí)信息技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展為教學(xué)內(nèi)容提供了新的支撐，并為教學(xué)模式的改革提供了可能。因此，對飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)核心課程進(jìn)行深入改革，不僅可以提升課程自身的水平，而且還可以為核心課程體系改革與建設(shè)起到示范作用。

一、傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程教學(xué)存在的問題

1.授課內(nèi)容難以與緊跟航空航天科技飛速發(fā)展的步伐

飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的發(fā)展源于飛行器設(shè)計(jì)的工程問題，也勢必應(yīng)用于工程、解決實(shí)際工程問題。人類對航空航天技術(shù)的探索需求日益增加，近年來，新型航空航天飛行器不斷涌現(xiàn)，智能材料、軟體結(jié)構(gòu)等多種新型材料和結(jié)構(gòu)也在飛行器設(shè)計(jì)中得到了大量的應(yīng)用。現(xiàn)有課程教學(xué)經(jīng)過多年的積累與實(shí)踐，依托傳統(tǒng)經(jīng)典教材內(nèi)容，如何在將基本理論與方法闡述清楚的基礎(chǔ)上，緊跟飛行器技術(shù)的快速更新，與“新工科”工程教育目的相適應(yīng)成為亟須解決的問題[5]。

飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容側(cè)重直接利用抽象模型，在計(jì)算模型的提取過程、適用前提及模型和真實(shí)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系方面有所欠缺，且求解方式以“手算”為主，而現(xiàn)有科研院所解決實(shí)際工程問題多以計(jì)算機(jī)仿真分析為主。因此，如何將課程內(nèi)容設(shè)置與當(dāng)前工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況相結(jié)合迫在眉睫。

2.授課方式難以與信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展相匹配

對于“飛行器設(shè)計(jì)與工程”專業(yè)的學(xué)生，飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)主要研究典型飛行器結(jié)構(gòu)的模型簡化及在外載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，涉及大量的公式推導(dǎo)、結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算等內(nèi)容，理論性和邏輯性強(qiáng)。概念抽象。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真等技術(shù)如何服務(wù)教學(xué)，成為亟須研究的問題。

飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)所涉及的典型飛行器結(jié)構(gòu)演示實(shí)驗(yàn)通常復(fù)雜且部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不宜捕捉，難以讓每位同學(xué)都觀察到結(jié)構(gòu)承載、傳力和破壞的過程。典型結(jié)構(gòu)演示實(shí)驗(yàn)如果能增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的迭代與優(yōu)化，可以有效增進(jìn)學(xué)生對于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。但真實(shí)課程教學(xué)過程中，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和模型的隨意更改。

3.授課模式難以與大類培養(yǎng)的“書院制”改革趨勢相一致

飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程學(xué)習(xí)是利用彈性力學(xué)等理論知識(shí)求解典型飛行器結(jié)構(gòu)在載荷作用下的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，為飛行器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)等專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)。現(xiàn)階段國內(nèi)多所高校實(shí)行“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的“書院制”改革[6]，對為力圖達(dá)到均衡教育目標(biāo)而設(shè)立的書院制而言，通識(shí)教育是達(dá)成書院全人發(fā)展目標(biāo)的最佳選擇。大類培養(yǎng)中通識(shí)教育的實(shí)施。一方面培養(yǎng)了學(xué)生淵博的學(xué)識(shí)和廣博的見識(shí)，同時(shí)也不可避免地壓縮了專業(yè)基礎(chǔ)課和后續(xù)專業(yè)核心課程的學(xué)時(shí)。同時(shí)，在“書院制”改革新模式下，除“飛行器設(shè)計(jì)與工程”專業(yè)外，飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程也作為“飛行器動(dòng)力工程”“飛行器制造工程”等其他航空航天類專業(yè)和“武器系統(tǒng)與發(fā)射工程”“探測制導(dǎo)與控制技術(shù)”等武器類專業(yè)以及“工程力學(xué)”等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，但不同專業(yè)學(xué)生對于飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程學(xué)習(xí)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

如何針對學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的差異和對知識(shí)的需求不同，在有限學(xué)時(shí)內(nèi)，進(jìn)一步提升人才的培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。如“飛行器設(shè)計(jì)與工程”專業(yè)的學(xué)生，在本課程之前，已完成了彈性力學(xué)等先修課程，對于本課程中所用到的力學(xué)基本方程和能量法已基本掌握；“工程力學(xué)”專業(yè)的學(xué)生不僅已掌握了基本知識(shí)，對于板殼等通用工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析也有了初步認(rèn)識(shí)，但缺乏對于飛行器這一實(shí)際具體工程對象的認(rèn)識(shí)；而“武器發(fā)射工程”專業(yè)的學(xué)生并不具有彈性力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

二、傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程教學(xué)改革方案

1.結(jié)合最新科研成果，構(gòu)建綜合實(shí)踐項(xiàng)目庫，為結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容“添料”

北京理工大學(xué)“飛行器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)”課程組任課教師多年來一直致力于飛行器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)相關(guān)的科研工作，先后完成了固定翼飛機(jī)、撲旋翼無人機(jī)、巡飛彈和全電推衛(wèi)星等多種飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中除了涉及桿系結(jié)構(gòu)、蒙皮骨架結(jié)構(gòu)和板殼結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)之外，還涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、軟體材料結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)飛行器類別和典型結(jié)構(gòu)形式對最新科研項(xiàng)目進(jìn)行簡化處理，構(gòu)建覆蓋結(jié)構(gòu)力學(xué)課程所有基礎(chǔ)知識(shí)的綜合實(shí)踐項(xiàng)目庫，按照從單一知識(shí)點(diǎn)到多個(gè)復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)，從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式到新型擴(kuò)展結(jié)構(gòu)形式對實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行分類梳理。

在完成結(jié)構(gòu)力學(xué)課程若干重要知識(shí)點(diǎn)講解后，將相關(guān)實(shí)踐項(xiàng)目告知學(xué)生供自由選擇。例如，在完成桿系結(jié)構(gòu)和板桿結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)后，將某桁架衛(wèi)星或某飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目布置給學(xué)生，并提供結(jié)構(gòu)的外部載荷和設(shè)計(jì)約束等條件，要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上分析初始設(shè)計(jì)方案下的結(jié)構(gòu)承載和傳力的特點(diǎn)，并為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供建議。

2.利用信息化技術(shù)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為課程教學(xué)模式“增味”

“線上+線下”的混合教學(xué)模式是指利用現(xiàn)有的信息化技術(shù)和軟件，通過網(wǎng)絡(luò)和課堂混合的方式對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。通過以北京理工大學(xué)宇航學(xué)院火箭和導(dǎo)彈的傳統(tǒng)特色為基礎(chǔ)，將典型戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、巡飛彈和火箭等飛行器的經(jīng)典型號(hào)的結(jié)構(gòu)部件作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步構(gòu)建包括固定翼飛機(jī)、衛(wèi)星、深空探測器等其他航空航天飛行器經(jīng)典型號(hào)的典型結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)、裝配、承載、分析等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對不同航空航天結(jié)構(gòu)部件的認(rèn)知和力學(xué)分析的系統(tǒng)掌握和深入認(rèn)知，以增加趣味性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

“線上+線下”的混合教學(xué)模式使得抽象的基礎(chǔ)理論知識(shí)與形象的線上演示相對應(yīng)，有效地拓展課程的教學(xué)空間，如可讓學(xué)生自由更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并完成力學(xué)性能分析并評(píng)估不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；利用線上網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢可增加教與學(xué)的互動(dòng)性，提高線下課堂教學(xué)的效率，同時(shí)更好地滿足了學(xué)生的求知欲，豐富了結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)途徑；通過將有限元仿真軟件與結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)課程所學(xué)習(xí)知識(shí)相對比，驗(yàn)證所學(xué)方法的正確性，同時(shí)也增進(jìn)學(xué)生對有限元理論的初步認(rèn)識(shí)，以適應(yīng)航空航天技術(shù)的發(fā)展。

3.系統(tǒng)梳理課程知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)模塊，為課程教學(xué)內(nèi)容體系“加樣”

根據(jù)社會(huì)需求和應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)定位，為適應(yīng)“新工科”發(fā)展的理念和航空航天類專業(yè)的培養(yǎng)模式，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程重構(gòu)了課程內(nèi)容體系，在課程教學(xué)大綱中根據(jù)課程知識(shí)點(diǎn)設(shè)置了“基礎(chǔ)+通用+專用+提升”的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程內(nèi)容體系，包括彈性力學(xué)“基礎(chǔ)知識(shí)課程模塊”，桿系結(jié)構(gòu)、板桿結(jié)構(gòu)等“通用結(jié)構(gòu)課程模塊”，蒙皮骨架結(jié)構(gòu)等飛行器“專用結(jié)構(gòu)課程模塊”，以及有限元理論和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)的“課程提升模塊”。

針對“飛行器設(shè)計(jì)與工程”“武器發(fā)射工程”和“工程力學(xué)”等不同專業(yè)學(xué)生先修課程基礎(chǔ)和未來發(fā)展需求存在差異的問題，按照“精理論、強(qiáng)應(yīng)用、存差異”的基本原則，對不同專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行課程模塊化的“量身定制”。例如，對于“飛行器設(shè)計(jì)與工程”專業(yè)，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程需要在“通用結(jié)構(gòu)課程模塊”的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行“專用結(jié)構(gòu)課程模塊”的講解，同時(shí)兼顧“課程提升模塊”，為后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)；對于“武器發(fā)射工程”專業(yè)的學(xué)生，由于不存在彈性力學(xué)等先修課程，且對于蒙皮骨架等飛行器專用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)并無需求，則課程重點(diǎn)進(jìn)行“基礎(chǔ)知識(shí)課程模塊”和“通用結(jié)構(gòu)課程模塊”的講授；對于“工程力學(xué)”專業(yè)的學(xué)生，已經(jīng)掌握比較扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)對于桿系結(jié)構(gòu)等工程通用結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析也較為熟悉。為了進(jìn)一步將力學(xué)知識(shí)與飛行器工程實(shí)際相結(jié)合，課程重點(diǎn)進(jìn)行飛行器“專用結(jié)構(gòu)課程模塊”和“課程提升模塊”的講授。

三、傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程教學(xué)改革成效

北京理工大學(xué)“飛行器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)”課程組任課教師，將多年來在科研一線所從事的科研項(xiàng)目進(jìn)行分類轉(zhuǎn)化，分別構(gòu)建固定翼飛機(jī)、柔性充氣浮空器、變形飛行器等航空飛行器和桁架式衛(wèi)星、深空探測器等航天飛行器，以及運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈相關(guān)的綜合實(shí)踐題庫。以最新工程項(xiàng)目需求為背景，將課程中所講授桿系結(jié)構(gòu)、板桿結(jié)構(gòu)、工程梁理論等理論知識(shí)與多種典型飛行器結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過解決實(shí)際工程問題進(jìn)一步加深對理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，提升學(xué)生學(xué)以致用的能力，同時(shí)增進(jìn)學(xué)生對航空航天的熱愛，極大地促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)。例如，學(xué)生依托某運(yùn)載火箭貯箱的穩(wěn)定性分析的綜合實(shí)踐題目，深入探討加筋結(jié)構(gòu)布局和加工工藝對于火箭這種典型薄壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，進(jìn)一步通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對火箭貯箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究成果發(fā)表EI檢索國際會(huì)議論文一篇，同時(shí)參加“青創(chuàng)北京”2022年“挑戰(zhàn)杯”首都大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽。

為進(jìn)一步豐富課程內(nèi)容和教學(xué)形式，提出“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的課程教學(xué)模式。一方面，北京理工大學(xué)航空航天北京市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心所陳列多種典型飛行器結(jié)構(gòu)，為課程線下現(xiàn)場教學(xué)提供支撐；另一方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“卷弧翼靜強(qiáng)度模擬”已上線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并經(jīng)過多年實(shí)踐，取得較好效果。學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，深刻感受到飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)這一傳統(tǒng)課程所散發(fā)的魅力。

同時(shí)，面向飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)本科生，構(gòu)建了“基礎(chǔ)課程-專業(yè)基礎(chǔ)-專業(yè)提升-實(shí)驗(yàn)實(shí)踐”的“飛行器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)”核心課程群，在飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)大綱中，根據(jù)課程知識(shí)點(diǎn)設(shè)置了“基礎(chǔ)+通用+專用+提升”的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程內(nèi)容體系，包括彈性力學(xué)“基礎(chǔ)知識(shí)課程模塊”，桿系結(jié)構(gòu)、板桿結(jié)構(gòu)等“通用結(jié)構(gòu)課程模塊”，蒙皮骨架結(jié)構(gòu)等飛行器“專用結(jié)構(gòu)課程模塊”，以及有限元理論和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)的“課程提升模塊”。以適應(yīng)學(xué)校“書院制”改革模式下的人才大類培養(yǎng)。

結(jié)語

本文分析了在“新工科”建設(shè)的背景和需求下，傳統(tǒng)工科專業(yè)核心課程面臨的主要問題和挑戰(zhàn)，明確了對授課內(nèi)容和授課模式進(jìn)行深度改革對于新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要意義。通過與最新科研成果相結(jié)合，構(gòu)建綜合實(shí)踐項(xiàng)目庫，為教學(xué)內(nèi)容“添料”；構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為課程教學(xué)模式“增味”；構(gòu)建模塊化知識(shí)點(diǎn)，為教學(xué)內(nèi)容體系“加樣”。形成創(chuàng)新人才培養(yǎng)的良性循環(huán)，推動(dòng)新工科建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，使得結(jié)構(gòu)力學(xué)這類傳統(tǒng)工科核心課程散發(fā)新時(shí)代的魅力。