從“新”到“心”的課程內(nèi)科研育人教學(xué)方法研究
——以飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)課為例

張永杰，萬小朋，王海濤，張曉化

（西北工業(yè)大學(xué) 民航學(xué)院，西安 710072）

為全面落實(shí)教育部《高校思想政治工作質(zhì)量提升工程實(shí)施綱要》，深入推進(jìn)“三全育人”和“十育人”體系建設(shè)，全國高等學(xué)校結(jié)合各自辦學(xué)特色和學(xué)科特點(diǎn)先后出臺(tái)了一系列“三全育人”和“十育人”綜合改革實(shí)施計(jì)劃[1-2]。作為“十育人”的重要組成部分，科研育人[3-5]的地位和作用尤為突出。如何打通“科研+教學(xué)”立德樹人通道[6]、踐行“科研的核心是育人”教育理念[7-8]、提高科研育人教學(xué)質(zhì)量[9-10]及獲得可復(fù)制的科研育人教育教學(xué)模式[11-12]，一直以來都是高等教育管理者和高等學(xué)校教育工作者亟待解決的核心問題。

作為科研育人的重要陣地，高等學(xué)校本科專業(yè)課程教學(xué)以其課程育人、思政育人和科研育人等多重作用和立德樹人重要載體[13-16]，發(fā)揮著越來越重要的作用。飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)課由飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)維修與適航、飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與斷裂分析及飛機(jī)液壓元件與系統(tǒng)、航空結(jié)構(gòu)仿真分析及民航概論等必修和選修課程組成，是培養(yǎng)飛行器設(shè)計(jì)與工程等航空專業(yè)本科人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，決定著航空類本科生的專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量和人才競爭力水平。因此，擁有航空本科專業(yè)的高等學(xué)校都非常重視高水平專業(yè)課程的建設(shè)和全方位科研育人體系的構(gòu)建。本文就是在此大背景下，以西北工業(yè)大學(xué)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)課為例，系統(tǒng)展示了專業(yè)課內(nèi)科研育人典型案例，總結(jié)并提出了一種從“新”到“心”三位一體的課程內(nèi)科研育人教學(xué)方法，收到了非常好的教學(xué)成效。

一、科研育人典型案例

基于近年來飛行器設(shè)計(jì)和航空技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，西北工業(yè)大學(xué)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)課教研組精心設(shè)計(jì)和編排了一些科研育人案例在課堂內(nèi)分享給學(xué)生，取得了非常好的教學(xué)效果?，F(xiàn)將其中的典型案例簡要?dú)w納如下。

（一）綠色出行的電動(dòng)飛機(jī)

中國航空研究院發(fā)表的《電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展白皮書》[17]中指出：電動(dòng)飛機(jī)以電能作為推進(jìn)系統(tǒng)的全部或部分能源，是航空業(yè)貫徹綠色航空、應(yīng)對(duì)全球環(huán)境挑戰(zhàn)的重要舉措，是“第三航空”時(shí)代的重要標(biāo)志，將對(duì)世界航空業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。通過給學(xué)生系統(tǒng)講述電動(dòng)飛機(jī)的由來、美國等國近期發(fā)展的電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目及我國的電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，讓學(xué)生們充分了解電動(dòng)飛機(jī)和電動(dòng)航空的未來發(fā)展趨勢，提高其學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的興趣和動(dòng)力。電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展路線如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展路線

（二）源頭“零排放”的氫動(dòng)力航空

歐盟發(fā)布的《氫燃料航空規(guī)劃》[18]（Hydrogen-powered Aviation）中指出：氫燃料適合支線、區(qū)域、短程和中程運(yùn)輸飛機(jī)；采用氫燃料的噴氣客機(jī)較現(xiàn)有的航煤燃料飛機(jī)可以減排50%～75%，采用氫燃料電池的電動(dòng)飛機(jī)可以減排75%～90%。通過給學(xué)生講述未來航空碳排放和碳中和發(fā)展趨勢、美國等國為了達(dá)到2035 年和2050年碳排放目標(biāo)而提出的氫動(dòng)力航空規(guī)劃及我國在氫能產(chǎn)業(yè)和氫能航空領(lǐng)域所作的貢獻(xiàn)，讓學(xué)生充分了解氫動(dòng)力飛機(jī)和氫動(dòng)力航空的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，拓展其專業(yè)知識(shí)背景和學(xué)科發(fā)展方向。氫動(dòng)力飛機(jī)和儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 氫動(dòng)力飛機(jī)和儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)

（三）高效飛行的下一代大型民用飛機(jī)

作為美歐等航空強(qiáng)國推崇的最具潛力的下一代亞音速和超音速民用飛機(jī)機(jī)型，具有高升阻特性、油耗優(yōu)勢的翼身融合布局高亞音速飛機(jī)項(xiàng)目和具有二倍音速巡航的超音速飛機(jī)項(xiàng)目均已獲得了階段性進(jìn)展，引領(lǐng)著世界下一代大型民用飛機(jī)的發(fā)展方向。通過給學(xué)生系統(tǒng)講述下一代大型民用飛機(jī)的研發(fā)背景、波音和空客兩大航空巨頭的預(yù)研機(jī)型特點(diǎn)及我國大飛機(jī)工程的最新進(jìn)展，讓學(xué)生充分了解下一代大型民用飛機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)和國內(nèi)外差距，開闊其專業(yè)視野的同時(shí)培養(yǎng)其航空?qǐng)?bào)國精神。下一代亞音速和超音速民用飛機(jī)如圖3 所示。

圖3 下一代亞音速和超音速民用飛機(jī)

（四）城市立體交通中的空中出租車

在電推進(jìn)、高能電池等新型技術(shù)的不斷推動(dòng)下，變革性空運(yùn)方式可能成為解決城市交通擁堵問題的有效手段之一，具備短距或垂直起降、便捷操控、高效率及低排放等綜合性能的空中出租車無疑將成為其中亮眼的主角。通過給學(xué)生系統(tǒng)講述城市立體交通發(fā)展背景、垂直起降飛行器（VTOL）發(fā)展動(dòng)態(tài)及我國城市立體交通構(gòu)建進(jìn)程，讓學(xué)生充分了解空中出租車的主要類型和垂直起降飛行器的技術(shù)特點(diǎn)，擴(kuò)大其專業(yè)認(rèn)知范圍和學(xué)科發(fā)展空間。空中出租車如圖4 所示。

圖4 空中出租車

（五）民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)展

輕質(zhì)、高效率、易加工、多功能及智能化等一直以來都是民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)追求的目標(biāo)，近年來先后出現(xiàn)的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)、多功能結(jié)構(gòu)、智能結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)及激光增材制造結(jié)構(gòu)等正在一次又一次地刷新人們對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和定義。通過給學(xué)生系統(tǒng)講述民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的最新技術(shù)進(jìn)展、典型應(yīng)用場景及我國在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)的熱點(diǎn)/難點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢，培養(yǎng)其飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維和前瞻性意識(shí)。變體飛機(jī)結(jié)構(gòu)和激光增材制造結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 變體飛機(jī)結(jié)構(gòu)和激光增材制造結(jié)構(gòu)

（六）航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)展

航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)主要關(guān)注軍民機(jī)服役或運(yùn)營過程中可能遭遇的典型沖擊問題，主要包括飛機(jī)正常著陸/非正常著陸、飛鳥與冰雹等離散源撞擊、發(fā)動(dòng)機(jī)包容性及戰(zhàn)斗損傷或客艙內(nèi)的最小風(fēng)險(xiǎn)炸彈位置等[19-20]。通過給學(xué)生系統(tǒng)講述航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)（圖6）的最新研究進(jìn)展、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)方法及我國在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)的專業(yè)發(fā)展方向和近期研究熱點(diǎn)，提升其航空結(jié)構(gòu)的認(rèn)知水平和專業(yè)素養(yǎng)。

圖6 航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)

（七）翼身融合布局民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

翼身融合布局民用飛機(jī)具有大升阻比、低阻力和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)[21-23]，是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ母邅喴羲倏蜋C(jī)之一，而其非圓截面機(jī)身結(jié)構(gòu)承載效率低和穩(wěn)定性差等問題已成為急需解決的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題[21-23]。為此本教研組跟蹤該學(xué)科方向十余年，潛心研究，獲得了階段性研究成果。通過給學(xué)生系統(tǒng)講述翼身融合布局民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)（圖7）特點(diǎn)、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及本教研組關(guān)于新型縫合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載特性的研究歷程和方法，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的研發(fā)過程和設(shè)計(jì)思想演變，鼓勵(lì)學(xué)生深度參與此類科研訓(xùn)練（部分成果課內(nèi)講評(píng)和交流），樹立其刻苦鉆研的精神和追求卓越的價(jià)值理念。

圖7 翼身融合布局民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)

（八）機(jī)翼前緣電脈沖除冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

電脈沖除冰系統(tǒng)具有能耗低、效率高及結(jié)構(gòu)簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)，已成為未來飛機(jī)防/除冰技術(shù)的主要發(fā)展方向之一[24-25]。本教研組針對(duì)機(jī)翼前緣電脈沖除冰結(jié)構(gòu)（圖8）開展了近十年的系統(tǒng)研究，取得了一些具有工程應(yīng)用價(jià)值的研究成果。通過給學(xué)生系統(tǒng)講述電脈沖除冰系統(tǒng)的電動(dòng)—機(jī)械除冰原理、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及本教研組關(guān)于翼面結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)和沖擊疲勞的研究方法和思路，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)多學(xué)科交叉融合背景下飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)思想的演化，鼓勵(lì)學(xué)生深度參與此類科研訓(xùn)練（部分成果課內(nèi)講評(píng)和交流），激發(fā)其自主學(xué)習(xí)交叉學(xué)科知識(shí)的動(dòng)力和積極性。

圖8 機(jī)翼前緣電脈沖除冰結(jié)構(gòu)

二、科研育人教學(xué)方法總結(jié)

在近二十年的專業(yè)課程教學(xué)中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)課教研組始終堅(jiān)持挖掘、搜集和梳理航空領(lǐng)域的新事件、新理念和新方法，歸納總結(jié)出航空技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向、新趨勢；同時(shí)注重學(xué)生科研精神培養(yǎng)，始終堅(jiān)持將最新的研究成果分享給學(xué)生，并積極鼓勵(lì)學(xué)生參與進(jìn)來。經(jīng)過多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累和凝練，形成了系列化的教學(xué)案例，提出了從“新”到“心”三位一體的課程內(nèi)科研育人教學(xué)方法（構(gòu)建方案如圖9 所示）。

圖9 三位一體教學(xué)方法構(gòu)建方案

從“新”到“心”的課程內(nèi)科研育人教學(xué)方法簡要總結(jié)如下。

（一）旁征博引，登高望遠(yuǎn)，從“新知”到“心動(dòng)”的拓展

航空專業(yè)課教師應(yīng)具有寬廣的專業(yè)知識(shí)背景和洞察未來航空技術(shù)發(fā)展趨勢的敏銳眼光，密切跟蹤未來航空技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，多方位、多渠道地搜集和整理教學(xué)素材，形成系統(tǒng)化的教學(xué)案例（如上節(jié)所述的電動(dòng)飛機(jī)、氫動(dòng)力航空、下一代大型民用飛機(jī)及空中出租車等典型案例），為學(xué)生架起登高望遠(yuǎn)的階梯，使其“心動(dòng)”于捕獲“新知”。

（二）博采眾長，勇于創(chuàng)新，從“新技”到“心得”的領(lǐng)悟

航空專業(yè)課教師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注本學(xué)科和相關(guān)學(xué)科的最新研究成果及其應(yīng)用前景，廣泛搜集和整理航空領(lǐng)域新技術(shù)的研發(fā)動(dòng)態(tài)，形成系統(tǒng)化的教學(xué)案例（如上節(jié)中的民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)、航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)等典型案例），為學(xué)生觸及航空新技術(shù)和領(lǐng)悟技術(shù)創(chuàng)新所帶來的巨大潛能鋪就多條途徑，使其“心得”于斬獲“新技”。

（三）迎難而上，授之以漁，從“新法”到“心裁”的開啟

航空專業(yè)課教師應(yīng)善于將自身的研究成果和所關(guān)注的前沿科學(xué)技術(shù)問題顯性化地展示給學(xué)生，除了形成系統(tǒng)化的教學(xué)案例（如上節(jié)中的翼身融合布局民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)翼前緣電脈沖除冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等典型案例），還應(yīng)積極鼓勵(lì)學(xué)生參與到這場科學(xué)技術(shù)盛宴中，從展示科研成果“大餐”的“授之以魚”到傳授烹飪“大法”的“授之以漁”，全方位為學(xué)生提供“科研訓(xùn)練場”和“奇思大舞臺(tái)”，使其“心裁”于練就“新法”。

三、教學(xué)成效分析

作為從“新”到“心”課程內(nèi)科研育人教學(xué)方法的實(shí)踐者，本教研組始終以學(xué)生融會(huì)貫通和心領(lǐng)神會(huì)為目標(biāo)，堅(jiān)持價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授有機(jī)統(tǒng)一，不僅是新知識(shí)、新技術(shù)和新方法等創(chuàng)新內(nèi)容的“搬運(yùn)工”，更是學(xué)生心態(tài)、心意和心靈上的“知心人”。

（一）“天高任鳥飛”，為飛鳥提供高天

通過電動(dòng)飛機(jī)、氫動(dòng)力航空、下一代大型民用飛機(jī)及空中出租車等典型案例講授，使學(xué)生“遠(yuǎn)望”了世界航空技術(shù)領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢，深刻體會(huì)到了“天高任鳥飛”的獲得感和滿足感，更重要的是讓學(xué)生明晰了“登高”的方向和“天高”的廣博。

（二）“上下而求索”，為求索者提供階梯

通過民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)展、航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)展等典型案例講授，使學(xué)生“博采”了航空技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果，深刻體會(huì)到了“上下而求索”的堅(jiān)毅和卓絕，更重要的是為學(xué)生勇攀科學(xué)技術(shù)高峰奠定了厚積的“肩膀”和“求索”的臺(tái)階。

（三）“實(shí)踐出真知”，為實(shí)踐者提供舞臺(tái)

通過翼身融合布局民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)翼前緣電脈沖除冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等典型案例講授，使學(xué)生“練就”了發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題、找準(zhǔn)研究思路、大膽實(shí)踐求證及精益求精等基本的科學(xué)研究方法和素養(yǎng)，深刻體會(huì)到了“實(shí)踐出真知”的實(shí)質(zhì)和內(nèi)涵及“工程問題—科學(xué)求解—工程應(yīng)用”良性科研循環(huán)的“永動(dòng)機(jī)理”，更重要的是為學(xué)生的真知灼見搭建了“思維秀場”和“實(shí)踐廚房”。

四、結(jié)束語

本文以飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)課為例，通過系統(tǒng)介紹電動(dòng)飛機(jī)、氫動(dòng)力航空、下一代大型民用飛機(jī)、空中出租車、民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)、航空結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)技術(shù)、翼身融合布局民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及機(jī)翼前緣電脈沖除冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等科研育人典型案例，構(gòu)建了以“旁征博引，登高望遠(yuǎn)”“博采眾長，勇于創(chuàng)新”“迎難而上，授之以漁”為核心的從“新”到“心”三位一體的課程內(nèi)科研育人教學(xué)方法，并進(jìn)行了教學(xué)成效分析，期望能夠?yàn)楹娇諏I(yè)科研育人和高等學(xué)校課程教育教學(xué)改革提供可借鑒的方法和有價(jià)值的參考。