航空航天方向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

摘 "要 "教學(xué)實(shí)驗(yàn)室是專業(yè)人才培養(yǎng)的重要支撐部分，從實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃布局、課程的改革創(chuàng)新、科創(chuàng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)搭建等方面探討以學(xué)生為中心、讓每一位學(xué)生更優(yōu)秀的培養(yǎng)理念和目標(biāo)，從功能區(qū)域管理到開(kāi)放式運(yùn)行，從實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)到科創(chuàng)活動(dòng)的實(shí)施，從校內(nèi)資源的有機(jī)結(jié)合到校外資源的合作共贏，梳理出一條適合綜合性大學(xué)航空航天工程專業(yè)的人才培養(yǎng)路徑，為一流專業(yè)的建設(shè)發(fā)展提供更加優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞 "航空航天工程專業(yè)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)室；科創(chuàng)工作室

中圖分類號(hào)：G642.423 " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）14-0131-04

Discussion on Undergraduate Experimental Teaching Re-

form Based on Aerospace Direction//LYU Xinying， ZHANG

Xiaohui， YU Wensheng

Abstract "Teaching laboratory is an important supporting part

of major talent training. This paper discusses the training con-

cept and goal of taking students as the center and making each

student better from the aspects of laboratory planning and

layout， curriculum reform and innovation， the design and con-

struction of science， innovation platform， from functional area management to open operation， from the design of expe-

rimental courses to the implementation of science and inno-

vation activities， from the organic combination of on campus

resources to the win-win cooperation of off campus resources，

sort out a talent training path suitable for Aerospace Engi-neering Majors in comprehensive universities， so as to pro-vide more high-quality experimental teaching resources for the construction and development of first-class majors.

Key words "aerospace engineering majors; teaching labora-tory; science and innovation studio

0 "引言

航空航天工業(yè)是目前世界上最先進(jìn)、最高端的一種技術(shù)工程類產(chǎn)業(yè)，幾乎世界上所有最新的技術(shù)發(fā)明都被優(yōu)先應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。航空航天類專業(yè)是工科專業(yè)，又不同于傳統(tǒng)工科專業(yè)，涉及機(jī)械、力學(xué)、材料、電子信息、自動(dòng)化控制等多學(xué)科多門類的綜合知識(shí)，因此，制訂培養(yǎng)方案時(shí)必須兼顧多個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，這就需要在規(guī)劃建設(shè)實(shí)驗(yàn)室時(shí)多方面考慮。同時(shí)，在一流專業(yè)建設(shè)需求下，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室是以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，承擔(dān)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、綜合能力和創(chuàng)新能力的任務(wù)，是高校進(jìn)行人才培養(yǎng)的重要平臺(tái)[2]，其作用尤為重要?；趧?chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)改革是深化我國(guó)高校教育改革的必然趨勢(shì)[3]，做好頂層規(guī)劃、分步實(shí)施、逐步提升，將實(shí)驗(yàn)課程和科創(chuàng)競(jìng)賽有機(jī)結(jié)合，集中人員和設(shè)備等資源，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐和科技創(chuàng)新能力。

1 "基于基礎(chǔ)知識(shí)和創(chuàng)新平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃

在已有實(shí)驗(yàn)室管理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理模塊[4]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等，按照不同種類將實(shí)驗(yàn)空間按照功能進(jìn)行劃分。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，良好的教學(xué)秩序是取得良好教學(xué)效果的基本保障。當(dāng)有若干個(gè)小組同時(shí)在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，保證各個(gè)小組順利完成自己的實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，不對(duì)其他小組形成干擾，就顯得尤為重要。由于采用區(qū)域功能化的思路，每個(gè)小組在進(jìn)行不同內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)區(qū)域不會(huì)發(fā)生交叉。對(duì)于需要在同一功能區(qū)內(nèi)操作的不同實(shí)驗(yàn)小組，只要在時(shí)間上進(jìn)行一定的調(diào)整，在使用時(shí)間上不發(fā)生重疊，就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，提高設(shè)備使用效率。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)區(qū)主要用來(lái)完成專業(yè)課程配套實(shí)驗(yàn)，將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室房間和設(shè)備按照類別與功能進(jìn)行分類管理，按照人才培養(yǎng)方案和專業(yè)課程的設(shè)定，根據(jù)航空航天工程專業(yè)的授課內(nèi)容特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)區(qū)域分為材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)區(qū)、氣動(dòng)與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)區(qū)、飛行控制實(shí)驗(yàn)區(qū)和數(shù)字仿真計(jì)算分析區(qū)等。同一區(qū)域完成同類別實(shí)驗(yàn)，方便學(xué)生將知識(shí)點(diǎn)貫通應(yīng)用。針對(duì)設(shè)備種類多、臺(tái)套數(shù)少的特點(diǎn)，為了最大限度地利用儀器設(shè)備的資源優(yōu)勢(shì)和提高其利用率，減少不必要的經(jīng)費(fèi)浪費(fèi)[5]，開(kāi)設(shè)十組實(shí)驗(yàn)，十組學(xué)生同步進(jìn)行，無(wú)論是時(shí)間、空間還是實(shí)操性，都得到極大提升。

創(chuàng)新平臺(tái)為學(xué)生的日?？萍紕?chuàng)新活動(dòng)、科研訓(xùn)練計(jì)劃、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、比賽競(jìng)賽等提供軟硬件支撐。參照飛行器從設(shè)計(jì)到制造試飛的完整工序，創(chuàng)新區(qū)域分為分析與設(shè)計(jì)區(qū)、機(jī)械加工區(qū)、部件整機(jī)組裝區(qū)、調(diào)試試飛區(qū)。該區(qū)域?yàn)槿W(xué)生24小時(shí)開(kāi)放，同時(shí)設(shè)有圖書角，緊鄰學(xué)院咖啡吧，營(yíng)造輕松愉悅的學(xué)術(shù)氛圍。

2 "基于國(guó)際化人才培養(yǎng)的雙語(yǔ)需求和重點(diǎn)

課程配套建設(shè)

歐美的高水平大學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)都十分重視，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、儀器等的規(guī)范管理和高效率利用，使之更好地為學(xué)校教學(xué)科研工作服務(wù)[6]。在人才培養(yǎng)方案的制定方面借鑒歐美先進(jìn)教學(xué)理念，融合中西方文化元素，制定符合綜合性大學(xué)航空航天工程專業(yè)的培養(yǎng)體系，參照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)航空航天工程專業(yè)的人才培養(yǎng)需求，將專業(yè)課程中的核心要素加以提煉，單獨(dú)設(shè)立實(shí)驗(yàn)課，分別為專業(yè)基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)“航空航天實(shí)驗(yàn)I”和綜合創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)“航空航天實(shí)驗(yàn)II”。其中“航空航天實(shí)驗(yàn)I”在第五學(xué)期開(kāi)設(shè)，針對(duì)學(xué)生的知識(shí)水平和課程的內(nèi)容需求，開(kāi)發(fā)線上線下相結(jié)合的中英文雙語(yǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)飛機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)知、總裝、飛行性能計(jì)算、飛行控制等一條主線，針對(duì)大型民用客機(jī)完成從拆裝到設(shè)計(jì)、從總裝到飛行的閉環(huán)訓(xùn)練。

疫情的發(fā)生對(duì)高校信息化教學(xué)建設(shè)和水平是一場(chǎng)考驗(yàn)[7]，考慮后疫情時(shí)代的學(xué)生分布特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程采用虛實(shí)結(jié)合方式，分為課上講解和課下實(shí)踐相搭配，學(xué)生通過(guò)Web端即可完成飛行體驗(yàn)，真實(shí)的飛機(jī)教具拆裝和虛擬的飛機(jī)設(shè)計(jì)組裝控制相結(jié)合，進(jìn)一步加深對(duì)大型民用客機(jī)的基礎(chǔ)認(rèn)知和整體設(shè)計(jì)流程的理解，充分認(rèn)識(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、翼型選取、發(fā)動(dòng)機(jī)選取等對(duì)其飛行性能產(chǎn)生的不同影響，初步掌握飛機(jī)總體設(shè)計(jì)及飛行控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)過(guò)程和方法。具體實(shí)施過(guò)程和計(jì)劃達(dá)到的實(shí)施效果如表1所示。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供開(kāi)放的交互式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，中英文雙語(yǔ)版，學(xué)生借助Web端即可隨時(shí)訪問(wèn)。通過(guò)對(duì)飛機(jī)參數(shù)的設(shè)定、飛行控制過(guò)程的操作，可以很大程度發(fā)揮學(xué)生的自主能動(dòng)性，讓學(xué)生通過(guò)互動(dòng)實(shí)操、優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制算法演練等，結(jié)合人機(jī)交互虛擬仿真系統(tǒng)，真實(shí)感受飛行器的飛行狀態(tài)，在實(shí)踐中了解掌握飛機(jī)的飛行原理和設(shè)計(jì)原則。借助VR技術(shù)，可使知識(shí)點(diǎn)更加生動(dòng)和直觀地展現(xiàn)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與主動(dòng)性，有效記憶與理解重難點(diǎn)，提高教學(xué)效率與質(zhì)量。將航空器結(jié)構(gòu)組成、推進(jìn)原理、起降過(guò)程、飛行控制等全過(guò)程通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)廣大學(xué)生開(kāi)放，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，并為高年級(jí)學(xué)生開(kāi)放端口設(shè)計(jì)。該課程獲得市級(jí)重點(diǎn)課程建設(shè)立項(xiàng)，同時(shí)開(kāi)發(fā)配套線下設(shè)備，搭建飛行控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，形成線上線下相結(jié)合的授課模式。

3 "基于項(xiàng)目式設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的建設(shè)

參照國(guó)內(nèi)外高校高水平教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理經(jīng)驗(yàn)[8-10]，將實(shí)驗(yàn)課程與科創(chuàng)活動(dòng)結(jié)合起來(lái)，既完成課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，又培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。“航空航天實(shí)驗(yàn)II”在第六學(xué)期開(kāi)設(shè)，此階段的學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)已經(jīng)有了初步了解，專業(yè)課程的學(xué)習(xí)在同步進(jìn)行。本門實(shí)驗(yàn)課程32學(xué)時(shí)，其中16學(xué)時(shí)針對(duì)專業(yè)課程，如自動(dòng)控制原理和飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)等核心知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠做到與專業(yè)課上的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證，培養(yǎng)運(yùn)用理論知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力；另外16學(xué)時(shí)采用項(xiàng)目式教學(xué)法，分組完成課程目標(biāo)的設(shè)計(jì)、實(shí)施，鍛煉工程應(yīng)用和科技創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及推進(jìn)原理、飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)、自動(dòng)控制原理、飛行器設(shè)計(jì)等專業(yè)課程，實(shí)驗(yàn)課堂上將上述專業(yè)課程的理論、公式、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和程序?qū)崿F(xiàn)具體化、可視化，使課程內(nèi)容成為研究生和航空航天從業(yè)技術(shù)人員的基礎(chǔ)訓(xùn)練內(nèi)容。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖1所示。

信息化建設(shè)是解決問(wèn)題的有力途徑[11-13]。通過(guò)學(xué)校的公共平臺(tái)Canvas系統(tǒng)完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，包括課程講義和預(yù)習(xí)視頻等材料，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行信息化建設(shè)，每套設(shè)備有專屬二維碼，學(xué)生可以通過(guò)掃描二維碼熟悉設(shè)備的工作原理、操作步驟、注意事項(xiàng)等內(nèi)容，便于開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

采用項(xiàng)目式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)勢(shì)在于注重跟蹤相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展，并將其反映在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，讓學(xué)生可以及時(shí)了解領(lǐng)域前沿和技術(shù)方面的更新?lián)Q代，旨在鍛煉學(xué)生將專業(yè)課程融會(huì)貫通，綜合解決專業(yè)問(wèn)題的實(shí)踐動(dòng)手能力。

4 "科創(chuàng)工作室的建設(shè)

德國(guó)教育宣言中提到：教育的目的，不是培養(yǎng)人們適應(yīng)傳統(tǒng)的世界，不是著眼于實(shí)用性的知識(shí)和技能，而要去喚醒學(xué)生的力量，培養(yǎng)他們自我學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、抽象的歸納能力和理解力，以便使他們?cè)谀壳盁o(wú)法預(yù)料的種種未來(lái)局勢(shì)中，自我作出有意義的選擇[14]。黨的十九大報(bào)告指出：深化科技體制改革，建立以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系。與行業(yè)聯(lián)合共建科創(chuàng)工作室，緊密貼合行業(yè)發(fā)展需求，及時(shí)了解行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，儲(chǔ)備最新技能。新時(shí)代背景下對(duì)于人才的要求體現(xiàn)在綜合素質(zhì)方面，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的實(shí)用型人才，既需要有非常扎實(shí)的理論功底，更需要有熟練的實(shí)踐操作能力，特別是實(shí)踐創(chuàng)新能力[15]。因此，在培養(yǎng)過(guò)程中堅(jiān)持以“加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)、開(kāi)拓創(chuàng)新思維、培養(yǎng)實(shí)踐能力、提高綜合素質(zhì)”為指導(dǎo)思想，以培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，積極探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)途徑。與學(xué)生創(chuàng)新中心聯(lián)合成立分中心，促進(jìn)校內(nèi)資源的有效整合和實(shí)時(shí)共享，分中心為工程實(shí)踐課程派送班主任，實(shí)施小班制管理，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)做到全程跟蹤和指導(dǎo)，將課程孵化的作品繼續(xù)培育，鼓勵(lì)學(xué)生參加科創(chuàng)項(xiàng)目，做到從入門到興趣培養(yǎng)的無(wú)縫對(duì)接。

產(chǎn)教融合育人在高等工程教育人才培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[16]。在充分利用校內(nèi)資源的同時(shí)，積極探索與校外相關(guān)企業(yè)合作共贏，聯(lián)合共建科創(chuàng)工作室，為參與科創(chuàng)活動(dòng)的學(xué)生分配企業(yè)導(dǎo)師，及時(shí)了解行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，從行業(yè)需求的角度開(kāi)展科創(chuàng)課題，定期舉辦科創(chuàng)活動(dòng)優(yōu)秀項(xiàng)目成果展和分享沙龍；組織和舉辦相關(guān)比賽競(jìng)賽，促進(jìn)相關(guān)專業(yè)的交流互通，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，也為后續(xù)的研究生階段學(xué)習(xí)做了很好的銜接。

5 "結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)室的頂層設(shè)計(jì)到精細(xì)化管理，從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建到吸引學(xué)生，從實(shí)驗(yàn)課程的有序開(kāi)展到科創(chuàng)活動(dòng)的實(shí)踐能力培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)室摸索出一條適合綜合性大學(xué)航空航天工程專業(yè)的人才培養(yǎng)路徑，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃建設(shè)還是課程體系的凝練提升，都有章可循。接下來(lái)會(huì)加強(qiáng)信息化建設(shè)和管理，形成科創(chuàng)活動(dòng)常態(tài)化，以此增強(qiáng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，夯實(shí)專業(yè)理論知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和開(kāi)拓國(guó)際視野，為一流人才的培養(yǎng)貢獻(xiàn)力量。

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