强化应用理念的“气体动力学”教学改革探索与实践

孙振生　强洪夫　张智勇　张世英

【摘要】针对部队对复合型、应用型人才的需要，配合军队院校新一轮的教学改革，就如何在“气体动力学”课程中强化应用理念从调整教学内容、锤炼教学团队、改革教学模式、创新考核方法等方面进行了探索和实践，对提高“气体动力学”的教学质量发挥了很好的作用。

【关键词】气体动力学 应用理念 教学改革

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）19-0234-02

一、引言

“气体动力学”是流体力学的一个重要分支，随着现代科技的发展，气体动力学在航天、航空、兵器、环境、气象等领域得到了飞速发展。特别是在航空航天和流体机械领域，如吸气式发动机、火箭发动机、燃气轮机以及现在各国竞相研究的高超声速飞行器等的研制与发展，对具有宽广而深厚的气体动力学知识的人才均具有迫切的需求。

根据本校新版的人才培养方案，“气体动力学”是相关专业本科三年级学员开设的专业基础类必修课程。课程的培养目标是让学员理解气体动力学的发展历程和研究方法，掌握气体动力学的基本概念、基本组成等基础知识，了解气体动力学在相关装备设计、研制中的作用，为后续专业课的打下良好的基础。同时，注重强化学员的应用意识，注重理论联系实际，培养学员利用所学知识解决实际工程问题的能力，能够在思维能力、情感态度与价值观等方面得到锻炼和提高，为部队相关装备的技术保障和发展建设培养“技指合一”的复合型人才。

从人才培养目标可以看出，在新军事变革和武器装备跨越式发展对复合型人才需求的大背景下，新版人才培养方案更为注重应用型、创新型人才的培养，更加注重培养学员的综合运用知识分析问题和解决问题的能力。对学员而言，这门课程处于从基础课学习到专业课学习的过渡阶段，课程的教学既要保证学员掌握扎实的理论基础知识，又要考虑与后续专业课程的衔接，为后续专业课的学习做好铺垫，进而能够分析解决第一任职需要掌握的专业技术问题。课程教学团队经过几年的探索和时间，从授课内容的调整、教学团队的锤炼、教学模式的改革、考核方式的创新几个方面对课程教学进行了全面的改革，有力的促进了理论授课与综合素质培养的结合，取得了很好的教学效果。

二、强化应用理念，注重教学内容调整

“气体动力学”的一个重要特点是理论性强，概念抽象，描述气体运动规律的微分方程非常复杂，有关公式和结论的推导过程冗长繁杂，且对学员的数学知识要求较高。传统的“气体动力学”教学内容和教学设计过分强调公式的推导，大量的板书推导不仅占用了相当多的课堂时间，而且容易使学生感到枯燥乏味，甚至产生厌学情绪，使得教学难以达到预期的效果。笔者认为，“气体动力学”是一门来源于工程实际的课程，对工科的学生而言，学习这门课程更重要的目的是将所学的知识应用到实践中去。因此，课堂内容的讲解重点应放在分析问题的思路和方法，讲清基本概念，强调公式背后的物理意义及其适用范围，而淡化大量繁杂的数学变换。这样既可以节约大量的课堂时间用来突出教学的重点难点，也可以使课堂气氛变得轻松活泼。在这种理念的指引下，结合课时压缩的实际，课程教学团队首先根据本专业的需要对教材中的教学内容进行了有针对性的优化，压缩了不可压缩流体方面的内容，将重点放在可压缩流体特别是超声速流体的特有现象，并根据后续学习“发动机原理”的要求，重点讲述可压缩流体的管道流动。在具体内容的讲解过程中，采用“问题导引式”，力图做到“概念准确、原理深入、推导简化、学以致用”。如在讲解激波概念时，可以通过飞机发展过程中出现的“音障”问题引入；在讲解激波的反射与相交时，可以通过火箭发射时“糖葫芦”状的尾焰形状引入；在讲解卡门涡街的概念时，可以通过风吹过电线或树枝发出的“呜呜”响声引入等。这种问题导引式的方法不仅强化了教学内容的应用理念，还可以使学员理解气体动力学不是空洞的理论，而是与生活紧密相连，增强其学习的兴趣和自信心。

三、依托科研优势，提高授课队伍水平

教学与科研是相辅相成，互为一体的，教学是科研的“隐形动力”，而科研是教学的“源头活水”。如果没有科研的支撑，教学必然不深不透。若要对教学内容把握准确，讲解深入浅出，必须要求教师在相关领域有较为深入的研究。

本课程教学团队长期从事飞行器气动设计中的关键基础问题研究和技术开发，承担了国家自然科学基金、航空基金、陕西省自然科学研究计划、军队预研和军队科研等多项研究课题。这些课题既有空气动力学的基础理论研究，也有相关理论在具体装备中的应用研究，课程教学团队在这些课题的研究过程中，把基础的气体动力学背景知识同装备研制和使用进行了有机结合，既锻炼了教学团队对基础知识的理解和掌控能力，又形成了大量来源于工程实际的教学素材，为教学团队的建设和教学内容的改革提供了坚实的基础。

同时，教学团队所在的实验室既拥有可用于实验教学的小型风洞、烟风洞、测力装置等实验设备，还拥有如热线风速仪、计算平台以及Fluent等CFD计算软件，这些软硬件为锤炼教学团队提供了良好的平台。此外，我们还组织团队人员参加学术会议和教育教学研讨会，并定期邀请校内外的专家做专题讲座或学术报告。对新进入团队的青年教员安排专人帮带，采用随堂听课、集体备课、组内研讨等方式帮助他们成长。力争经过3-5年的努力，建立一支年龄结构合理、科研能力强、教学水平高、既具有理论知识又具备工程经验的教学团队。

四、改革教学模式，加强实验教学环节

实验教学是气体动力学教学一个不可缺少的环节。通过实验教学，不但可以增强学员的感性认识，巩固学习的理论知识，还可以通过实验的操作，锻炼学员的实际动手能力，掌握一定的实验技能。此外，实验知识的预习、实验操作、实验数据的整理分析、实验报告的撰写这一全流程的工作可以看作是一个解决工程实际工程问题的过程，是应用理念的具体体现。

在以往的教学过程中，由于课时总数的限制和对实验重视程度的不够，实验课的学时数被大量压缩，甚至出现理论课占用实验课的情况。同时，受实验室实验设备的限制，学员分组每组人数较多，组员之间容易产生相互依赖现象。为此，在新版人才培养方案的论证过程中，进一步增加了实验课的课时，并加大了实验课成绩在最终成绩中的比重。同时，利用“2110建设”、“科研条件建设”等专项资金，淘汰了一批陈旧的实验设备，增加了新型实验设备的数量，将实验小组人员的数量降至3人以下。并根据实验的不同，确定组员之间明確的分工，在发挥学员主观能动性的同时，重视团结合作精神的培养。

实验教学不同于理论教学，实验室场地开阔，学员在实验过程中自由行动，相互配合，可以更好地完成实验。但也给管理和安全带来一定的隐患，学生由于走动频繁，容易造成实验仪器的损坏，甚至造成人身安全事故。为此，教学团队根据军校学员的特点，提出了“战位”教学方法。即在实验的过程中，严格按照部队训练的方式将学员划分成各个号位，将实验流程分解、细化，每个人按照实验流程有秩序的完成自己的实验操作。这种方法不但可以有效地避免仪器的损害和安全事故的发生，还给学员提供了一个贴近部队实际的训练场景，对学员第一任职能力的培养和部队工作模式的适应具有积极的意义。从实际效果来看，这种培养模式不但能使学员短时间内规范地掌握实验的操作步骤、过程，提高了学员的动手能力，还为学员的部队任职打下了良好的基础。

此外，为进一步强化应用理念，培养学员的创新能力，根据实验内容的不同，将实验分为演示性实验、验证性实验、综合性实验和创新型实验等多种类型，并鼓励学有余力的学员依据实验室现有条件开发设计性实验，以满足不同类型学员的需求。

五、创新考核方法，注重知识综合运用

教学离不开考试，考试是反映学员学习效果和教师教学效果的重要手段。关键采用何种方式进行考试考核，才能更好地反映学员对知识的掌握能力和运用程度是一个需要研究的课题。传统的“气体动力学”考试一般采用闭卷形式，主要考察学员对基础知识的掌握程度，难以反映学员运用基础知识解决实际问题的能力。

为了强化应用理念，课程教学团队将考核方式修改为闭卷+开卷模式，闭卷主要考察学员对基本知识的掌握能力，题型以選择、判断、填空、简答形式为主；开卷考试主要考核学员运用知识分析问题、解决问题的能力，题型以计算、分析和论述为主，开卷考试允许学员查阅教材、学术论文等资源，二者分值各占考试总分值的50%。此外，为了强化学员的实验能力和平时表现，将最终成绩的评定分为考试成绩+实验成绩+平时作业成绩三部分，权重的分配分别为60%、30%和10%。若学员能对某一问题有较为深入的研究，鼓励学员以学术论文或者报告的形式呈现，教员根据论文的质量给予一定程度的额外加分。为充分调动学员的积极性，在第一次上课时将考核方式和评定方法宣布。

该方法经过近十年的完善和发展，取得了较好的效果，较为有效地避免了学员考前“临阵磨枪”式的死记硬背现象，较为真实地考察了学员对知识的掌握情况。总之，考试不是目的，仅是手段，如何能通过考核进一步调动学员学习积极性和对知识的掌握运用能力也是一个需要继续研究的课题。

六、结语

作为本专业的一门重要的专业基础课程，“气体动力学”既有深入的理论，又能结合实验锻炼学员综合运用知识的能力。在培养复合型、应用型人才的教学改革和教学实践中，笔者就如何在“气体动力学”的教学过程中强化应用理念从教学内容调整、锤炼教学队伍、改革教学模式、创新考核方式做了一些探讨和实践。教学改革是一个永恒的话题，如何能在将来的教学中结合部队对人才的需要进一步提高教学质量仍是一个亟需研究的课题。

参考文献：

[1]陈平等.强化工程理念的流体力学教学实践与探索[J].中国现代教育装备， 2015，229：100-102.

[2]李伟锋等.依托科研优势建设面向应用特色的流体力学课程[J].化工高等教育，2010，113： 20-23.

[3]孙振生等. CFD技术应用于本科生“气体动力学”的探讨[J].教育教学论坛， 2015，18：156-157.

作者简介：

孙振生（1982-），男，汉族，山东泰安人，博士，副教授，研究方向：计算流体力学和湍流的数值模拟。