从“新”到“心”的课程内科研育人教学方法研究——以飞机结构设计专业课为例

张永杰，万小朋，王海涛，张晓化

（西北工业大学 民航学院，西安 710072）

为全面落实教育部《高校思想政治工作质量提升工程实施纲要》，深入推进“三全育人”和“十育人”体系建设，全国高等学校结合各自办学特色和学科特点先后出台了一系列“三全育人”和“十育人”综合改革实施计划[1-2]。作为“十育人”的重要组成部分，科研育人[3-5]的地位和作用尤为突出。如何打通“科研+教学”立德树人通道[6]、践行“科研的核心是育人”教育理念[7-8]、提高科研育人教学质量[9-10]及获得可复制的科研育人教育教学模式[11-12]，一直以来都是高等教育管理者和高等学校教育工作者亟待解决的核心问题。

作为科研育人的重要阵地，高等学校本科专业课程教学以其课程育人、思政育人和科研育人等多重作用和立德树人重要载体[13-16]，发挥着越来越重要的作用。飞机结构设计专业课由飞行器结构设计、结构维修与适航、飞机结构疲劳强度与断裂分析及飞机液压元件与系统、航空结构仿真分析及民航概论等必修和选修课程组成，是培养飞行器设计与工程等航空专业本科人才的重要教学环节，决定着航空类本科生的专业培养质量和人才竞争力水平。因此，拥有航空本科专业的高等学校都非常重视高水平专业课程的建设和全方位科研育人体系的构建。本文就是在此大背景下，以西北工业大学飞机结构设计专业课为例，系统展示了专业课内科研育人典型案例，总结并提出了一种从“新”到“心”三位一体的课程内科研育人教学方法，收到了非常好的教学成效。

一、科研育人典型案例

基于近年来飞行器设计和航空技术发展的最新动态，西北工业大学飞机结构设计专业课教研组精心设计和编排了一些科研育人案例在课堂内分享给学生，取得了非常好的教学效果。现将其中的典型案例简要归纳如下。

（一）绿色出行的电动飞机

中国航空研究院发表的《电动飞机发展白皮书》[17]中指出：电动飞机以电能作为推进系统的全部或部分能源，是航空业贯彻绿色航空、应对全球环境挑战的重要举措，是“第三航空”时代的重要标志，将对世界航空业产生革命性的影响。通过给学生系统讲述电动飞机的由来、美国等国近期发展的电动飞机项目及我国的电动飞机发展现状，让学生们充分了解电动飞机和电动航空的未来发展趋势，提高其学习专业知识的兴趣和动力。电动飞机发展路线如图1 所示。

图1 电动飞机发展路线

（二）源头“零排放”的氢动力航空

欧盟发布的《氢燃料航空规划》[18]（Hydrogen-powered Aviation）中指出：氢燃料适合支线、区域、短程和中程运输飞机；采用氢燃料的喷气客机较现有的航煤燃料飞机可以减排50%～75%，采用氢燃料电池的电动飞机可以减排75%～90%。通过给学生讲述未来航空碳排放和碳中和发展趋势、美国等国为了达到2035 年和2050年碳排放目标而提出的氢动力航空规划及我国在氢能产业和氢能航空领域所作的贡献，让学生充分了解氢动力飞机和氢动力航空的最新发展动态，拓展其专业知识背景和学科发展方向。氢动力飞机和储氢结构如图2 所示。

图2 氢动力飞机和储氢结构

（三）高效飞行的下一代大型民用飞机

作为美欧等航空强国推崇的最具潜力的下一代亚音速和超音速民用飞机机型，具有高升阻特性、油耗优势的翼身融合布局高亚音速飞机项目和具有二倍音速巡航的超音速飞机项目均已获得了阶段性进展，引领着世界下一代大型民用飞机的发展方向。通过给学生系统讲述下一代大型民用飞机的研发背景、波音和空客两大航空巨头的预研机型特点及我国大飞机工程的最新进展，让学生充分了解下一代大型民用飞机的技术创新点和国内外差距，开阔其专业视野的同时培养其航空报国精神。下一代亚音速和超音速民用飞机如图3 所示。

图3 下一代亚音速和超音速民用飞机

（四）城市立体交通中的空中出租车

在电推进、高能电池等新型技术的不断推动下，变革性空运方式可能成为解决城市交通拥堵问题的有效手段之一，具备短距或垂直起降、便捷操控、高效率及低排放等综合性能的空中出租车无疑将成为其中亮眼的主角。通过给学生系统讲述城市立体交通发展背景、垂直起降飞行器（VTOL）发展动态及我国城市立体交通构建进程，让学生充分了解空中出租车的主要类型和垂直起降飞行器的技术特点，扩大其专业认知范围和学科发展空间。空中出租车如图4 所示。

图4 空中出租车

（五）民用飞机结构技术进展

轻质、高效率、易加工、多功能及智能化等一直以来都是民用飞机结构追求的目标，近年来先后出现的先进复合材料结构、高强度轻质合金结构、一体化结构、多功能结构、智能结构、仿生结构及激光增材制造结构等正在一次又一次地刷新人们对于飞机结构的认知和定义。通过给学生系统讲述民用飞机结构的最新技术进展、典型应用场景及我国在该领域的技术发展现状，让学生充分认识飞机结构技术的热点/难点和未来发展趋势，培养其飞机结构设计创新思维和前瞻性意识。变体飞机结构和激光增材制造结构如图5 所示。

图5 变体飞机结构和激光增材制造结构

（六）航空结构冲击动力学技术进展

航空结构冲击动力学主要关注军民机服役或运营过程中可能遭遇的典型冲击问题，主要包括飞机正常着陆/非正常着陆、飞鸟与冰雹等离散源撞击、发动机包容性及战斗损伤或客舱内的最小风险炸弹位置等[19-20]。通过给学生系统讲述航空结构冲击动力学技术（图6）的最新研究进展、数值计算和试验方法及我国在该领域的技术发展现状，让学生充分认识航空结构冲击动力学的专业发展方向和近期研究热点，提升其航空结构的认知水平和专业素养。

图6 航空结构冲击动力学技术

（七）翼身融合布局民用飞机结构设计技术

翼身融合布局民用飞机具有大升阻比、低阻力和低噪声等优点[21-23]，是未来最具发展潜力的高亚音速客机之一，而其非圆截面机身结构承载效率低和稳定性差等问题已成为急需解决的主要结构设计难题[21-23]。为此本教研组跟踪该学科方向十余年，潜心研究，获得了阶段性研究成果。通过给学生系统讲述翼身融合布局民用飞机结构（图7）特点、国内外的研究现状及本教研组关于新型缝合复合材料结构承载特性的研究历程和方法，让学生充分认识先进飞机结构的研发过程和设计思想演变，鼓励学生深度参与此类科研训练（部分成果课内讲评和交流），树立其刻苦钻研的精神和追求卓越的价值理念。

图7 翼身融合布局民用飞机结构

（八）机翼前缘电脉冲除冰结构设计技术

电脉冲除冰系统具有能耗低、效率高及结构简单等众多优点，已成为未来飞机防/除冰技术的主要发展方向之一[24-25]。本教研组针对机翼前缘电脉冲除冰结构（图8）开展了近十年的系统研究，取得了一些具有工程应用价值的研究成果。通过给学生系统讲述电脉冲除冰系统的电动—机械除冰原理、国内外的研究现状及本教研组关于翼面结构动响应和冲击疲劳的研究方法和思路，让学生充分认识多学科交叉融合背景下飞机结构安全性设计思想的演化，鼓励学生深度参与此类科研训练（部分成果课内讲评和交流），激发其自主学习交叉学科知识的动力和积极性。

图8 机翼前缘电脉冲除冰结构

二、科研育人教学方法总结

在近二十年的专业课程教学中，飞机结构设计专业课教研组始终坚持挖掘、搜集和梳理航空领域的新事件、新理念和新方法，归纳总结出航空技术发展的新动向、新趋势；同时注重学生科研精神培养，始终坚持将最新的研究成果分享给学生，并积极鼓励学生参与进来。经过多年的教学经验积累和凝练，形成了系列化的教学案例，提出了从“新”到“心”三位一体的课程内科研育人教学方法（构建方案如图9 所示）。

图9 三位一体教学方法构建方案

从“新”到“心”的课程内科研育人教学方法简要总结如下。

（一）旁征博引，登高望远，从“新知”到“心动”的拓展

航空专业课教师应具有宽广的专业知识背景和洞察未来航空技术发展趋势的敏锐眼光，密切跟踪未来航空技术的发展动向，多方位、多渠道地搜集和整理教学素材，形成系统化的教学案例（如上节所述的电动飞机、氢动力航空、下一代大型民用飞机及空中出租车等典型案例），为学生架起登高望远的阶梯，使其“心动”于捕获“新知”。

（二）博采众长，勇于创新，从“新技”到“心得”的领悟

航空专业课教师应时刻关注本学科和相关学科的最新研究成果及其应用前景，广泛搜集和整理航空领域新技术的研发动态，形成系统化的教学案例（如上节中的民用飞机结构技术、航空结构冲击动力学技术等典型案例），为学生触及航空新技术和领悟技术创新所带来的巨大潜能铺就多条途径，使其“心得”于斩获“新技”。

（三）迎难而上，授之以渔，从“新法”到“心裁”的开启

航空专业课教师应善于将自身的研究成果和所关注的前沿科学技术问题显性化地展示给学生，除了形成系统化的教学案例（如上节中的翼身融合布局民用飞机结构设计技术、机翼前缘电脉冲除冰结构设计技术等典型案例），还应积极鼓励学生参与到这场科学技术盛宴中，从展示科研成果“大餐”的“授之以鱼”到传授烹饪“大法”的“授之以渔”，全方位为学生提供“科研训练场”和“奇思大舞台”，使其“心裁”于练就“新法”。

三、教学成效分析

作为从“新”到“心”课程内科研育人教学方法的实践者，本教研组始终以学生融会贯通和心领神会为目标，坚持价值塑造、能力培养和知识传授有机统一，不仅是新知识、新技术和新方法等创新内容的“搬运工”，更是学生心态、心意和心灵上的“知心人”。

（一）“天高任鸟飞”，为飞鸟提供高天

通过电动飞机、氢动力航空、下一代大型民用飞机及空中出租车等典型案例讲授，使学生“远望”了世界航空技术领域的未来发展趋势，深刻体会到了“天高任鸟飞”的获得感和满足感，更重要的是让学生明晰了“登高”的方向和“天高”的广博。

（二）“上下而求索”，为求索者提供阶梯

通过民用飞机结构技术进展、航空结构冲击动力学技术进展等典型案例讲授，使学生“博采”了航空技术领域的最新研究成果，深刻体会到了“上下而求索”的坚毅和卓绝，更重要的是为学生勇攀科学技术高峰奠定了厚积的“肩膀”和“求索”的台阶。

（三）“实践出真知”，为实践者提供舞台

通过翼身融合布局民用飞机结构设计技术、机翼前缘电脉冲除冰结构设计技术等典型案例讲授，使学生“练就”了发现科学问题、找准研究思路、大胆实践求证及精益求精等基本的科学研究方法和素养，深刻体会到了“实践出真知”的实质和内涵及“工程问题—科学求解—工程应用”良性科研循环的“永动机理”，更重要的是为学生的真知灼见搭建了“思维秀场”和“实践厨房”。

四、结束语

本文以飞机结构设计专业课为例，通过系统介绍电动飞机、氢动力航空、下一代大型民用飞机、空中出租车、民用飞机结构技术、航空结构冲击动力学技术、翼身融合布局民用飞机结构设计技术及机翼前缘电脉冲除冰结构设计技术等科研育人典型案例，构建了以“旁征博引，登高望远”“博采众长，勇于创新”“迎难而上，授之以渔”为核心的从“新”到“心”三位一体的课程内科研育人教学方法，并进行了教学成效分析，期望能够为航空专业科研育人和高等学校课程教育教学改革提供可借鉴的方法和有价值的参考。