新工科背景下“气体动力学基础”课程教学改革探讨

摘"要：“气体动力学基础”课程是航空领域如飞行器动力工程和飞行器设计专业必修的学科基础课程，在我国从工程教育大国向工程教育强国转变的新工科背景下，对“气体动力学基础”课程的教学模式提出了新的更高的要求。本文针对目前该课程教学内容和人才培养中存在的问题，从教学内容、考核体系、理论联系实际和课程思政等方面进行教学改革探讨，以期进一步完善该课程建设，提高航空科研人员和技术人才培养质量，更好地服务于产业发展需要和国家重大战略需求。

关键词：气体动力学；航空工程；新工科

1"概述

“气体动力学基础”课程是西北工业大学飞行器动力工程和能源动力工程专业的专业基础课程，侧重于介绍可压缩流体动力学的基本概念、基本方程和求解方法，在航空宇航科学与技术、航空宇航推进理论与工程、工程热物理、流体机械与工程、航空工程、飞行器设计、飞行器动力和能源化工等领域均有广泛应用。本门课程的基本概念、基础知识和基本理论，是飞行器动力工程和能源动力工程专业本科生的必备知识，也是后续开展“航空发动机原理”“叶片机原理”“传热学”“航空发动机燃烧学”等核心专业课程学习的基础。

研究流体动力学的学科名称较多，如流体力学（Fluid"Dynamics）、空气动力学（Aerodynamics）、气体动力学（Gas"Dynamics）等，不同学科名称研究的侧重点不同。流体力学主要是指研究不可压缩黏性流体动力学，如水和低速流动的空气；空气动力学主要是指研究不可压缩和可压缩的流体动力学；气体动力学主要是指研究不可压缩和可压缩的流体动力学，但更强调流动过程中存在热能或机械能交换的流体动力学。由此可见，相比于流体力学和空气动力学，气体动力学的研究对象和研究方法有其独有的特征［12］。

“气体动力学”课程主要面向西北工业大学航空发动机专业本科生，毕业生主要到军工科研院所工作，因此，在课程教学过程中，除了讲授基础理论知识外，也应该注重课程思政教育、爱国主义教育和保密教育等。总而言之，“气体动力学基础”课程是与我国航空发动机事业和国防事业息息相关的基础学科，在新工科理念和国际局势复杂多变的情况下，需要对该课程教学进行革新。

2"“气体动力学基础”课程教学现状分析

2.1"教学内容和考核方法发展滞后

“气体动力学”是流体力学的一个分支，其基础理论和流体力学是一脉相承的，流体力学的重要发展节点如表1所示。流体力学是一个古老的学科，公元前245年由阿基米德提出的阿基米德原理是流体静力学发展的一个重要里程碑。1687年，牛顿提出了牛顿内摩擦定律，指出流体受到的黏性切应力与流体动力黏度和速度梯度成正比，为黏性流体动力学的发展奠定了基础。1726年，瑞士流体物理学家丹尼尔·伯努利提出了伯努利原理，给出了流体速度和流体压力之间的变化关系。

欧拉连续方程、欧拉动量方程和纳维—斯托克斯方程的建立标志着流体力学基本理论的完善，纳维—斯托克斯方程是飞行器、汽车等空气动力学设计的基础。雷诺层流湍流转捩实验、雷诺时均方程和普朗特边界层理论是湍流理论发展的重要里程碑，1904年提出边界层理论的普朗特被称为现代流体力学之父。1939年，钱学森及其导师冯·卡门共同提出了卡门—钱学森公式，建立了低速空气动力学和高速空气动力学压强系数的关系。1952年，我国著名科学家吴仲华教授建立了叶轮机械三元流动理论，奠定了现代航空发动机设计的基础。

吴仲华叶轮机械三元流动通用理论被提出之后，“气体动力学基础理论”没有大的发展，目前的气体动力学教学内容主要以一个世纪之前甚至更早的基本理论为主，与当前快速发展的航空航天专业相比，教学内容相对滞后。此外，课程考核方法以上课考勤、平时作业成绩和期末考试成绩为主。首先，随着西北工业大学动力与能源学院实行小班化教学，课堂学生数量相对较少，学生都能做到按时上课，但是，随着手机智能化的发展，学生面对的网络诱惑越来越多，上课期间不免上网走神，导致课堂学习效率低下；其次，针对平时作业问题，很难避免部分学生抄作业的问题；再次，针对期末考试问题，存在部分学生平时不学习、期末考试前突击“预习”的问题，尽管该部分学生可能取得不错的期末成绩，但学生对基础知识的掌握并不牢固，不利于后续高年级专业课的学习和研究生阶段的发展。总之，目前气体动力学课程存在教学内容和考核方法发展滞后的问题，不利于课程教学和综合评价学生能力。

2.2"理论知识与科研实践衔接不足

如前所述，气体动力学基础理论大都是在一个世纪之前建立并完善的，尽管基础理论知识是学习后续课程和开展科学研究的基础，但早期基础理论大都是基于一定的假设，与实际工程问题具有显著的差异。比如，气体动力学中的气动函数、激波理论和膨胀波理论等都是基于无黏流动假设推导得到的，而针对实际的流动问题，忽略黏性往往会造成较大的误差，这些内容是需要在课堂教学中指出并强调的。

目前，我国高校科研工作者存在“重科研、轻教学”的问题，教师把大部分精力放在科研问题上，而放在教学上的精力不够多，课堂教学仍然以气体动力学教材内容为主，不能有效地把实际的科研问题引入课堂，以引起学生的科研兴趣。其主要原因一是教师没有足够的时间将科研成果融入课堂教学，二是担心学生听不懂而没有兴趣。如何将陈旧的基础理论知识和最新的科研成果相衔接是提高气体动力学课程教学效果的关键。

2.3"课程思政元素需要进一步加强

课程思政是落实“把思想政治工作贯穿教育教学全过程”的综合教育理念，科学地认识课程思政的核心思想是深入贯彻课程思政教育理念的基本要求。2020年5月，教育部印发了《高等学校课程思政建设指导纲要》，对课程思政教育战略做出了全面部署，掀起了高校课程思政建设的新高潮［3］。课程思政是高校以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，落实立德树人根本任务的重要举措［47］。高等学校教育是帮助学生树立正确世界观、人生观和价值观的关键一环，高校教师应着力引导学生“树立对马克思主义的信仰、对中国特色社会主义的信念、对中华民族伟大复兴中国梦的信心”。高校课程思政育人功能的充分发挥需要遵循一定的原则：坚持深入挖掘与有机融合相结合，坚持专业教学与思想政治教育相统一。然而，在气体动力学教学课程中，目前的课程思政元素尚不丰富。特别是，“气体动力学”是从事航空航天专业的基础课程，在教学过程中增强课程思政元素、增加爱国主义教育和保密教育显得更为关键。

3"“气体动力学基础”课程教学改革探讨

3.1"完善教学内容，健全考核体系

如前所述，气体动力学和流体力学及空气动力学既有区别又有紧密联系，在课程教学开始需要开宗明义的论述三者之间的关系，让学生明白作为飞行器动力工程专业的学生为什么要学习“气体动力学”这门课程。在教学过程中应深入分析理论公式推导过程中所采用的假设条件及其与真实情况的差距，此外，应将气体动力学基本理论知识与航空叶片机原理及航空发动机原理进行关联，以便于学生更深入的理解所学的专业知识。通过系统梳理流体力学学科的发展脉络，将相关名人典故融入课堂教学，以增加课堂趣味性和学生学习积极性。此外，结合国家“大飞机工程专项”和“航空发动机及燃气轮机重大科技专项”项目情况，动态更新教学内容体系。

积极探索课堂教学新模式，如主动式小组研讨、以学生为中心分析课后习题，并将课堂讨论结果纳入成绩评定体系，充分调动学生学习积极性和主动性，弱化期末考试一考定成绩的作用，更加重视学生对实际物理本质的认识，避免高分低能问题［8］。以激波和膨胀波教学为例，在进行小组研讨过程中，提前让学生查阅文献，了解激波和膨胀波产生的条件和具体例子，以更容易深入课堂学习，掌握高效的学习方法。通过对研讨小组、习题讲解、文献知识掌握程度和期末考试等的综合评价，形成更加完善的学生学业成绩评价体系。

3.2"引入科研成果和工程问题，理论联系实际

在“气体动力学”课堂教学过程中，引入最新的科研成果，如喷管流动、喷管的激波系和膨胀波系、激波与边界层的干涉等，并重点论述课本中所做的有关假设（如无黏流动假设、一维流动假设等）与真实流动的区别和联系，帮助学生更深入地理解实际物理过程。通过列举实际工程例子，如通过大涡模拟数值计算的圆柱翼型干涉流动，更直观地给出圆柱绕流卡门涡街的旋涡结构，并通过举一反三，让学生思考并列举人们日常生活中所遇到的卡门涡街问题，如桥墩后水的流动、石头后水的流动等。通过类似基础科研成果的引入，既可以增加课堂教学的趣味性，也使得学生可以理论联系实际。

此外，充分利用西北工业大学在航空航天领域的校友资源，邀请行业总师和技术骨干，通过线上或线下的方式深入课堂教学，让学生切实了解“气体动力学”这门课程所要解决的工程问题，以工程背景为导向，让基础理论知识与工程问题联系更加密切，以大幅度提升课堂教学效果和学生创新能力。通过与行业研究单位的密切合作，探索协同育人模式，提升航空发动机所需气体动力学专业人才培养效力，为新工科背景下航空发动机专业人才培养提供支撑。

3.3"结合航空航天背景，融入课程思政元素

课程思政是我们党高度重视高校思想政治工作这一优良传统和政治优势在新时代的集中体现，在深入推进课程思政建设过程中，需要遵循四个基本原则：坚持正确的政治方向；以课程内容本身为基础，发挥专业特色和优势；弘扬正能量；精心设计，使课程思政从教师的自发行为转变为自觉行为。

“气体动力学基础”是具有鲜明航空航天特色的专业基础课程，在气体动力学学科发展过程中，我国科学家做出了卓越的贡献。例如，钱学森及其导师冯·卡门共同提出了卡门—钱学森公式，大大改进了普朗特葛劳渥公式。周培源在国际上首次提出湍流脉动方程，建立了通用湍流理论，奠定了湍流模式理论基础。林家翘求解了沃纳·海森堡未能解决的奥尔索末菲尔德方程，发展了平行流动稳定性理论，成为早期湍流统计理论的主要学派。吴仲华创立了国际公认的叶轮机械三元流动理论，在国际上被称为“吴氏通用理论”，被世界范围内的科学家广泛地应用于航空发动机的设计。

而在当代，西北工业大学校友在航空航天领域做出了重要的贡献，如歼20总设计师杨伟、运20总设计师唐长红、歼15副总设计师赵霞、ARJ21总设计师陈勇、C919基本型总设计师韩克岑、CR929中方总设计师陈迎春等。结合航空航天背景和我国科学家在相关领域所做的贡献，厚植爱国主义情怀，激发学生民族自豪感和自信心，鼓励学生树立坚定的航空报国信念。此外，西北工业大学地处陕西，可以将陕西特色的精神元素融入课程教学中，如延安精神和西迁精神，并作为航空报国的精神动力。

结语

本文针对“气体动力学”课程教学中存在的某些问题，从教学内容、考核体系、课程思政等方面的教学改革进行了思考和讨论，力求进一步完善新工科背景下“气体动力学”课程教学体系和育人模式，为培养爱国主义情怀深厚、民族自豪感强、国家安全意识强、专业基础知识扎实的航空航天类工程技术人才提供参考。

参考文献：

［1］张玉明，杨利，陈建义.工程流体力学线上教学的探索与实践［J］.教育教学论坛，2020（51）：231233.

［2］周莉，王占学，张丽芬，等.航空发动机专业流体力学基础课程思政设计［J］.高教学刊，2022（22）：176179.

［3］教育部.关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知［EB/OL］.（20200605）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

［4］方建斌，杨鹏，殷旭辉，等.新时代高校课程思政的理论与实践［M］.西安：西北大学出版社，2021.

［5］高德毅，宗爱东.从思政课程到课程思政：从战略高度构建高校思想政治教育课程体系［J］.中国高等教育，2017（01）：4346.

［6］苗强，蒋京，张恒，等.工业大数据背景下的航空智能发动机：机遇与挑战［J］.仪器仪表学报，2019，40（7）：112.

［7］陈华栋，苏镠镠.课程思政教育内容设计要在六个方面下功夫［J］.中国高等教育，2019（23）：1820.

［8］白晓辉，刘存良，孟宪龙.驱动式小组研讨的传热学理论提升教学方法探讨［J］.科技风，2023（02）：3133.

作者简介：陈伟杰（1986—"），男，汉族，河南周口人，博士研究生，副教授，研究方向：航空叶轮机气动力学与气动声学。