航空发动机冲击动力学新生研讨课实验教学改革研究

来源:用户上传      作者:罗刚 赵振华 刘璐璐 陈　伟 周标

　　[摘 要] 在航空发动机结构冲击动力学新生研讨课中设计了冰撞击和外物损伤模拟实验教学环节，通过设备技术安全改造、实验方案优化、实验大纲编写、分组实验观察等教学手段，将课堂理论教学与实践教学有机结合，加深学生对结构冲击学问题的认识。通过对学生进行问卷调查，对实验教学在新生研讨课中的教学效果进行了总结与分析。结果表明，在新生研讨课中开展实验教学，有助于学生快速深入地掌握课堂教学理论知识，调动学生参与教学活动的积极性，提高学生动手能力，推动学生理解航空特色，对学生规划未来专业方向起到了较好的辅助作用。
　　[关键词] 航空发动机;冲击动力学;新生研讨课;实验教学
　　 引言
　　研讨式教学起源于18世纪的德国，并在19世纪成为德国大学普遍的教学方式[1]。研讨式教学的特点主要包括有利于学习者向研究者角色转换，有利于培养学生的分析能力，启发学生批判精神，促使学生重视开拓创新，同时也倒逼课程学习与教师科研紧密结合[2]。在新工科背景下，研讨式教学对提升课堂教学效果，培养具有创新精神的学生具有重要意义。目前，国内已有很多大学和研究者对研讨式教学开展了有益的探索与实践。徐冬梅[3]借助新生研讨课探索了以素质教育为先导的混合教学模式;邹锋[4]依据英国高校的经验，实践了主体设计、文献查找、小组研讨与讲评等研讨教学方式;刘长青[5]组建了国际化的教学团队，开展了充分的探讨和辩论教学;周金堂[6]创建了新生研讨课的“学习共同体”，促进了教学相长;张进[7]通过组织开设多门新生研讨课，批量实践了转变本科新生学习模式的教学改革工作;李敏[8]，黄向阳[9]，邓辉[10]等均通过具体课程的研讨实践，探索了适用于工科专业的研讨教学方式。
　　从前人的实践中可以发现，新生研讨课教学方式也遇到了一定的瓶颈，主要体现在研讨过程越来越容易进入程式化进程，即教师讲授背景，学生查询文献与汇报，教师点评。程式化的教学模式容易导致所讲授知识更新速度减缓，课堂讨论教学效果不易协助学生快速形成基本科学概念等弊端，有必要对新生研讨课的总体教学方式进行改革与创新。
　　本文针对南京航空航天大学开设的新生研讨课航空发动机结构冲击动力学若干问题，在研讨课中引入了实践动手环节，形成了教師理论讲授—学生文献查询—学生汇报—教师点评—实验室分组实践—学生总结的教学流程，收到了良好的教学效果。
　　一、课程改革背景
　　航空发动机结构冲击动力学若干问题是南京航空航天大学针对本科一年级新生开设的新生研讨课，其目的在于培养学生树立和掌握航空发动机结构冲击动力学的基本概念、研究背景、研究方法和未来发展趋势，具有浓郁的航空特色。该课程从2017年起开设，在教育实践过程中，课程组发现新生研讨课教学中面临着认知与实践水平难以有效提高、教学方式发展与改革不易推动等。为推动上述问题的解决，进一步提升教学效果，课程组在新生研讨课中增设了学生动手实践环节，学生在参加完课堂教学后，在教师指导下亲自操作空气炮实验系统进行航空发动机工作中可能遇到的冰撞击和外物损伤等模拟实验，将课堂讲授的背景和理论知识与实践认知有机结合，极大地加深了对相关知识体系的理解，推动认知与实践水平提高，改革创新了新生研讨课的教学方式。主要解决了以下三方面实验教学的关键问题：其一，设计开发教学专用的低能量空气炮演示实验系统;其二，设计完备的实验流程和双人合作操作规范，新编写实验大纲;其三，设计搭建虚拟仿真系统，再现高速冲击的过程，便于学生观察和分析。针对上述问题，课程组通过对现有的科研空气炮实验设备及技术的消化吸收，开发适用于教学实验的小口径低能量自动控制冲击实验系统，通过建立高速冲击过程虚拟仿真的步骤，科学设置学生在冲击实验中的动手环节，促使学生更深入地参与实验过程，发展了航空发动机结构冲击动力学若干演示实验技术。
　　二、实验教学改革实施
　　为满足课程改革的目的和效果，课程组开展了大量的分析、研究和准备工作。
　　1.空气炮的小型化低能量设计和自动控制技术。考虑教学实验用冲击实验的可操作性、精确度、安全性和可维护性，课程组在对科研用大口径高能量空气炮实验系统的研究基础上，提出和实践了空气炮的低能量小型化设计方法，极大地缩小了设备体积和占地，并大幅提高了安全性和可维护性。采用闭环控制原理研制了自动控制系统，对空气炮气室的注气、压力稳定进行了全程动态监控，对空气炮的触发引入了电动遥控方式，取代了科研用大口径空气炮的手动注气、目视检测和手动触发方式，极大提升了系统的自动化和数字化水平。建成了带自动控制系统和人机操作界面的37mm口径电磁阀式教学用空气炮实验系统一套，编写了相应的教学实验流程规范。
　　2.高速冲击过程虚拟观察分析软件平台集成开发。课程组开发了基于LS-dyna数值模拟软件的高速冲击过程虚拟观察分析软件虚拟冲击教学版V1.0。软件对大量不同工况，如不同速度、角度、撞击位置的鸟/冰撞击平板叶片过程进行有限元建模，将模型源文件存储在工作目录下，编写软件界面，学生可以在初级用户模式中选择想要观察的工况，调用相应的源文件进行数值模拟，并在后处理软件中进行冲击过程的虚拟观察和数据分析。此外，学生还可以采用高级用户模式，调用冲击过程的源文件，对其进行编辑后重新计算得到自己想要观察的特殊工况下的冲击过程和动态响应数据。
　　3.航空发动机结构冲击动力学的若干问题课程的互动和实践。针对航空发动机结构冲击动力学的若干问题中的鸟/冰撞击、机匣包容和外物损伤三个热点问题，课堂上，采用教师理论讲授和案例分析的手段引出问题，由学生查阅资料后开展广泛研讨，教师点评的手段，较好地建立了学生的理论基础和学习方向;针对航空发动机可能遭遇的鸟/冰撞击和外物损伤的情况，专门设计了冰柱撞击金属平板和钢柱撞击金属叶片前缘的实验，编写了相关实验的实验大纲;随后采用“虚拟冲击”仿真软件，对学生即将开展的不同工况的冰撞击平板实验进行了仿真和预估观察;最后采用教师示范，学生分组动手实践的方法，学生在实验时2人一组，分工配合，全程参与了系统检视、安装标靶、装弹、控制、发射、观察实验过程、分析标靶等工作，在保证安全的前提下亲手操作空气炮实验设备，观察和讨论了不同速度下冰柱撞击金属靶板所导致的变形损伤和不同冲击能量钢柱对叶片前缘的冲击损伤，对航空发动机冲击动力学问题加深了认识。 　　三、教学效果总结
　　实施实验教学改革后，研讨课程取得了较好的教学和实践效果。课程组针对三年来参与课程学习与实践的本科新生开展了问卷调查工作，共收回有效问卷40份，统计数据表明，82.5%的同学对课堂教学表示满意，17.5%的同学表示基本满意;95%的同学对实践环节的教学效果表示满意，5%的同学表示基本满意;92.5%的同学表示对教师的讲授能力表示满意。上述数据表明，学生对教学团队的知识结构和教学水平的认可。70%的同学认为课堂与实践相结合的教学方式效果很好，应大力推广，其余同学表示应考虑专业因素，在一定范围内推广。有42.5%的同学表示深入理解了航空发动机结构冲击动力学的基本概念与问题，50%的同学较为了解（考虑到本课程面向全校所有专业学生开放，该比例较高）;100%的同学认为通过亲自或协同操作实验，了解了相应实验方法，加深了对航空发动机结构冲击动力学若干问题的认识。上述数据表明学生对该类课堂与实践相结合的教学方式的肯定。学生留言：“很满意，老师教会了很多东西”，并建议“多做几次实验”“希望可以让其他年级学生加入”“实验做的不过瘾”“有助于大三选择方向”“希望能够大力推广这样的课程”等，项目收到了良好的教学效果。同时学生也建议，针对全部冲击动力学问题，设计相应的实验子模块，以进一步加深学生对有关问题的理解，表明学生针对课程特点有了一定思考，提出了自身后续发展的需求，提醒了课程组今后的努力方向。
　　同时，课程组通过教学改革与实践，取得了教学与科研相长的效果，在课程教学、实验设备改造、实验室建设以及配合相关科研工作方面取得了较好的成绩，见表1。
　　四、结论
　　通过在新生研讨课中开展实验教学改革，得出如下结论。
　　1.实验教学丰富了新生研讨课的教学内涵，打破了原有的课堂教学陈规，快速深入推动了学生对课堂讲授的结构冲击动力学有关知识的理解和掌握。
　　2.实验教学进一步促进了教师教学相长，推动授课教师具备全面的知识结构、理论与实践教学能力，不断更新相关专业知识体系。
　　3.实验教学促使学生进一步完成角色转变，同时具有学习者、研究者、工程师等属性，促进学生全面发展，锻炼了学生预先分析与团结协作能力，问卷调查表明教学效果优良。
　　4.实验教学改革促进了课程组的科研能力，推进了教学与科研相长，形成了多赢的局面。
　　参考文献
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