空氣動力學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新研究分析

　　摘要：空氣動力學(xué)是一門應(yīng)用面十分廣泛的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程有助于學(xué)生更好的學(xué)習(xí)專業(yè)后續(xù)課程以及今后從事相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)工作。本文首先分析該課程的教學(xué)特點和現(xiàn)狀，隨后針對教學(xué)過程中存在的突出問題，以學(xué)為中心，以問題為導(dǎo)向，對理論和實驗教學(xué)進行改革創(chuàng)新探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

　　本文源自廣東化工,2020,47(14):224+180.廣東面臨港澳、海外，《廣東化工》創(chuàng)刊于1974年，是廣東省內(nèi)唯一的綜合性化工期刊，立足廣東、面向全國，是全面反映我國化學(xué)工業(yè)發(fā)展的窗口，也是交流國內(nèi)外化工及其相關(guān)行業(yè)信息的媒介。《廣東化工》適合在石油化工行業(yè)的企業(yè)、高等院校、研究院所從事管理、科研、工程設(shè)計與施工、教學(xué)、生產(chǎn)及一切與石油化工事業(yè)相關(guān)的人士閱讀。

　　創(chuàng)新不僅是民族進步的靈魂，也是國家蓬勃發(fā)展的不竭動力。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，教育部正在制定本科專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，重點納入創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)。同時，全國各高校都在結(jié)合自己學(xué)校專業(yè)的特點，組織修改培養(yǎng)方案，將創(chuàng)新精神和能力作為重要培養(yǎng)指標(biāo)之一。

　　空氣動力學(xué)是能源與動力工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，是研究作為流體的空氣的力學(xué)運動規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。空氣動力學(xué)的基本原理可為能源與動力工程專業(yè)的諸多重要課題提供理論支撐，如燃氣輪機研發(fā)，新能源利用(風(fēng)機發(fā)電、壓縮空氣儲能等)等。但是，空氣動力學(xué)中為了定量地描述空氣流動現(xiàn)象，需要熟練掌握并靈活應(yīng)用數(shù)學(xué)工具，因此這門課程具有很強的理論性、邏輯性和概念抽象性[1]，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度大，在該課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力成為教學(xué)難題。

　　應(yīng)該注意到的是，目前已有一些關(guān)于空氣動力學(xué)課程教學(xué)改革的研究，在使學(xué)生牢固掌握基本理論知識方面取得了一定的成效，但學(xué)生大多仍不清楚空氣動力學(xué)課程能夠解決什么實際工程問題和如何解決實際問題，這表明在教學(xué)過程中，理論知識和實踐存在脫節(jié)現(xiàn)象。總的來看，在空氣動力學(xué)的教學(xué)過程中，我們應(yīng)以問題為導(dǎo)向，遵循現(xiàn)象到本質(zhì)的認知規(guī)律[2]，多找出一些空氣動力學(xué)的實際問題，如為什么“排云結(jié)陣南北行”、“大風(fēng)起兮云飛揚”等，從而引導(dǎo)學(xué)生分析空氣流動問題、探究實際流動現(xiàn)象背后的規(guī)律。最后，通過引入相關(guān)空氣動力學(xué)概念，推導(dǎo)流體運動理論，給出上述問題的合理解釋。這種以問題探究為主體的教學(xué)模式[2]，可以在一定程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高分析并解決實際空氣流動問題的創(chuàng)新能力，最終達到更好更快地適應(yīng)社會的目的。

　　1、課程現(xiàn)狀分析

　　長期以來，空氣動力學(xué)課程由于理論性很強，緊湊的課時安排使得教師們大都習(xí)慣采用填鴨式的傳統(tǒng)教學(xué)模式[2]，即教師占據(jù)了所有的課堂時間資源，什么都講解得非常清楚，以學(xué)生聽課后不用再看教材即可完成課后作業(yè)為教學(xué)目標(biāo)，不注意知識的擴展轉(zhuǎn)移和靈活使用。大多數(shù)學(xué)生只能在下課后復(fù)制公式來做理論題目，并以此作為檢驗自己知識掌握程度的標(biāo)準(zhǔn)，很難對其他專業(yè)課中相關(guān)的新問題進行舉一反三、觸類旁通，無法提高采用理論知識解決實際工程問題的創(chuàng)新能力[3]。根據(jù)對空氣動力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀的分析，造成該課程理論和實踐教學(xué)效果不佳的可能原因在以下兩個方面：

　　(1)教學(xué)內(nèi)容未跟上技術(shù)發(fā)展趨勢，理論與實際銜接不當(dāng);教學(xué)方法和手段不靈活，不引入現(xiàn)實能源行業(yè)或流體機械行業(yè)中的工程問題使講授的課程內(nèi)容生動化，不注重利用多媒體視頻資料輔助講解抽象概念及線上教育平臺與學(xué)生良好互動。

　　(2)實踐中均為驗證性實驗，大部分學(xué)生不能設(shè)計自主探究型實驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

　　2、教學(xué)改革措施

　　針對以上兩個方面的問題，空氣動力學(xué)教學(xué)需要進行改革創(chuàng)新。具體地，應(yīng)以學(xué)為中心，以問題為導(dǎo)向，旨在提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，構(gòu)筑好空氣動力學(xué)教學(xué)中理論和實踐這兩個相輔相成的環(huán)節(jié)。

　　2.1 理論教學(xué)改革

　　2.1.1 選用高質(zhì)量教材，及時更新教學(xué)內(nèi)容

　　隨著科技的不斷發(fā)展，學(xué)科間的滲透交叉形成了許多新課題，代表著空氣動力學(xué)學(xué)科發(fā)展研究的新水平新方向，如空氣與現(xiàn)代風(fēng)機葉片的相互作用問題、與飛行器、多流域、燃燒有關(guān)的航空發(fā)動機湍流燃燒問題等。教師在教學(xué)內(nèi)容中應(yīng)適時介紹與空氣動力學(xué)應(yīng)用緊密相關(guān)的新研究領(lǐng)域，才能吸引學(xué)生的求知欲。因此，教材選用是否恰當(dāng)對理論教學(xué)質(zhì)量有決定性的影響。應(yīng)注重選用常更新版本、能較快地反映最新的科技進展、更接近工程實際的國家級規(guī)劃教材。應(yīng)該提供教材的電子版和光盤，為學(xué)生提供在線學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的輔助手段。教材應(yīng)配套自主求解器，方便學(xué)生及時有效完成課后作業(yè)。

　　2.1.2 深入開展“以學(xué)為中心”的教學(xué)模式改革

　　在空氣動力學(xué)的教學(xué)過程中，可以采用“對分課堂”的形式[4]，深入探究“以學(xué)為中心”的教學(xué)模式。在教學(xué)過程中可以采用“對分課堂”的模式。根據(jù)知識點的難易程度和學(xué)生的掌握程度，可以采用當(dāng)堂對分、隔堂對分、課內(nèi)多次對分的形式。教師先對知識點進行整體講解，然后給學(xué)生布置學(xué)習(xí)任務(wù)，可以用探究性的問題引導(dǎo)學(xué)生去深入挖掘知識點。對于較難的知識點可以采用隔堂對分的形式，由學(xué)生在課外進行探究，并在下一次課堂分組闡述觀點。比較瑣碎的知識可以采取課內(nèi)對分的形式，每個問題都按照教師講解-學(xué)生分組思考的方式進行。“以學(xué)為中心”的教學(xué)模式順利開展的前提是教師的專業(yè)知識和課堂把控能力較高，教師需要對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力在整體和個體差異有較為清晰的了解，也需要教師采用合適的方法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

　　2.1.3 注重線上音像教學(xué)資料和教學(xué)平臺

　　空氣動力學(xué)的理論概念應(yīng)重視運用音像資料輔助講解。如在講解平板邊界層流動這部分內(nèi)容時，學(xué)生首先會遇到什么是邊界層的問題。講解邊界層的概念十分抽象，如果借助影像資料，讓學(xué)生們直觀觀察邊界層的存在和發(fā)展演化，將有助于他們了解邊界層的知識點及其作用。此外，如今線上教學(xué)平臺非常之多，需要注重利用好線上平臺。選用一種線上教學(xué)平臺，發(fā)布課件、通知、答疑和研討。充分考慮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特點，精心準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容，多采用圖片和動畫展示教學(xué)內(nèi)容。設(shè)置在線互動方式的答疑，學(xué)生可提出學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，教師通過QQ、微信、語音視頻、遠程桌面協(xié)助等及時回答。適時布置一些討論作業(yè)，如近期的虎門大橋振動原因等，引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻和技術(shù)資料，擴寬學(xué)生的知識面。引導(dǎo)學(xué)生主動思考和學(xué)習(xí)，更利于學(xué)生盡快學(xué)會用掌握的理論知識去解決實際問題，并在解決問題過程中學(xué)習(xí)和提高。

　　2.2 實踐教學(xué)改革

　　課后作業(yè)可以使學(xué)生理解和掌握空氣動力學(xué)的基本概念理論，討論作業(yè)可以提高學(xué)生對實際工程問題的簡化求解能力[5]。但是，學(xué)生對流動現(xiàn)象仍缺乏感性認識，影響對流動機理的深入理解。同時，很多復(fù)雜的流動現(xiàn)象較難簡化，因而有必要引入實踐課程。具體地，實踐可分為實驗和計算軟件兩項內(nèi)容。

　　2.2.1 實驗

　　實驗環(huán)節(jié)可提高學(xué)生的動手能力和理論知識理解能力。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容確定幾個研究方案，如翼型壓強分布測量、邊界層流動測量等。每組學(xué)生任選一個方案并自行設(shè)計實驗，模擬流動過程，分析實驗結(jié)果及流動原理。對實驗指導(dǎo)書和實驗報告的內(nèi)容和格式進行修訂。為了在實驗教學(xué)中提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，應(yīng)設(shè)置綜合設(shè)計性實驗，如增加空氣流動綜合性實驗等。明確容錯機制，讓學(xué)生有機會從失敗中總結(jié)經(jīng)驗。

　　2.2.2 計算軟件

　　由于實際條件的限制，在實驗室內(nèi)開展一定量的自主設(shè)計實驗會存在困難，引入計算軟件則可突破這種限制。該教學(xué)環(huán)節(jié)能快速高效的模擬復(fù)雜的空氣流動過程。選擇講授一門通用的計算流體軟件，如Fluent、CFX、Comsol、PowerFLOW、Phoenics、Open-Foam等[6]。此外，還應(yīng)介紹相關(guān)的計算輔助軟件，如ParaView、Tecplot、Origin、Matlab等。學(xué)生利用流體計算軟件和輔助軟件，對各類空氣流動現(xiàn)象進行數(shù)值仿真，實現(xiàn)流動再現(xiàn)和重構(gòu)，增強對流動問題的感性認知。還可對速度、密度、壓力、溫度等宏觀量結(jié)果進行整理總結(jié)，分析流線、流量、可壓縮性、氣動力、傳熱強度等的變化特點，揭示流動現(xiàn)象的機理。學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成模擬并撰寫實驗報告，并開展講解和經(jīng)驗分享。最終實現(xiàn)以學(xué)為中心，達到全面提高學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)效果的目標(biāo)。

　　3、總結(jié)

　　空氣動力學(xué)是能源與動力工程專業(yè)中的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程。概念抽象，公式繁多，理論知識的學(xué)習(xí)需要緊密聯(lián)系工程實際，且隨著科技的快速發(fā)展，課程內(nèi)容也在不斷更新迭代，以填鴨式為主的傳統(tǒng)空氣動力學(xué)教學(xué)模式，已經(jīng)很難收獲良好的教學(xué)效果，最終將不利于當(dāng)前高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。本文通過對空氣動力學(xué)的理論和實踐教學(xué)進行改革探索，將創(chuàng)新意識貫徹教學(xué)始終，采用理論結(jié)合實踐的教學(xué)模式，優(yōu)化理論和實踐教學(xué)內(nèi)容，增加對分課堂、數(shù)值仿真等教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和解決實際工程問題的能力。

　　參考文獻：

　　[1]劉起霞,鄒昕.流體力學(xué)課程教學(xué)中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].湖北經(jīng)濟學(xué)院學(xué)報(人文社會科學(xué)版),2014,11(07):181-183.

　　[2]謝海英,黃遠東,鄧保慶,等.《工程流體力學(xué)》課程問題探究式教學(xué)模式初探和思考[J].教育教學(xué)論壇,2017(04):223-224.

　　[3]高偉,李楚琳,楊潤澤.工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革探索與實踐[J].課程教育研究,2015(07):238-239.

　　[4]羅大海.對分課堂模式在《工程流體力學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教育研究,2017(38):240-241.

　　[5]彭維紅,張海翔.CFD軟件在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].亞太教育,2016(07):69.

　　[6]石世杰.OpenFOAM在空氣動力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育觀察,2018,7(19):90-92+144.