空氣動力學教學改革創新研究分析

　　摘要：空氣動力學是一門應用面十分廣泛的專業技術基礎課，該課程有助于學生更好的學習專業后續課程以及今后從事相關專業工程技術工作。本文首先分析該課程的教學特點和現狀，隨后針對教學過程中存在的突出問題，以學為中心，以問題為導向，對理論和實驗教學進行改革創新探索，培養學生的創新能力。

　　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》創刊于1974年，是廣東省內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工業發展的窗口，也是交流國內外化工及其相關行業信息的媒介。《廣東化工》適合在石油化工行業的企業、高等院校、研究院所從事管理、科研、工程設計與施工、教學、生產及一切與石油化工事業相關的人士閱讀。

　　創新不僅是民族進步的靈魂，也是國家蓬勃發展的不竭動力。有關數據表明，教育部正在制定本科專業的教學質量標準，重點納入創新精神和能力的培養。同時，全國各高校都在結合自己學校專業的特點，組織修改培養方案，將創新精神和能力作為重要培養指標之一。

　　空氣動力學是能源與動力工程專業的技術基礎課，是研究作為流體的空氣的力學運動規律及其應用的學科。空氣動力學的基本原理可為能源與動力工程專業的諸多重要課題提供理論支撐，如燃氣輪機研發，新能源利用(風機發電、壓縮空氣儲能等)等。但是，空氣動力學中為了定量地描述空氣流動現象，需要熟練掌握并靈活應用數學工具，因此這門課程具有很強的理論性、邏輯性和概念抽象性[1]，學生普遍反映學習難度大，在該課程教學中培養學生的創新能力成為教學難題。

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

　　1、課程現狀分析

　　長期以來，空氣動力學課程由于理論性很強，緊湊的課時安排使得教師們大都習慣采用填鴨式的傳統教學模式[2]，即教師占據了所有的課堂時間資源，什么都講解得非常清楚，以學生聽課后不用再看教材即可完成課后作業為教學目標，不注意知識的擴展轉移和靈活使用。大多數學生只能在下課后復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準，很難對其他專業課中相關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新能力[3]。根據對空氣動力學教學現狀的分析，造成該課程理論和實踐教學效果不佳的可能原因在以下兩個方面：

　　(1)教學內容未跟上技術發展趨勢，理論與實際銜接不當;教學方法和手段不靈活，不引入現實能源行業或流體機械行業中的工程問題使講授的課程內容生動化，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生良好互動。

　　(2)實踐中均為驗證性實驗，大部分學生不能設計自主探究型實驗，不利于培養學生的創新能力。

　　2、教學改革措施

　　針對以上兩個方面的問題，空氣動力學教學需要進行改革創新。具體地，應以學為中心，以問題為導向，旨在提高學生的創新能力，構筑好空氣動力學教學中理論和實踐這兩個相輔相成的環節。

　　2.1 理論教學改革

　　2.1.1 選用高質量教材，及時更新教學內容

　　隨著科技的不斷發展，學科間的滲透交叉形成了許多新課題，代表著空氣動力學學科發展研究的新水平新方向，如空氣與現代風機葉片的相互作用問題、與飛行器、多流域、燃燒有關的航空發動機湍流燃燒問題等。教師在教學內容中應適時介紹與空氣動力學應用緊密相關的新研究領域，才能吸引學生的求知欲。因此，教材選用是否恰當對理論教學質量有決定性的影響。應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劃教材。應該提供教材的電子版和光盤，為學生提供在線學習和自主學習的輔助手段。教材應配套自主求解器，方便學生及時有效完成課后作業。

　　2.1.2 深入開展“以學為中心”的教學模式改革

　　在空氣動力學的教學過程中，可以采用“對分課堂”的形式[4]，深入探究“以學為中心”的教學模式。在教學過程中可以采用“對分課堂”的模式。根據知識點的難易程度和學生的掌握程度，可以采用當堂對分、隔堂對分、課內多次對分的形式。教師先對知識點進行整體講解，然后給學生布置學習任務，可以用探究性的問題引導學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對分的形式，每個問題都按照教師講解-學生分組思考的方式進行。“以學為中心”的教學模式順利開展的前提是教師的專業知識和課堂把控能力較高，教師需要對學生的學習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動學生的學習積極性。

　　2.1.3 注重線上音像教學資料和教學平臺

　　空氣動力學的理論概念應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容時，學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，讓學生們直觀觀察邊界層的存在和發展演化，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。選用一種線上教學平臺，發布課件、通知、答疑和研討。充分考慮網絡教學的特點，精心準備教學內容，多采用圖片和動畫展示教學內容。設置在線互動方式的答疑，學生可提出學習過程中遇到的問題，教師通過QQ、微信、語音視頻、遠程桌面協助等及時回答。適時布置一些討論作業，如近期的虎門大橋振動原因等，引導學生查閱相關文獻和技術資料，擴寬學生的知識面。引導學生主動思考和學習，更利于學生盡快學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習和提高。

　　2.2 實踐教學改革

　　課后作業可以使學生理解和掌握空氣動力學的基本概念理論，討論作業可以提高學生對實際工程問題的簡化求解能力[5]。但是，學生對流動現象仍缺乏感性認識，影響對流動機理的深入理解。同時，很多復雜的流動現象較難簡化，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容。

　　2.2.1 實驗

　　實驗環節可提高學生的動手能力和理論知識理解能力。根據教學內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。每組學生任選一個方案并自行設計實驗，模擬流動過程，分析實驗結果及流動原理。對實驗指導書和實驗報告的內容和格式進行修訂。為了在實驗教學中提高學生的創新能力，應設置綜合設計性實驗，如增加空氣流動綜合性實驗等。明確容錯機制，讓學生有機會從失敗中總結經驗。

　　2.2.2 計算軟件

　　由于實際條件的限制，在實驗室內開展一定量的自主設計實驗會存在困難，引入計算軟件則可突破這種限制。該教學環節能快速高效的模擬復雜的空氣流動過程。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，還應介紹相關的計算輔助軟件，如ParaView、Tecplot、Origin、Matlab等。學生利用流體計算軟件和輔助軟件，對各類空氣流動現象進行數值仿真，實現流動再現和重構，增強對流動問題的感性認知。還可對速度、密度、壓力、溫度等宏觀量結果進行整理總結，分析流線、流量、可壓縮性、氣動力、傳熱強度等的變化特點，揭示流動現象的機理。學生在規定的時間內完成模擬并撰寫實驗報告，并開展講解和經驗分享。最終實現以學為中心，達到全面提高學生的動手能力和學習效果的目標。

　　3、總結

　　空氣動力學是能源與動力工程專業中的重要技術基礎課程。概念抽象，公式繁多，理論知識的學習需要緊密聯系工程實際，且隨著科技的快速發展，課程內容也在不斷更新迭代，以填鴨式為主的傳統空氣動力學教學模式，已經很難收獲良好的教學效果，最終將不利于當前高素質創新人才培養的需求。本文通過對空氣動力學的理論和實踐教學進行改革探索，將創新意識貫徹教學始終，采用理論結合實踐的教學模式，優化理論和實踐教學內容，增加對分課堂、數值仿真等教學環節，提高學生的學習、創新和解決實際工程問題的能力。

　　參考文獻：

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　　[3]高偉,李楚琳,楊潤澤.工程流體力學課程教學改革探索與實踐[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》教學中的應用[J].課程教育研究,2017(38):240-241.

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

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