空气动力学课程中引导型实验项目的设置与实践*

王晓璐　韩非非　刘战合　赵辉（郑州航空工业管理学院航空工程学院，河南郑州450046）



空气动力学课程中引导型实验项目的设置与实践*

王晓璐韩非非刘战合赵辉
（郑州航空工业管理学院航空工程学院，河南郑州450046）

摘要：空气动力学课程具有抽象性强的特点，合理设置实验项目和学时，可以提高学生学习兴趣。对原有实验项目进行了改造升级，新项目具有较好的引导性，且航空背景更为突出。通过多个实验单元的设置，提升了课程的趣味性，与理论教学相互映衬，取得了良好效果。

关键词：空气动力学；实验教学；引导式教学

一、“空气动力学”实验课现况及特点

“空气动力学”是飞行器设计与工程专业的一门专业主干课程，主要介绍飞行器在空气中的受力规律、理论方法和分析方法。目前共48个学时，其中理论课44学时，实验课4学时。现有的实验有2个：二维圆柱绕流测压实验（图1）和平板粘性附面层测定实验（图2），每个实验均为2个学时，且均为验证性实验。即要求学生按照实验手册进行相关参数的测量，并将所得结果与理论值进行对比。实验在之前的教学中起到了很好的作用，但由于仪器老化，测量精度大幅下降，有的操作台所得结果甚至与理论不符，对学生学习积极性带来了不利影响；另外，这两个实验仍属于通识性质，学生更希望能结合航空实际提供新的实验项目。

二、引导型实验项目的构建与实施

引导式教学［1］已在诸多工科课程中得到了应用［2，3］，作者在理论教学时已经进行了初步的探索［4］，借鉴航空领域实践教学的研究成果［5，6］，本文将引导式教学的思想应用于实验项目，即构建一个以航空为主要背景的实验单元组，设置不同层次的项目，学生可以根据自身情况选择其中若干进行实际操作，在掌握实验原理的基础上，首先完成教师给定任务，而后可自行提出实验目标，尝试进行科研型项目研究。

实际操作中，结合学院实验室现况，以实验单元的方式构建了6个实验项目（部分设备如图3所示），其中核心项目有3个：二维翼型烟风洞实验、飞机升力实验和流线型物体压差阻力实验。

图1　二维圆柱绕流测压实验

图2　平板粘性附面层测定实验

（1）基本流体概念和流态的显示：二元翼型烟风洞实验。该项目主要用于展现低速流理论中的流线、旋涡、层流、湍流和流动分离现象；从专业角度上来看，比单纯进行边界层速度测量和圆柱体绕流速度测量更为形象和直观，对于绕流状态的表现也更为深刻。

图3　新配置的部分实验设备

（2）飞行器受力状态的显示——升力：飞机升力实验。该项目直接将飞机模型和小型风洞引入实验环节，可以充分表现真实飞机设计的思想和过程，实验中将飞机与四连杆机构相连，通过改变飞机迎角和风速，可给出升力的定量变化规律。

（3）飞行器受力状态的显示——压差阻力：流线型物体压差阻力实验。由于需要设置阻力天平，限于风洞大小，选取剖面为翼型的流线型物体（而非飞机）作为模型。这样既可以满足风洞要求，又方便学生结合理论课上介绍的翼型理论和二维翼型烟风洞的流态图展开思考。学生也可以自行制作其他外形的模型，以比较不同物体的压差阻力大小，从而加深对“流线型”定义的理解。

升力和阻力是飞机空气动力学中非常重要的2个力学参数，通过实验（2）和（3），学生可以获得对它们的直观认识，有利于后续飞行力学、飞行器总体设计等课程的学习。

此外，为了提高实验的趣味性，也为了在以后方便“流体力学基础”和“航空航天技术基础”、“航空概论”等专业基础课和外专业选修课的学生，还另外建设了3个通用性实验项目：伯努利原理演示实验、空气粘性演示实验和乒乓球吹风演示实验。

其中伯努利原理演示实验充分借鉴了原有2个实验项目的经验，并改进了测量精度；空气粘性演示实验通过2个同轴圆盘的相对运动情况来宏观展示粘性效应；乒乓球吹风实验则可展示物体所受空气动力与风速之间的定量关系。它们入门简单，可操作性强，所需时间也较少，可以合计安排在1个学时之内。学生们通过实际操作，可以对看不见摸不着的空气产生直观的认识，学有余力的话，也可以设置一些定量任务，例如给出乒乓球离开喷嘴的距离与风速大小的关系曲线。

三、结论和展望

目前教学实践活动正在逐步完善中，相对之前的实验项目，学生们对新实验项目的兴趣有了明显的提高，学习效果也有相应的提升。部分学生已经尝试将航模制作中的问题带到实验室中寻找答案，引导型实验的效果正在逐步展现。相信与理论教学相结合，可以使学生对“空气动力学”课程获得较为综合的认识，有利于贯彻落实面向工程一线的航空工程师培养方案。

参考文献

［1］巴巴拉·格罗斯·戴维斯.国外大学教学与教改译丛：教学方法手册［M］.严慧仙译，杭州：浙江大学出版社，2006.

［2］邓建新.C#课程一体化多层次问题引导式教学方法［J］.计算机教育，2014（11）：68-71.

［3］姜占平，廖智勇，谭逢友.产品综合训练课程问题引导式教学模式初探［J］.教育与职业，2009，11：151-152.

［4］王晓璐，代君，韩非非，等.引导式教学方法在空气动力学课程上的应用［J］.教育教学论坛，2016.

［5］栗中华，陈艳，张鹏，等.面向航空教育认证标准的实践课程改革与实践［J］.实验室研究与探索，2014，33（3）：146-149.

［6］张华，潘晓丽，郭辉，等.依托学科优势建设有特色的流体力学教学实验体系［J］.力学与实践，2007，29（4）：77-79.

Abstract:With the abstract characteristics，it is hard for students to learn the concepts in aerodynamics. Measures of reforming the experimental items and periods could light the students' passions in class. New experimental items were presented and have shown better guiding performances and more suitable for aeronautical engineering. Several experimental units were constructed to make the course more interesting and easier to learn，and works well with the combination of theory teaching.

Keywords:Aerodynamics；experimental teaching；guiding teaching

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）11-0070-02

*基金项目：郑州航空工业管理学院教育科学研究基金资助项目（ZHJY2016-07）

作者简介：王晓璐（1982-），男，河南信阳，博士，高级工程师，从事空气动力学和飞行器设计教学和科研工作。