航空工程创新型实验实践教学体系探索与实践

2020-02-26刘沛清屈秋林

科教导刊·电子版 2020年35期

周越潘翀刘沛清屈秋林

（北京航空航天大学航空科学与工程学院北京 100083；流体力学教育部重点实验室北京 100083）

1 发展状况简介

自上世纪90年代以来，第三次科学技术革命的浪潮伴随着信息化的迅猛发展，促进了传统学科之间的交叉与融合；与之相对应，国家对人才需求也发生了巨大变化。在关乎国家安全的高新技术产业——航空技术领域，情况更是如此。航空技术领域日益重视科学研究的原创性、关键技术的先进性和工程技术的集成创新性，而航空技术各研究机构和生产部门对人才的需求也正逐步从原来单一的专业型转变到集成创新型和复合型等多种类型，这给航空教育者提出了新的课题，如何“提升学生认知水平，培养学生动手实践及深入研究的能力，增强学生集成创新意识”成为摆在航空技术专业教育工作者面前的一个亟待解决的问题。

北京航空航天大学是我国高层次航空航天创新人才的培养基地，非常重视教学工作，努力实现理论、实验、实践教学的紧密结合，不断提高创新人才的培养质量是学校的根本目标。

从2004年起，在航空科学与工程学院各系老师的通力合作下，我院探索并大胆实践了一套符合现代高等工程教育理念，体现综合性、集成性和工程性的航空工程创新实验实践教学体系，用于航空工程专业本科大一到大四的实验实践培养环节。图1给出了我们围绕实验实践教学存在问题进行改革尝试的思路、目标和探索过程。

2 创新型体系的构建理念

以国家对航空航天领域创新型人才需求为牵引，针对航空主机专业本科生与研究生人才培养体系，从造就人才、知识传承和创新实践出发，根据学生的认知过程特点，分阶段、分层次、分类别对学生进行实验实践能力的培养，配合理论教学，锻炼学生的实验实践动手能力，提高学生的分析问题与解决问题及深入研究的能力，增强学生工程实践和集成创新意识。我们提出的实验实践教学体系构建理念是（见图1）：

（1）突出高等工程教育理念；

（2）强调科学与技术并重的教育模式；

（3）增强人才工程实践和集成创新意识的培养。

图2给出了针对国家创新型人才的需求，构建实验实践教学体系的建设思路。

根据这一构建思路，在继承原有实验实践教学体系精华（包括经典的教学实验内容和实验教学手段）的基础上，创新性的构建了适应于现代高等工程技术人才发展的实验实践培养体系，将专业基础实验、专业综合实验和集成创新实践形成一个有机的整体。

3 创新型体系的构建框架

我们按照构建理念整合重组了航空主机专业的本科各年级实验实践教学内容，形成以专业基础实验平台、专业综合实验平台和集成创新实践平台为一体的体系构架。其中专业基础实验平台以结构力学、流体力学基础、航空航天概论、空气动力学等课程的演示、认知、验证型实验为主，包括流体力学实验室、结构力学实验室、结构强度实验室、飞行器结构构造实验室；专业综合实验平台以飞行器设计、工程力学、人机环境与工程三个专业的专业综合性实验为主，包括空气动力学与风洞实验室、飞机结构强度实验室、飞行器设计与仿真实验室、飞机起落架实验室、飞行仿真模拟实验室、人机与环境工程实验室等；集成创新实践平台，主要依托航空创新实践基地及各科研实验室，开设的微小型飞行器设计与制造课程以及学生的课外科技活动、本科生实验室实践等，并与沈阳飞机设计研究所、成都飞机设计研究所和第一飞机设计研究院联合，共同建设了该创新实践基地。

航空工程创新型实验实践教学体系的三大实验实践教学平台及其相应的实验室组成如图3所示。其中，专业基础实验平台共开设必修与自选专业基础实验项目34项，强调实验的基础性、规范性、通用性和先进性，重点提升学生对专业基础知识的认知水平，适用于航空工程各专业低年级本科生。

专业综合实验平台共开设必修与自选实验项目59项，涵盖了航空工程主机专业所需的必修实验和自选实验项目，强调知识的综合性和学科的融合性，重点培养学生动手实践能力、解决问题和创新实践的能力。集成创新实践平台以工程项目的形式进行实施与管理，以航空创新实践基地为主体开展课外科技活动，强调工程实践与集成创新性，突出团队训练和团队实践，重点培养学生工程实践与集成创新意识及深入科学研究的能力。

图1：思路、目标、探索过程

图2：建设思路

航空工程创新型实验实践教学体系针对各专业实验实践教学特色，注重理论教学与实验实践教学的紧密结合，根据学生认知过程的特点，分阶段、分层次、分类别对学生实验实践能力进行培养。图4给出各平台的培养目标。

在该体系中，学生根据自己的专业课程教学大纲要求，在完成必修实验的基础上，在专业教师指导下根据自己的兴趣自由选择自主实验类项目，并按照要求自由组成团队完成实验实践内容。基本原则是：必修实验主要以提高学生的专业认知水平、动手实践能力为目的，自选实验主要以提高学生创新实践能力，强化学生工程理念，增强学生集成创新意识为目的。

依托现有实验实践教学体系，我们修改了航空科学与工程学院各专业本科培养计划中的实验实践环节，要求必修实验约25%，自选设计与创新性实验占60%，集成创新性实验占15%。对不同专业的学生而言，必须接受专业基础实验和专业综合实验平台的培养过程，40%的同学根据自己的学习兴趣参加集成创新实践平台的培养过程，这一新的培养方案充分体现出学院“分层次、个性化、创新型”的人才培养思路。图5给出了实验实践教学体系中各实验平台对航空工程类各专业教学培养方案中的必修、选修实验项目的支撑。

4 建设成果

图3：层次结构

图4：培养目标

图5：实验项目

2009年，以航空工程创新型实验实践教学体系为核心基础，对航空科学与工程学院、能源与动力学院和宇航学院本科实验实践资源进行了优化重组，组建北京航空航天大学的航空航天实验教学中心，通过了北京市和教育部两次评审，成为国家级航空航天实验教学示范中心、全国航空航天类专业组组长单位。航空工程创新型实验实践教学体系的建设理念和思路是组建航空航天实验教学中心的重要指导思想，其组织形式、管理模式和人才队伍建设机制都成为航空航天实验教学中心的建设蓝本。在示范中心的申请过程中，评审专家对航空工程创新型实验实践教学体系给予了高度评价，认为其建设理念符合国家对创新人才的要求、层次化的组织模式先进、实验实践项目科学，整体水平处于国内领先地位。

航空工程创新型实验实践教学体系建立以来，通过航空创新实践基地孕育了一批有显示度的学生课外科技作品。高年级学生在集成创新平台上综合运用课堂所学知识，开展集成性、创新型的课外科技实践活动，成果丰硕。

自2006年以来，实验实践教学体系中的航空创新实践基地开设的《微小型飞行器设计实验》课程每年产生15个左右课程作品，全部参加北京航空航天大学一年一度的“冯如杯”科技竞赛，连续四年荣获一等奖，半数课程作品获得“冯如杯”科技竞赛奖励。其中，项目“具有超机动竖直悬停性能的可自由起降飞行器”获第十届全国“挑战杯”一等奖；项目“基于倾转动力系统的可自由起降验证机”获第十一届全国“挑战杯”特等奖。此外，以航空创新实践基地为依托的北航航模队，历年来参加全国航空航天模型锦标赛均取得了优异的成绩，连续多年获得无线电遥控油动载重空投项目冠军、电动载重空投项目冠军、无线电遥控直升机模拟搜救项目冠军等。