火箭发动机原理课程多模式融合教学探析

赖建伟 王斌 吴寒菁

摘要：本文针对火箭发动机原理课程中存在的教学模式单一、实验条件受限、学生学习兴趣不足等问题，提出了多模式融合教学方法；结合课程特点，开展了多种教学模式融合的教学设计，探讨了理论教学与实践教学相融合、实验教学与仿真教学相融合、综合设计与自主学习相融合的教学实践；采用多模式融合的教学方法加强了教学模式之间的联系，激发了学生的学习积极性，提升了学生的知识综合运用能力和创新能力，以期有效提升教学质量。

关键词：火箭发动机；多模式；融合；教学模式

中图分类号：G642.3文献标识码：A文章编号：1673-7164（2020）48-0072-03

“火箭發动机原理”是本科飞行器动力工程专业的一门重要专业基础课程，主要讲授火箭发动机的结构与原理、理论与计算、性能与特点，涉及机械、电子、化学、材料、力学、传热学等多个学科专业，在课程体系中占据十分重要的地位。但是该课程具有概念杂、公式多、理论性强、内容抽象、实验危险性大等特点，给日常教学带来一定困难。特别是随着人才培养的多样化，该课程更加强调学生的实践能力和创新精神，教学质量问题愈加突出。为了提高该课程的教学质量，培养“懂原理、擅实践、能创新”的高素质新型火箭发动机人才，必须开展该课程的教学改革研究[1-2]。借鉴国内类似课程先进的教学经验，探索该课程多种教学方法和模式融合教学，有利于化解教学难点，增强学生学习兴趣和积极性，提高教学效果和质量[3-4]。

一、当前教学方法分析

（一）理论教学

理论教学主要采用课堂讲授方法，结合视频和图片，现场讲解火箭发动机的概念、原理、结构、功能、性能等基础理论知识。传统课堂讲授通常是以教师为中心，面对学生进行单方向知识传授，教学方法较为单一，虽然在知识的记忆和理解上具有一定优势，但是对于知识的运用和分析上教学效果不理想[2]。同时，由于本课程具有较强的工程背景，课堂讲授学时比重偏高制约了整个教学形式的多样性，忽视了学生主动性的发挥，导致学生学习积极性不高，教学效果受到影响。

（二）实验教学

实践教学是理论教学的重要补充，但是由于课程性质的特殊性，诸如燃烧、爆炸、化验等实验具有一定危险，影响了实验教学的效果。而且传统的火箭发动机原理课程教学主要以课堂理论教学为主、实践教学为辅，重点强调概念理解和理论分析，往往忽略教学内容的多样性，实验、实操、研讨、设计等实践教学环节相对较少，与工程实践联系不够紧密，对学生创新性和实践动手能力的培养较为不足。

二、多模式融合教学方法研究

1968年，美国教育家布卢姆提出了掌握学习理论，将人类学习、掌握新知识的过程按照由低级到高级分为六个阶段：认知、领会、运用、分析、综合、评价。多模式融合教学法正是基于布鲁姆的掌握学习理论，结合课程教学特点，并根据课程内容的不同选择多种教学方法进行融合教学，以达到学生对知识掌握的高级阶段。多模式教学强调以学生为主体、教师为主导，将理论教学与工程实践和创新设计相结合，理论教学和实践教学并重发展，激发学生对火箭发动机原理课程的学习兴趣，提高课程的教学质量。根据课程的理论、实验、仿真、设计等模块，将理论与实践教学相融合、实验与仿真教学相融合、综合设计与自主学习相融合等教学模式应用于课程教学中，将极大地促进教学效果的提升。

（一）理论教学与实践教学相融合的教学模式

火箭发动机原理课程理论部分概念杂、公式多、原理难懂、综合性强，独立的、割裂式的理论与实践教学，不利于学生对知识的掌握。一方面，为了提高理论教学的教学效果，教师应综合采用启发式、对比分析式、问题式、案例式等多维教学方法，充分调动学生的积极性和主动性，激发学习兴趣和热情；另一方面，教师应破除理论教学与实践教学的物理界限，将理论教学与实践教学深度融合。

根据教学内容的不同特点，教师可有针对性地开展教学设计，将撰写论文、实验、仿真、观摩、设计、研讨等实践环节融入理论教学阶段。针对基础理论部分，布置学生撰写“火箭发动机发展现状”小论文，使学生对火箭发动机的发展历史以及未来趋势具有更加深入全面的认识，培养学生查阅资料的能力，提高学生主动获取知识、运用知识的能力；针对固体、液体火箭发动机专题部分，设置开放性问题，开展研讨教学。针对工作原理和工作过程部分，在有效讲解基本原理和过程的基础上，教师可结合推进剂燃烧和性能测试实验进行深入教学。通过理论与实践教学的融合，还可以将理论教学延伸至实践教学，使实践教学促进理论原理的理解，有助于加深学生对理论知识的理解和运用能力，提高学生的学习效果。

（二）实验教学与仿真教学相融合的教学模式

实验教学具有过程真实、结果准确的优点，但是由于火箭推进剂大多易燃、易爆、毒性强，导致实验危险性大、防护要求高，学生易产生畏惧心理，学习兴趣不高，实验效果不理想。同时，实验成本高、设备数量少、单次参与人数受限等，也限制了实验项目的开展。因此，一方面要发挥真实实验教学优势，立足现有条件，积极开展实验条件建设，同时制定好安全预案、做好安全防护，并加强实验过程管控；另一方面，针对不具备开展真实实验的情况，采用计算机仿真实验的方法对课程中危险性强、成本高的实验进行替代和模拟。仿真实验方法不仅可以使学生了解实验过程、增强知识的直观性和验证发动机理论，而且还可以开展设计和评估等创新性研究，使知识的掌握上升至综合和评价阶段。仿真实验方法的重点应放在构建逼真的虚拟实验环境和实验对象上，使学生能够在虚拟环境中通过平台开展模拟实验，并且达到要求的实验效果。相关课程在这一思路的指引下，利用MATLAB软件开发固体火箭发动机一维内弹道仿真实验平台，可进行内弹道的仿真计算；利用UG等三维建模软件开发固体推进剂药柱燃面仿真计算实验平台，可进行典型药柱燃烧燃面计算和药型设计；针对火箭发动机地面试车风险较大的问题，基于试车测试数据，开发基于Labview软件的试车模拟平台，利用该平台，可完成压强、温度推力等参数采集、分析和处理，实现对点火试车的仿真。实验教学和仿真教学相融合，可以规避真实实验教学的诸多不足，发挥仿真平台安全、可靠、经济的优势，从而实现课程实验内容的全面覆盖。

（三）综合设计与自主学习相融合的教学模式

钱伟长曾说过：“教，关键在于授之以渔”。教师在教学过程中，需要重点关注学生的能力和体验。综合设计教学方法，遵循素质教育和创新教育的基本理念，以设计理论和方法为牵引，培养学生的创新意识和综合能力。需要注意的是，理论教学是综合设计的前提和基础，综合设计是理论教学的实践和检验，理论教学的效果好坏将直接决定综合设计的成败。因此需要在保证理论教学效果的基础上才能进一步开展综合设计教学。火箭发动机原理课程具有较强的工程应用背景，适合开展综合设计教学，但是目前课程涉及设计的内容相对零散、知识点单一，而且授课学时相对较少，无法在课堂系统开展综合设计。因此，有必要将综合设计与课后自主学习进行融合，探索在火箭发动机原理课程中开展“火箭发动机综合设计”教学。教师应以培养学生工程设计素养和创新思维为主线，按照“总体设计-分系统设计-性能分析”的设计思路，将课程中总体设计、内弹道设计、装药设计、燃烧室设计、喷管设计和性能分析等独立的分系统串联起来，使学生逐步掌握完整的设计方法和步骤，最终实现火箭发动机整体设计。

首先，教师可提出设计指标要求，利用课堂教学对设计方法和理论进行指导；其次，学生查阅资料，课下自主完成设计和计算，并形成设计报告；最后，学生完成答辩。教师在设计过程中主要发挥主导作用，重点介绍固体火箭发动机设计方法和理论，学生应占据主体地位，深入参与设计的各个细节。学生在自主设计的过程中不仅需要对结构组成、性能参数、燃烧等基础理论全面掌握，而且还要利用课后时间学会利用solidworks、Matlab等工具软件进行结构建模和算法编程。通过综合设计和自主学习的相互融合，一方面能让学生了解固体火箭发动机的设计流程，提高学生分析问题的能力，激发学生的学习积极性，加深对课程知识的理解，另一方面能培养学生自学能力以及运用理论知识解决实际工程问题的能力。

三、结语

针对课程性质和内容特点，按照知识体系对各种教学模式、教学方法、教学手段进行综合分析，将原先各种孤立的教学模式相互融合并成为有机整体，既能锻炼学生分析理论问题的能力，又能提升学生综合实践能力，符合人才培养发展模式[5]，有效促进了教学效果的提升。本文开展基于布鲁姆掌握学习理论的多模式融合教学研究，对火箭发动机原理课程的教学改革具有一定指导意义。

参考文献：

[1]魏志军，刘玉群，孙巍伟.湿蒸汽火箭发动机教学实验系统研究[J].实验技术与管理，2012（04）：115-117.

[2]谭建国，吴建军.《火箭发动机动力学》的研究型教学实践[J].高等教育研究学报，2007，1（30）：44-46.

[3]康学勤，孙智，任耀剑.工科高校课程多模式教学的构建与实施[J].新课程研究，2015（05）：21-22.

[4]李赵春，王炅.“自动控制原理”多模式融合的教学方法探索[J].中国科教创新导刊，2012（31）：81.

[5]李忠，高波，康燦.新工科背景下卓越工程人才实践教学改革探索[J].高等工程教育研究，2019（01）：43-45.

（荐稿人：周源，海军工程大学兵器工程学院副教授）

（责任编辑：邹宇铭）