以需求为导向的《空气动力学基础》教学改革研究

徐兆可,张海军,张翰伟,傅文广

(中国民航大学 安全科学与工程学院,天津 300300)

0 引言

作为航空航天技术重要的基础性课程,国内外航空航天类院校或专业都将空气动力学设置为核心类课程[1-4]。空气动力学是麻省理工学院航空宇航工程专业的主干课程,并在课程实施过程中安排了实践教学环节,以满足现代科学发展对人才的需求[1]。空军航空大学的华欣等[2,5]“以学生为中心”重视学生特点与知识需求,深入探讨“理实一体”的空气动力学教学模式,并基于社会科技发展的需要,通过对教学过程的优化教学设计、整合教学内容,开展空气动力学课程的过程性评价研究。北京航空航天大学周越等[6]基于高校人才培养需求,在空气动力学专业科研课堂将最新科研成果转化为实验教学课程,尝试建立“认知实践创新”的实验教学新模式。空军工程大学王颖等[7]通过利用CFD(Computational Fluid Dynamics, 计算流体力学)手段,结合数值实验、计算机模拟和分析研究,针对空气动力学部分开展教学模式改革的探索与研究,提升教学效果。东莞理工学院陶实等[8]以学生为中心,以问题为导向,旨在提高学生的创新能力,构筑空气动力学教学中理论和实践两个相辅相成的环节。

空气动力学是中国民航大学安全科学与工程学院航空器适航审定工程专业和学科研究生的专业选修课。扎实的空气动力学知识对深入理解民用飞机适航条款十分重要。25部运输类飞机适航标准[9]中飞行、结构和动力装置条款对空气动力学的知识背景要求很高。同时,25部B分部飞行条款符合性验证方法MC2(分析/计算)和MC4(实验室试验)需要学生掌握空气动力学中的数值模拟和风洞试验的相关知识,提升相关能力。目前安全科学与工程学院空气动力学课程主要内容为理论教学,包括空气动力学基本概念与规律、控制方程推导和求解方法以及数值计算仿真方法,缺乏实验演示和实践内容,也缺乏空气动力学知识与适航的关联与融合。同时考虑到安全科学与工程学院航空器适航审定工程专业学生的研究方向包括飞机结构适航审定、航空发动机适航审定和机载系统与设备适航审定,学生的专业背景包括力学和电学,其力学基础参差不齐。如何将空气动力学知识与适航相关联相融合,如何合理安排课程内容和设计教学方法,使力学基础差的学生跟得上学得会,使力学基础好的学生学得好学得新,是空气动力学基础课程需要解决的关键问题。

本文针对中国民航大学行业院校特色以及航空器适航审定工程专业特色,以需求为导向,基于雨课堂教学工具开展线上线下混合式教学模式探索,并研究与分析在课堂教学中引入CFD数值实验线上演示线下实践的可行性,对空气动力学基础进行课程教学改革研究,理论联系实际,从而提升学生的适航审定与验证工程技术能力。

1 需求解析

1.1 专业建设需求

航空器适航审定工程专业面向飞机、发动机的设计、制造、使用和维修,培养具有扎实的理论基础、系统的专业知识,掌握飞机、发动机适航专业基础知识,能独立解决适航审定与验证方面的工程技术问题,能胜任科研院所、高等院校、公司企业和其他单位的科研、开发、教学和技术管理工作的适航复合型高级人才。通过空气动力学课程的学习,使学生掌握空气及气体流动的基本规律,正确理解飞机飞行中空气的流动规律及作用,正确理解发动机工作中气体流动的规律及作用,为进一步学习飞机的飞行原理和发动机原理打下坚实的理论基础,从而满足航空器适航审定工程专业建设需求。

1.2 条款需求

在民用飞机适航审定中,25部B分部飞行条款中性能(条款25.101～25.125)、操纵性和机动性(条款25.143～25.149)、配平(条款25.161)、稳定性(条款25.171～25.181)、失速(条款25.201～25.207)、地面和水面操纵特性(条款25.231～25.239)以及其他飞行要求(条款25.251～25.255)与空气动力学息息相关,需要深刻理解空气动力学中的基本概念和规律,扎实掌握空气动力学中的气动力和力矩、粘性和边界层流动(失速的基础知识)、翼型和机翼的气动特性等相关知识;25部C分部结构条款中飞行机动和突风情况(条款25.331～25.351)、地面载荷(条款25.479～25.493)需要了解空气动力学知识,因飞机结构的载荷是由空气动力引起的;25部E分部动力装置条款中进气系统(条款25.109 1～25.109 3)同样需要掌握空气动力学的内流知识。同时,上述条款尤其是B分部中条款符合性验证方法包含的MC2(分析/计算)和MC4(实验室试验),需要学生具备和提高空气动力学中的数值模拟和风洞试验的工程应用能力。

由此可见,要对上述条款有深刻的理解,在其要求下进行民用飞机的设计和适航审定工作,需具备坚实的空气动力学知识基础。

1.3 行业需求

以行业需求为导向,开展空气动力学课程的行业需求调研。使用“问卷星”微信小程序对学过本课程且已就业的学生进行问卷调查,以分析毕业生工作岗位(单选)和岗位需求(多选),共返回32份有效调查问卷。图1所示为本课程毕业生就业岗位问卷调查结果,可见学生入职对口的设计和适航部门占比达59.38%。图2所示为毕业生所在岗位对本课程知识的需求问卷调查结果,可知对空气动力学基本概念的需求占87.50%,对空气动力学计算和实验也有需求。

图1 毕业生就业岗位问卷调查结果

图2 就业岗位对空气动力学知识需求问卷调查结果

1.4 学生需求

以学生为中心,开展空气动力学课程的学生需求调研[10]。使用“问卷星”微信小程序对学过本课程的学生进行问卷调查,以分析学生的职业规划(单选)和感兴趣课程内容(多选),共返回46份有效调查结果。图3所示为学生职业规划比例问卷调查结果,可知有63.04%的学生希望从事民用飞机适航行业,有21.74%的学生希望从事飞机设计行业,有4.35%的学生希望从事机务维修行业。图4所示为学生感兴趣的本课程当前内容的问卷调查结果,可知大部分学生对与空气动力学相关的飞机的飞行性能和数值仿真软件的应用更加感兴趣。

图3 学生职业规划问卷调查结果

图4 学生感兴趣的课程内容问卷调查结果

由前述内容可见,学生对空气动力学知识的学习有较大的需求,且更期望学习适航相关的空气动力学知识,更关注仿真软件的学习应用。

以学生及行业需求为中心,结合专业建设需求和条款需求,重点关注学生需求,可以发现,空气动力学与适航融合,是四种需求的集中体现,融合的程度取决于空气动力学基础知识的掌握程度。因此,本文从空气动力学与适航的融合入手,强调基础知识的掌握,从课程内容、教学模式和考核评价三方面进行空气动力学课程教学改革。

2 课程内容

空气动力学课程主要包括三方面内容:(1)气体动力学基本知识与规律;(2)飞机的空气动力;(3)计算流体力学基础。气体动力学基本知识与规律使学生掌握气体流动的基本规律,理解发动机工作中气体流动的规律及作用;飞机的空气动力使学生掌握空气流动的基本规律,理解飞机飞行中空气的流动规律及作用;计算流体力学基础使学生理解空气动力学基本方程的数值求解方法,并能够使用数值模拟方法对空气动力学问题进行分析计算。

对学生希望增加的课程内容(多选)进行问卷调查,调查结果如图5所示。由图5可见大部分学生都希望增加空气动力学与适航关系,数值仿真方法的讲解,仿真软件的训练和风洞实验四部分内容。其中,非常有意义的建议为:希望数值仿真和审定基础相联系,模拟符合性验证工作中的问题。空气动力学知识与适航的深度结合,既是本文重点,也是专业建设、条款和学生所需。

图5 学生希望增加的内容问卷调查结果

拟在原课程基础上,适当减少理论知识的讲解,强调基本概念,合理增加验证工作中潜在问题的数值仿真训练,新增符合性实验演示与实践、空气动力学与适航模块。如在讲解拉瓦尔喷管流动趋势和四种流动类型的知识点时,引入拉瓦尔喷管的CFD数值模拟,通过后处理将流动趋势和四种流动类型以图片的形式直观展示出来,同时可使学生更深刻地理解抽象的激波概念。针对失速,可用CFD模拟不同迎角下翼型的绕流现象,可直观对比流动分离与迎角的关系,同时提醒学生大迎角下CFD的误差太大的弊端,注意符合性验证的方法选取。增加伯努利方程的验证实验,包含两个子实验:文丘里管测压和低速翼型绕流压力分布。使学生在验证伯努利方程的同时对升阻力的原理有更深刻的认识;持续增大翼型迎角,与CFD仿真失速现象进行对比,探究翼型的失速特性。空气动力学与适航模块需要将适航知识融合于空气动力学知识中,在理论知识的学习中适时地加入适航知识,因此需要教师同时对空气动力学和适航条款都有深刻而透彻的理解。

3 教学模式的设计

以需求为导向,通过对需求的解析,将专业建设需求、条款需求和学生需求分解为课程教学中的问题。以教师为主导,以学生为主体[11],以问题为中心,基于雨课堂教学工具实现线上线下混合式教学,以激发学生学习的主动性和积极性,提高教学效果,使学生获取基础知识的同时提升适航审定与验证工程技术能力,从而满足专业建设、条款和学生需求。

3.1 问题教学法

问题教学法,也叫以问题为导向的教学模式[12]。空气动力学知识与适航融会贯通是专业建设、条款和学生对本课程需求的集中体现,将空气动力学知识与对应适航知识相结合,形成课堂教学活动的问题。教师在整个教学过程中是主导者,负责提出问题和引导学生思考;学生是教学活动的主体,自主分析问题解决问题,可采用理论分析方法、数值模拟方法或风洞试验方法;问题是教学活动的中心,结合需求将课程内容分解为不同的问题,因此问题将贯穿于整个教学活动中。在教学过程中,通过雨课堂教学工具发布问题及问题所需空气动力学知识。比如失速特性是25部B分部25.203条款,在适航审定中属于中国民用航空局的重点关注要素,同时也与空气动力学中气动力和力矩、粘性和边界层流动等知识点息息相关。在学习气动力和气动力矩、粘性和边界层流动等知识点前,先提出“翼型失速特性”的问题,由学生自行分组(每组3～5人,组员保持稳定,形成良好的团队合作),查阅资料,分析问题,解决问题,最终翼型失速相关知识点学习完毕时,提交翼型失速特性分析报告,再由教师进行评价和总结。

大作业作为贯穿本课程全过程的“最大问题”,需要教师精心设计,由学生分组协作自行分解问题,分析问题,解决问题,锻炼学生的理论分析能力、工程应用能力和沟通交流能力。在课程初期将大作业及详细要求发布到雨课堂习题集功能区,学生可随时查看,以问题为中心,学习课程知识。将分组情况及各组员分配任务输入到雨课堂,方便管理记录各组员的工作完成度。

3.2 混合式教学模式的实现

充分利用雨课堂工具,实现课前线上、课堂线上+线下、课后线上的有机统一。教师需要适当修改课堂课件至30分钟左右,添加实时提问的问题,裁剪内容至预习课件。并结合CFD手段与雨课堂工具,分别开展线下和线上的实验演示及实践教学。

课程开课前,在雨课堂开通空气动力学教学课程,并调研分析学生对课程的期望,评估学生的基础,以了解学生的接受能力和需求,合理设计课程的问题。每节课前推送预习课件的同时,发布与本次课内容相关的问题,使学生带着问题预习,提高预习效果。课堂教学过程中,根据本次课设计的问题,在雨课堂上实时提问(3～4次提问为宜),鼓励学生发送弹幕交流。预留课堂讨论时间,结合本节课所学知识对本节课的问题进行讨论,加深对知识的掌握。课后在雨课堂讨论区交流,教师及时回复交流信息,掌握学生学习情况;通过雨课堂报表,分析本节课学生学习情况和课堂效果,及时改进不足之处。针对学生力学基础参差不齐的问题,充分利用雨课堂的讨论区、分组和课后反馈等功能,掌握学生的学习进度并对学生进行差异化辅导。基于雨课堂的线上线下混合式教学,能够充分调动学生的学习主动性,并能够及时跟进所有学生的知识掌握情况,提高教学效果。

针对课程中的实验演示和实践部分,引入“数值实验”方法,采用课堂实验演示和课后数值计算实验实践相结合的教学模式。比如,使用Fluent、OpenFOAM等CFD数值模拟软件,基于雨课堂工具演示CFD方法的前处理、数值求解和后处理方法,展示文丘里管轴向压强分布、速度分布,圆柱绕流卡门涡街现象及涡的产生和耗散规律,使学生对流动现象和本质有更深刻的理解;对于薄翼型理论的内容,可选取一典型薄翼型及状态,对理论分析和CFD方法模拟结果进行对比分析,深刻理解两方法的差异和优缺点,数值实践部分的任务要求和计算条件均发布至雨课堂作业,供学生随时查阅学习。结合雨课堂工具,充分发挥数值实验演示及实践的特点,提高学生的学习兴趣和积极性。

4 多维度考核评价

采用注重过程和能力的多维度考核评价机制,根据平时表现、作业完成度和答辩情况等,从知识学习、沟通交流、组织协调等多个维度对学生进行评价考核。

课程考核成绩由平时成绩(30%)和大作业成绩(70%)两部分构成。考核评价明细见表1。平时成绩由任课教师依据考勤、平时作业、平时表现等进行评定。平时表现主要包括遇到问题与老师的交流情况,交流后对问题的理解情况以及雨课堂报表的反馈,属重点考核内容。大作业考核包括分析/计算结果,分析报告和答辩情况。分小组答辩,组长对大作业做整体答辩,每位组员(包含组长)对各自的工作做详细答辩。最终大作业成绩由以下几部分组成:对作业的整体评定,将成绩乘以权重系数分配给所有组员;对所有组员的详细汇报的评定;根据大作业完成进度和质量,结合组员对组长的评价反馈,对组长进行评定,将成绩乘以权重系数分配给各组长;由组长根据本组成员平时表现、工作量和难易程度对组员进行评定,由老师将成绩乘以权重系数分配给组员。在大作业评价中引入权值系数,权值系数的大小由老师根据学生的整体表现进行综合分配,既能保证初始成绩的有效性,又能考核到不同同学的工作量,同时避免学生互评中出现异常分数。大作业不能考核到的知识点,根据课堂的问题讨论环节、随机提问环节和平时作业完成情况进行考核。

表1 多维度考核评价明细

采用多维度考核评价机制,对学生的平时学习和分组协作、沟通交流、分析问题、解决问题等能力进行全面考核,使学生在完成课程学习的同时,全方位锻炼适航审定与验证工程技术能力,从而满足专业建设需求、条款需求、行业需求和学生需求。

5 结语

本文结合院校和专业特色,以需求为导向,从专业建设、条款、行业和学生需求四个方面进行了空气动力学课程教学的需求解析,将空气动力学知识和适航知识深度融合,是专业建设、条款、行业和学生的共同需求。采用问题教学法,将空气动力学知识和适航知识深度融合的需求分解成课堂教学中的问题,基于雨课堂教学工具开展线上线下混合式教学模式探索,同时思考线上线下混合式实验演示和实践教学的解决方案,采用多维度考核评价机制全方位考核学生的学习和能力,从而提升学生的适航审定与验证工程技术能力,最终满足专业建设、条款、行业和学生的需求。