以案例探究式教学法为中心的航空发动机控制课程教学改革

2023-09-27彭靖波王志多

高教学刊 2023年27期

彭靖波，王志多，曾昊，王磊，张驭，吴兴

（空军工程大学航空工程学院，西安 710038）

为主动应对新一轮科技与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”“互联网+”等一系列国家战略，2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。伴随我国“航空发动机与燃气轮机”国家科技重大专项的持续实施，为了适应我国航空事业发展人才培养需求，以培养具有专业胜任能力和实践创新能力的综合型航空人才为目标，开展航空动力类课程教学模式改革的需求非常迫切。

一航空发动机控制课程的重要性及在教学中存在的问题

（一）航空发动机控制课程的重要性

航空发动机是飞机的“心脏”，被喻为制造业皇冠上的明珠，是衡量国家科技核心竞争力的重要标志。控制系统被称为航空发动机的大脑，能够保证发动机在各种状态下安全可靠地工作，同时发挥优良的性能。由于控制系统的故障，多次造成重大飞行事故，严重危及飞行安全。航空发动机控制课程以发动机的控制系统为教学对象，是航空发动机原理、航空发动机构造学、自动控制原理知识的综合运用。该课程是飞行器动力工程专业本科高年级学员的一门专业方向必修课程，教学效果不仅对于学员理解理论知识具有关键作用，还对学员适岗能力、实践创新能力的培养至关重要，在人才培养过程中占有十分重要的地位[1]。

（二）航空发动机控制教学存在的问题

航空发动机控制课程教学内容主要包括航空发动机控制系统元件、控制规律、控制系统结构组成、工作原理及性能故障分析方法等，对于空军工程大学（以下简称“本校”）学员来说是一门面向未来工作岗位的专业方向课，其重要性不言而喻。在课程教学中有三方面问题需要克服：首先，课程内容综合了大量的专业基础课程知识，涉及航空发动机原理、航空发动机构造学、自动控制原理和气动热力学等诸多基础课程，学员在学习过程中容易出现前后知识衔接不畅的问题；其次，航空发动机是一种极其复杂的气动热力机械，气动热力过程非常复杂，学员对控制规律理解难度大；最后，发动机控制系统结构复杂，可视性差，系统交联多且不便于实物展示，存在学员对控制系统工作原理理解不透彻，控制系统原理在使用保障中应用难的问题。正是因为这些问题的存在，在教学过程中采用常规的启发式教学难以达到良好的教学效果。

同时，随着《高等学校课程思政建设指导纲要》《教育信息化2.0 行动计划》的发布，加上我国航空装备技术的快速发展，对航空发动机控制课程教学也提出了诸多新要求。课程教学内容需要在液压机械控制系统的基础上前瞻全权限数字电子控制、无人动力控制及现代控制理论。课程教学过程中需要充分融入信息化资源和手段，探索线上线下混合式教学模式并开展课程思政[2]。

基于以上问题及要求，课程组探索了符合军校学员能力素质发展需求的案例探究式教学法，并以此为中心，对课程教学资源、教学模式及考核评价方法进行了改革。

二案例探究式教学法的内涵

（一）案例式教学法

以案例为教学载体的教学法在国内可以追溯到春秋战国时代，在国外可以探寻到古希腊罗马时代。而现在研究的案例式教学法主要是指由美国哈佛大学克里斯托弗·哥伦布·兰代尔提出的一种教学方法，于1870年前后最早应用于法学教育中[2]。当时是采取一种很独特的案例形式的教学，这些案例都是来自法学、商学、医学等真实情境或事件。透过此种方式，有助于培养学员主动参与课堂讨论的积极性，加深学员对课程知识的理解，并培养知识应用能力，实施之后颇具绩效。至今，美国哈佛商学院（Harvard Business School）有超过80%的课程以案例教学法为主[3]。

案例式教学法有一个基本的假设前提，即学员能够通过对这些过程的研究与发现实施案例教学过程图来进行学习，在必要的时候回忆出并应用这些知识与技能。案例教学法非常适合开发分析、综合及评估能力等高级智力技能。这些技能通常是管理者、医生和其他的专业人员所必需的案例，还可使受训者在个人对案例进行分析的基础上，提高承担具有不确定结果风险的能力。

（二）探究式教学法

有人认为，探究式教学在本质上是一种模拟科学研究的过程，包括两个相互联系的方面，一是构建一个以学为中心的探究学习环境，二是给学员提供必要的帮助和指导，使学员在探究中能明确方向[4]。也有人认为，探究教学是指在教师的引导下，学员主动参与到发现问题、寻找答案的过程中，以培养学员探究兴趣和解决问题能力的一种教学活动。在理论基础方面，目前普遍认为探究教学的科学基础是科学史和科学哲学，心理学基础是皮亚杰的建构主义理论、布鲁纳的认知结构学习理论、奥苏贝尔的有意义学习理论和罗杰斯的人本主义理论等，教育学基础是终身教育理论和主体性教育理论[5]。探究式教学的实质就是按照提出科学结论和检验科学结论的结构方式去揭示科学结论，探究式教学的程序主要包括：发现问题—收集资料—处理与解释资料—问题解决。探究教学有利于科学概念的形成，有利于培养学员的探究能力，掌握科学的思维方法。

（三）案例探究式教学法

案例探究式教学法，将案例建构与探究式教学有机结合，吸取案例式教学法和探究式教学法的各自优点，以学科典型案例为牵引，引导学员以科学探究的形式，通过解决案例中所出现的关键问题，达到理论知识体系建构，科学素养培塑的目标。国内学者探索了案例探究式教学法在不同类型课程中的应用情况，如严保康等[6]探索了案例探究式教学在故障诊断课程中的应用，郑康[7]将案例探究式教学融入毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论课程教学全过程。同时在工程材料等课程中也有探索实践[8-9]。

三案例探究式教学在航空发动机控制课程中的实践

（一）总体设计

课程组在多年课程实践教学过程中，探索实践了适用于本校航空发动机控制课程（以下简称“本课程”）教学的案例探究式教学法，如图1 所示。它以案例为牵引，在教员的启发诱导之下，以学员的自主学习和合作讨论为基本范式，按照在线预习准备、故障现象引入、问题探究引导、故障原因讨论及维护能力培塑的环节展开教学，引导学员对案例背后的原理进行深入探究。既可培养学员对控制系统工作原理、性能及其故障的分析能力，掌握装备现状，又可加深学员对未来岗位的认识，掌握正确的装备故障分析方法，培养科学的排故能力。

图1 航空发动机控制案例探究式教学法流程

（二）数字化资源及案例库建设

本课程的案例探究式教学法是建立在线上教学资源、故障案例库、线上线下混合式教学模式基础之上的。为此，课程组于2019 年建成了航空发动机控制学堂在线慕课，慕课内容分为入门篇、提高篇、精进篇和拓展篇4 个篇章，以科普+专业提升的方式向学员展示。入门篇为航空发动机控制概述；提高篇分为控制系统元件和控制系统两大部分，按照从元件到结构再到整机系统的顺序构建典型发动机控制系统知识脉络；精进篇为高阶内容，涉及先进数字电子控制系统，主要面向高阶专业学员的需求；拓展篇为延伸内容，将最新的科研成果融入课程，以拓展学员的科技视野，了解航空发动机控制领域最前沿的发展动态。

丰富的数字化资源和案例库是开展信息化和案例探究式教学的基础。在数字化资源建设方面，针对学员自学能力培养需求，课程团队构建了“多元多级”的教学资源体系，以解决发动机控制系统结构复杂、控制过程抽象不可视等学习难点问题。“多元”是指多媒体展示的视频、图片和二/三维动画，AR 源呈现的整机发动机和控制系统多角度AR 影像，虚拟仿真实现的整机控制、各控制系统和先进控制技术仿真实验。“多级”是指元件的基础级资源、系统与整机的综合级资源、新技术虚拟仿真的创新级资源。建设的数字化资源和慕课视频为学员线上自学、理解控制系统工作原理提供了很好的支撑。

在案例库建设方面，课程团队充分利用本校在获取发动机故障案例方面的优势，大量收集发动机控制系统在服役过程中的故障案例。针对控制系统元件、主燃油控制系统、加力燃油控制系统和几何通道控制系统，筛选了大量适合于案例探究式教学的故障案例，形成了故障案例库。数字化资源和案例库的基本框架如图2 所示。在这里，案例需要契合教材内容，承接教学主线，突出教学重点，且必须遵循可二次分析的原则并具有课程知识结构的完整性，数字资源的建设则必须根据案例探究的思维过程针对性设置呈现形式。如，针对主燃油控制系统中的转速控制器，设置了飞机着陆收油门后转速不下降的故障案例，配合案例建设了转速控制器的工作原理动画和视频。解决该故障原理后，学员能够充分掌握转速控制器的结构组成和工作原理。

图2 信息化资源及故障案例库建设

（三）案例探究式教学实施

下面以主燃油控制系统中转速控制系统“最大状态协调工作”的讲授为例，讲述案例探究式教学法在课程中的具体实践过程。

1 课前

在线预习准备。通过布置预习作业，促使学员利用网络教学平台、学堂在线资源及数字化资源库，自主在线预习本节课相关的基本知识，主要包括最大状态液压机械控制原理、电子控制原理和协调工作原理。目的是一方面培养学员的自学能力，另一方面获取案例自主探究所需要的基础知识。

故障现象引入。教员下发本节课探究的案例，某发动机最大状态超温超转故障，重点是详细描述故障现象，使学员对故障发生的参数表现有非常详细且充分地掌握。在此案例中，以场景图片、视频伴随文字注解和音频的形式给出了发动机在发生故障时的使用环境、飞行环境、飞行员操作状态、发动机的工作状态及其各个参数的变化规律，引导学员进入情境，更好地探究和思考。案例内容涵盖转速控制器、电子控制器在最大状态的工作原理及其协调工作过程。

需要指出，一般在正式上课前一周，教员把案例材料发给学员。让学员阅读案例库材料，进一步查阅指定的资料和读物，自主学习，搜集必要的信息，并积极地思索，初步形成关于案例中问题的原因分析和解决方案。教员在这个阶段给学员列出一些思考题，让学员有针对性地开展准备工作。注意这个步骤是必不可少而且非常重要的，这个阶段学员如果准备工作没有做充分的话，会影响到整个授课过程的效果。为此，课前自测是必要的，教员在课前通过线上投票、问答、讨论等形式掌握学员对关键知识点的理解程度。

2 课中

问题探究引导。引导学员再次进入情境案例，初步分析案例中控制系统在故障发生时的工作过程，在学生进入案例情境后，教员在教学过程中，适时地抛出需要初步探究的问题，一方面引导学员思考，另一方面检验学员的线上自学能力。在这一过程中，教员根据学员在线上的学习情况，结合数字化资源对一些重要的知识进行细化讲解。这个过程需要把握的重点主要有两方面，一是引导学员进入案例，开始进入更深层次的思考，另一方面是对学员掌握不太好的知识点进行讲解，为后续故障原因研讨做好准备。一般来说，计划的协调机制、结构上的协调和工作原理的协调是重难点内容。

故障原因讨论。根据学员对知识的掌握情况，结合其个人意愿或兴趣，将学员划分为由3～6 人组成的几个小组。小组成员分工要具体，要有团队考核，也要有个人考核，这样他们在准备和讨论时，表达不同意见的机会就多些，学员对案例的理解也就更深刻。各个学习小组的讨论区域应相对隔离。各个小组派出代表，发表本小组对于教员所分配内容的分析和处理意见。发言时间一般应该控制在5 分钟以内，发言完毕之后发言人要接受其他小组成员的询问并作出解释，此时本小组的其他成员可以代替发言人回答问题。小组集中讨论的这一过程为学员发挥的过程，此时教员充当的是组织者和主持人的角色，需要充分调动学员的积极性，提升全员参与性。此时的发言和讨论是用来扩展和深化学员对案例的理解程度的。然后教员可以设计提出几个意见比较集中的问题和处理方式，组织各个小组对这些问题和处理方式进行重点讨论和探究。这样做就将学员的注意力引导到方案的合理解决上来。

维护能力培塑。讨论结束后，教员总结故障原因和排故措施，并将故障原因、排故措施与维护规程结合起来，强调维护要点，培养学员的维护能力。在教学过程中，将案例与装备技术发展、维护作风塑造等思政元素结合起来，培塑学员勇攀高峰的创新精神和严谨细致的维护作风。

3 课后

在小组集中讨论完成之后，教员在课后留出一定的时间让学员自己进行思考和总结。这种总结可以是故障规律和排故经验，也可以是获取知识和经验的方式。总结完成后需要以小组为单位提交课题总结报告，并计入平时成绩。同时，教员应该在研讨结束后，充分总结授课经验，进一步对案例和教学过程进行优化，对研讨问题进行改进，以进一步提升教学效果。

（四）考核机制改革

线上线下混合的案例探究式教学注重的是学员全方位能力的培养，需要设定多元化的考核机制，可促进学员线上自学能力、课堂表达能力、实践能力和课程报告的撰写与分析能力进行全面提升。因此在教学过程中，课程组设定了多阶段、多层次、多平台的测试，及时反馈学情和调整授课重难点。通过线上线下预习、复习，单元、课中测试，增强学员学习积极性和成就感。综合考虑学员的作业、答辩、研讨和故障分析中的表现，形成全时段、多任务、整课程的抗遗忘的强化考核和记忆模式。融考核评价于平时教学中，以达到简洁高效和省时减负的目的。