以成果为导向的理实虚一体化教学模式探索与实践——以“航空发动机基础”课程为例

董彦非,李 静,轩 悦,王旭飞

(西安航空学院 飞行器学院,西安 710077)

0 引言

2018年10月,教育部发布《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》[1],提出要通过教学改革促进学习革命,积极推广混合式教学、翻转课堂,构建线上线下相结合的教学模式。为适应高水平本科教育的新要求,不同高校分别围绕着公共基础课[2-3]、专业课[4-5]进行教学改革的探索与实践。

西安航空学院是一所航空特色鲜明的应用型地方普通高校,近年来,以高水平本科教育为目标,对教学改革不断进行探索。“航空发动机基础”是西安航空学院飞行器设计与工程本科专业开设的专业课程,属于专业必修课,共32学时。结合飞行器设计与工程专业“高素质工程技术人才”的培养定位,设定的专业必修课“航空发动机基础”的教学目标由知识目标、能力目标和素质目标三部分组成,如图1所示。课程教学团队结合飞行器设计与工程专业毕业生主要从事飞行器总体设计、气动分析、结构设计、强度分析与试验技术等工作的高素质应用型工程技术人才的培养定位[6-7],针对“航空发动机基础”课程进行了教学改革的实践探索。

图1 “航空发动机”课程教学目标

1 课程面临的问题

“航空发动机基础”课程在教学实践过程中,主要面临以下三个问题:

(1)课程内容与飞行器设计与工程专业契合度不够,不利于知识目标达成。“航空发动机基础”课程开始制定的课程大纲是按照飞行器动力工程专业相关课程制定的,飞行器动力工程专业此类课程重在原理和设计方法等内容讲解,而飞行器设计与工程专业更关注发动机的性能和应用。显然,依据飞行器动力工程专业制定的教学大纲与飞行器设计与功能专业的契合度不够,这一方面可导致在无前导课程的情况下,学生难以听懂课程内容;另一方面可导致授课内容与飞行器设计的关系不够密切,学生无法充分获取所需知识内容,教学目标难以达成。此外,在教学过程中可选教材的知识体系和难易度不易满足应用型本科人才学习的要求,对课程学习效果的影响比较大。

(2)教学资源建设不足,支撑教学目标手段需完善。为使学生更好掌握“航空发动机基础”课程内容,理论教学必须和实践、实验教学结合。本课程需要开设的实验主要包括航空发动机结构拆装实验和试车实验。无论是活塞式航空发动机还是涡轮喷气发动机,价格都很高,且对实验条件要求苛刻,还会对环境造成噪声污染和排气污染。如何在减少对环境的污染和降低成本条件下,最大限度地保证实验教学效果,是本课程教学过程中必须解决的问题。此外,该课程开设之初也存在信息化教学手段不完善的问题,无法充分发挥计算机、手机以及基于互联网的各种学习平台的优势,对教学过程的组织、管理与控制能力不足,难以达到理想的教学效果。

(3)知识与应用未充分融合,学生解决飞行器设计实际问题能力不足。“航空发动机基础”课程的核心内容是发动机的原理、构造和性能,没能与飞行器设计与工程专业中需要应用发动机知识的内容充分结合,学生对飞行性能的计算分析、发动机选型以及发动机工作状态变化对飞机气动参数和构造参数影响的理解和应用能力不足,在飞机设计中缺乏飞发一体化设计等融合思维和应用能力。

2 课程改革创新方法与途径

根据“航空发动机基础”课程教学目标和课程存在的问题,在OBE教学理念[8-9]指引下,制定和实施了以成果为导向的理实虚一体化教学模式,如图2所示。

图2 以成果为导向的“理实虚一体化”教学模式

理实虚一体化教学模式的创新教学方法与途径包括以下几个方面:

(1)三师共建,解决课程内容重构难题。该教学模式打破过去以飞行器动力工程专业教师为主导的思维定式,改由飞行器设计与工程专业教师主导,团队教师由飞行器设计与工程、飞行器动力工程和实验中心老师共同组成,“三师”共建课程。

课程内容的重构由飞行器设计专业的教师根据学情和教学目标制定详细的知识需求清单,飞行器动力专业教师根据清单整理规划课程内容,实验中心教师设计符合教学目标的实验内容,在此基础上共同制定课程大纲,编写适用的教材(图3)。所编教材注重概念和结论性知识的讲解,弱化对前导知识的需求,可读性强。同时,根据专业课课程思政的教学要求,在教材中融入国产航空发动机研制的典型案例,使学生在学习过程中深切体会到民族自豪感、工匠精神以及航空报国的使命感和责任感。

图3 “三师”共建,重构课程内容

(2)全方位完善教学资源,构建理实虚一体化教学模式。在持续完善航空工程实验实训中心的软硬件设施的同时,针对课程实装实验成本高、环境污染和存在安全风险的实际问题,加大虚拟仿真实验设备和实验室建设,以降低发动机拆装、试车等实验的成本,减轻环境污染和降低风险。

结合虚拟仿真实验和实装实验,构建理实虚一体化教学模式,通过航空发动机实装和虚拟仿真模型结合的教学实景,将理论教学、实验教学、虚拟仿真教学充分融合,实现了“航空发动机基础”课程理实虚一体化教学,从而实现理论知识传授和(虚拟)实验实践操作的统一,以及理论知识体系和(虚拟)实验实践技能体系的建构和培养,使发动机知识更利于学生理解和接受,实现了“教学过程任务化、学生学习自主化、评价主体多元化”。

线下线上结合是全面提升教学效果的有效手段[10]。“航空发动机基础”课程在超星“学习通”平台上建立了全套线上课程资源,全面实施混合式教学。本课程采用“线上自学、线下授课、虚实结合”三位一体的教学方法和“全过程、多元化”教学评价方法,可以有效地帮助学生取得相应的学习成果并对学习成果进行评价。同时,可通过多种渠道及时听取学生、同行教师和校院两级督导的反馈意见,不断完善教学过程和内容。

(3)完善课程融合训练内容,提升飞发知识一体化应用能力。根据飞行器设计与工程专业课程需求,在各知识单元结束的单元测试中增加与飞行性能计算相关的融合性练习。设置飞发匹配和飞发一体化设计研讨题目,使学生从飞行器设计框架中跳出来,从更加宏观,更加融合的角度分析飞行器与航空发动机协调设计问题,培养学生飞发融合一体化思维能力。在教学过程中,针对一些内容有组织地安排学生分组讨论,讨论结束后每组选派代表进行汇报,以翻转课堂的形式激发学生的学习兴趣和积极性。

结合中国国际飞行器设计挑战赛、无人飞行器云端设计大赛等赛事题目,以及教师科研项目中涉及飞机与发动机的内容,组织学生从赛题和科研项目出发,应用所学知识解决实际问题,以期达到学以致用的效果。通过所学知识的实际应用,也培养了学生精益求精的工匠精神。

3 课程教学创新成果与应用效果

“航空发动机基础”课程通过3年的教学改革与实践,在全面贯彻OBE教学理念的同时,创建了以学生为中心的理实虚一体化教学模式,提高了学生学习积极性和学习效果,该模式考核过程更具动态特点,考核指标更加多元,根据教学效果持续改进教学方法和不断完善教学手段,有效解决了以往课程教学中存在的问题。

通过“航空发动机基础”课程理实虚一体化教学模式的实施,效果显著,学生综合成绩优秀率提高了20%。同时,学生的知识应用能力也明显提升,飞行器设计与工程专业学生参加学科竞赛人数和获奖数量逐年上升(图4)。截至2022年,已累计获得省级以上奖励50多项,32人次获得专利授权,20多人次发表专业学术论文。学生在参加首届全国大学生航空发动机概念构想比赛、“银鹰杯”全国无人飞行器云端设计大赛、国际无人飞行器创新大奖赛等需要应用航空发动机知识的各类学科竞赛和科技竞赛中,成绩优异。其中,学生设计的“三文鱼”无人机获全国无人飞行器云端设计大赛一等奖。

图4 学生参加学科竞赛和获奖人数

经过不断建设,“航空发动机基础”课程相关实验和实践条件进一步优化和完善。“大涵道比涡扇发动机结构分析与拆卸虚拟仿真实验”获评为陕西省虚拟仿真实验教学项目[11],航空工程实验中心获批为陕西省实验教学师范中心。

课程教学团队主持和参与多项省级、学会和校级高等教育研究课题,发表教学研究论文5篇,主编出版教材6部,获得省级教学成果二等奖1项,省级优秀教材一等奖1项,校级教学成果一等奖2项,二等奖1项。《通用航空发动机原理与构造》教材被列入“十四五应用型本科规划教材”,并获校级优秀教材二等奖,得到陆军航空兵学院、南京航空航天大学、哈尔滨华德学院等多所高等院校选用。2019年8月,“飞行器设计教学团队”获批校级“优秀教学团队”。

4 结语

对西安航空学院飞行器设计与工程专业重要的专业课“航空发动机基础”进行了教学改革探索实践。针对该课程在教学过程中存在的课程内容匹配度不够、教学资源建设不足、课程知识与实际应用未充分融合等主要问题,分析其原因,据此提出了实虚一体化教学模式。通过采取三师共建、全方位完善教学资源,构建理实虚一体化教学模式、完善课程融合训练内容等一系列教学改革举措,取得了良好的教学效果,并取得了一些教学建设成果。在后续的课程建设中还需继续完善线上、线下的课程资源,不断提升课程教学团队的师资水平,夯实实践和实验课程基础,努力将该课程打造成应用型人才培养的精品课程。