空气动力学研讨课建设的探索与实践

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楼主 2022-05-13 11:21:18
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空气动力学研讨课建设的探索与实践


北京航空航天大学 刘沛清教授

摘要为了丰富基础课堂教学资源、满足本科生通识教育的需求,北京航空航天大学近期推出建设名师研讨课、新生研讨课、专业研讨课等,毫无疑问这些对学校本科教学的深化改革具有重要的促进作用.针对我校国家级精品课程空气动力学教学改革的实践,总结了在建设空气动力学名师研讨课过程中的构思和经验,以供参考.空气动力学是一门理论与实际紧密结合的基础课程,在研讨课建设中,提出以空气动力学典型问题为引导,通过启发、实验、讨论、分析等多种形式,引导学生积极主动思考,从鸟的飞行原理、实验现象和结果中获取灵感、凝练科学问题,对激发学习兴趣、提高创新实践能力等具有明显效果。


注:本文摘自《力学与实践》2016年第38卷第1期。本文经过作者授权得以在计算流体力学公众号上发表。原文:刘沛清.空气动力学研讨课建设的探索与实践.力学与实践, 2016, 38(1):87-89。


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创新实践教学活动在大学本科教学中的重要意义

从世界著名大学的教学经验来看,所谓创新人才培养并非一门课程所为,而是通过本科四年时间的一系列课程和实践完成的,其中以通识课程和专业课程最为重要,井辅以贯穿始终的各种实践教学活动。课程教学作为大学教学活动的主体,深入探讨教学模式的改革至关重要。通过长期的教学活动,美国等发达国家的著名大学课程教学比较重视研讨课程的教学活动,分为新生研讨课程和专业研讨课程.其中,专业研讨课,重点不在于系统厘清学科线索、基本知识和基本理论,而是关注人们对于基本问题的理解和解决过程,因此研讨课程的建设以基本问题为主题,以解决这些问题的思想和方法为主线,教学方式突出问题提出、实验与讨论等.其次,按照麻省理工学院的克劳雷教授提出的工程教育CDIO模式,即以构思(conceive) 、设计(design) 、实施(implement)、运行(operate) 为主线,用于解决工程教育和工程实践相脱节的问题,培养学生的工程基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力。在美国的很多研究型大学,如哈佛大学、斯坦福大学、麻省理工学院等,本科生有参与科研的机会,能够实际动手做研发的工作,从而掌握科学研究的程序和方法。让学生密切参与大学的研究活动,能够发展他们对于科学基本问题的认识和理解,培养他们开放的心和浓厚的兴趣,激励他们将最新知识转化为创新活动。美国大学这种教学模式来源于杜威的"从做中学"思想.让学生通过做而学,是一种需要多种感官参与、多种能力配合的学习,不仅仅可以训练动手能力,而且也可以训练思维能力和陶冶道德情操,是促进学生综合发展的有效方式.由此可见,研讨式的创新实践教学活动对于现代大学课程教学改革是非常重要的。

相对而言,我国大学的本科教学课程改革比较缓慢,特别是2005 年以前对实践教学活动重视不够。自从2005 年,"为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?回过头来看,我国解放后培养的人才不及民国时期培养的人才成就大"之间后,国人对此进行了深刻反思,各高校在育人理念和方法上进行着大胆的尝试与实践。,也促使我们从具体育人方法上思考现在大学里的主流教学方法是否需要改进,我们长期以来所奉行的那种知识传承式的满堂灌的教学方法是否适合,我们似乎已经习惯了以循规蹈矩的培训模式完成专业技术人才的培养,培训活动己成为大学课堂教学的主体活动,而忽视了对人才的真正培育.这种将培训视为培育的理念有碍教学改革的深入,实际上两者是完全不同的概念,创新人才需要长时间地培育,而非有培训就够啦.确实培训可以很好完成知识和技术的传承,但却有扼杀学生的创新活动和创新思考之嫌。这就要求大学本科的课程教学改革必须重视创新实践的培养,在课程教学活动中减弱课堂教学从理论到理论的传授,以理论-实验-应用的秩序传承着可知的知识.而是要依据人类创造知识的真实过程,加强创新实践的教学活动,重视从实际的物理现象和实验中获取感性认识,通过人脑加工分析形成理论,从而上升到理性认识的人类的认知过程的教学实践活动非常重要。相对而言,我国清华、北大、北航等国内著名高校,有相当数量的本科生提前进入实验室进行研究活动,起到了示范教学效果。

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空气动力学研讨课建设理念与实践

依据上述分析,在我校国家级空气动力学研讨课建设中,突出创新实践教学的构建,打破常规传承知识的教学理念,遵循"由问题而来(发端于问题) ,到问题而去(终结于问题) ,实现在思考解决问题的过程中激发学习兴趣、传授新知识、提高新认识,在探讨问题中学会发现规律、提出理论并指导实践和应用"的创新实践教学原则,按照知识创新的认知过程,从观察鸟飞行过程和姿态、自然界中的特殊流动现象和实验室典型流动问题的实验结果入手(感性认识过程) ,分析这些现象的演变过程、影响和控制流动的各主要物理量之间的定量关系,继而达到探索可能建立的理论(理性认识) ,并提出改进理论研究成果的可能性,及理论对实际的指导作用和工程应用前景。为此,本文作者通过深思熟虑,并经过研讨,选择了5 个空气动力学中的典型流动问题作为研讨课的主题,在课程教学实践中,不是按照传统教科书的章节秩序进行全程讲授,而是针对这些问题,通过启发、实验、研讨和探索的教学实践活动,将新的知识展示给学生,引导学生在思考问题的过程中,自我获取新知识,建立新概念,产生新思想,变被动学习为主动探索,将大量的课堂教学内容留给学生自学获取,通过分组研讨、提炼问题、动手试验,完成获取和探索新知识的过程.具体研讨内容如下:

问题一:如何从观察乌的飞行过程和姿态中获取灵感?

学习空气动力学,最好从观察鸟的飞行过程和姿态开始,重点观察鸟的巡航姿态、起飞、着陆、外挂物飞行姿态,并重点结合机翼、机身、起落架、机头、尾翼等部件进行观察.学会从自然界中获取灵感,从观察鸟的飞行过程和姿态中提出问题,带着问题学习,在思考问题中激发学习兴趣,在解决问题中学会自行获取新知识、建立新理论、发现新规律.根据所提供的鸟飞行的大量视频资料,要求学生通过细致观看,提出至少10 个以上的关于鸟飞行中感兴趣的问题。

问题二:从观察雨燕等大鸟朝翔姿态思考固定翼飞机的飞行原理?

雨燕等大鸟在朝翔飞行时,翅膀和身体是相对固定的,翅膀向展向尽可能舒展,能够在高空中自由朝翔.要求学生通过细致观察,思考固定翼飞机的飞行原理,并通过水槽试验演示特定飞机模型的流动现象和风洞测力试验,建立机翼和翼型绕流的物理概念,结合测力试验结果分析和研讨,提出升力、阻力和力矩,以及飞行中飞机的平衡与稳定性问题等概念和知识,引导学生带着问题和思考进行课外大量文献和有用知识的阅读,完成对物理机制和理论的认知,同时通过实践教学中研讨活动,探索机翼产生升力和阻力的各种理论和适应性,以及对实践和工程的指导意义。

问题三:如何认识现代大型运输机高亚声速后掠翼的升阻特性?

以A380 , A350, B747, B787 等现代大型飞机为对象,通过观察和了解这些飞机的布局特点和几何尺寸、飞行速度、飞行高度、飞行航程等,通过研讨飞行速度接近声速时机翼绕流的物理现象,深入思考空气压缩性对流动的影响,引出低速、亚声速和超声速飞机的物理概念,并结合风洞试验的视频资料,以高亚声速后掠翼绕流现象为背景,重点探索空气压缩性对高亚声速后掠翼升力和阻力的影响规律,并通过与同尺寸模型低速风涧试验结果对比,引出压缩性修正的物理概念。同时以进一步提高大涵道比涡轮风扇发动机飞机的飞行速度为目的,引出超临界机翼的物理概念和由此产生的空气动力学效果.过去这些满堂灌的知识,现在2/3 的知识全部下放给学生自学获得,而且通过考试、考查、提问等形式,发现学生在启发教学下对自我获取的知识更加扎实和灵活。

问题四:如何认识现代战斗机大后掠三角翼布局的气功机理?

通过细致观察现代战斗机F16 、F18 、苏27、歼10 、苏35 等布局特点,聚焦关键问题,通过重点思考和讨论大后掠三角翼在现代战斗机布局中的优势,从而引出大后掠角三角绕流出现的前缘分离涡新概念,并在水槽中通过对三角翼不同迎角下的绕流观察,提出对前缘涡的演变与破裂、鸭翼涡与主翼涡的相互作用等复杂问题的思考,达到认知前缘涡流产生和演变的物理机制.并针对F16 战斗机模型,通过风洞测力试验获取不同迎角下的气动力数据,建立气动力与迎角的实验关系曲线,在流动显示定性认识的基础上,提出前缘涡吸力比拟的预测方法及其与实验结果的比较.这些连贯的知识主要通过研讨和两次试验,大部分不是在课堂上传授,而是在问题研讨和试验的基础上,由学生自学获取。

问题五:如何降低大型飞机起飞着陆的气动噪声?

随着近年来人们对生存环境的保护,对飞机的气动噪声污染提出了越来越苛刻的限制,这就要求飞机设计者在降噪方面引起足够的重视。飞机在起飞和着陆过程中的气动噪声主要由起落架和增升装置绕流引起,为了对此问题有足够的感性认识,首先在北航D5 风洞中完成了增升装置和前起落架气动噪声试验,通过研讨和分析试验数据,引入增升装置和起落架产生气动噪声的物理机制探索,凝练科学问题,结合试验数据启发学生对理论的思考,继而引出气功声学比拟理论、气动噪声降噪机制和方法等新知识和概念,要求学生通过课外自学完成新知识的系统学习。

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空气动力学研讨课实践经验总结

经过上述研讨课的教学实践,可以得到以下几点经验。

(1) 以问题为主线,是开展研讨课程的关键,也是调动学生学习兴趣和激发学生学习热情的主要手段.在课程安排上,真正体现以学生为本(教师学生角色互换) ,以学为主体讲为辅助的原则,通过观察现象、实验活动、问题引导,将传统灌输式课堂教育的2/3知识转为课外,鼓励学生以思考和主动学习的方式,通过自学获取,在整个课程的教学活动中教师讲授的内容不到原来的1/3 ,不仅达到事半功倍之效果,而且学生获得的知识更为扎实。

(2) 问题导引、现象观察、实验测试、启发讨论、探索实践等方式的教学合理安排是研讨课成功的关键,通过各种实践活动,引导学生积极主动思考,从自然现象和实验结果中获取灵感、凝练问题、探索未知等,对提高学生学习兴趣、自我获取新知识和创新实践能力的培养具有重要的作用。

(3) 启发式课堂教学实践,不是无序获取知识的放羊式管理,也不是无计划的教学活动.从美国一些著名理工类大学的研讨课成功经验来看,要想让学生通过启发研讨形式获取系统知识,必须精心设计课程计划,教师的工作在幕后导演,各项教学实践活动安排和问题的提出,均是针对本课程的知识重点和难点进行的,学生在这样的教学活动指导下变被动听课为主动自学获取知识,教师职能变课堂主讲为课堂辅导。

参考文献

[1] 徐华航. 空气动力学基础(上下册). 北京: 北京航空航天大学出版社,1987.

[2] Anderson JD Jr. Fundamentals of Aerodynamics (3rdEdn, International Edition, Mechanical Engineering Series). New York: McGaw-Hill, 2001.

3 刘沛清, 刘佳. 现代大学概说, 北京: 北京航空航天大学出版社, 2012.

作者简介

刘沛清,男,1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位,1995年在清华大学获博士学位。1997年至今,在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今,,博士生指导教师。2003年至2012年,任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事,中国力学学会流动显示委员会副主任委员,全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人,国家级航空航天实验教学示范中心主任,空气动力学学报编委。

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