以成果為導(dǎo)向的理實(shí)虛一體化教學(xué)模式探索與實(shí)踐
——以“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程為例

董彥非,李 靜,軒 悅,王旭飛

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院,西安 710077)

0 引言

2018年10月,教育部發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》[1],提出要通過教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命,積極推廣混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂,構(gòu)建線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式。為適應(yīng)高水平本科教育的新要求,不同高校分別圍繞著公共基礎(chǔ)課[2-3]、專業(yè)課[4-5]進(jìn)行教學(xué)改革的探索與實(shí)踐。

西安航空學(xué)院是一所航空特色鮮明的應(yīng)用型地方普通高校,近年來,以高水平本科教育為目標(biāo),對教學(xué)改革不斷進(jìn)行探索。“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”是西安航空學(xué)院飛行器設(shè)計與工程本科專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課程,屬于專業(yè)必修課,共32學(xué)時。結(jié)合飛行器設(shè)計與工程專業(yè)“高素質(zhì)工程技術(shù)人才”的培養(yǎng)定位,設(shè)定的專業(yè)必修課“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”的教學(xué)目標(biāo)由知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)三部分組成,如圖1所示。課程教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合飛行器設(shè)計與工程專業(yè)畢業(yè)生主要從事飛行器總體設(shè)計、氣動分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度分析與試驗(yàn)技術(shù)等工作的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)定位[6-7],針對“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程進(jìn)行了教學(xué)改革的實(shí)踐探索。

圖1 “航空發(fā)動機(jī)”課程教學(xué)目標(biāo)

1 課程面臨的問題

“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程在教學(xué)實(shí)踐過程中,主要面臨以下三個問題:

(1)課程內(nèi)容與飛行器設(shè)計與工程專業(yè)契合度不夠,不利于知識目標(biāo)達(dá)成。“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程開始制定的課程大綱是按照飛行器動力工程專業(yè)相關(guān)課程制定的,飛行器動力工程專業(yè)此類課程重在原理和設(shè)計方法等內(nèi)容講解,而飛行器設(shè)計與工程專業(yè)更關(guān)注發(fā)動機(jī)的性能和應(yīng)用。顯然,依據(jù)飛行器動力工程專業(yè)制定的教學(xué)大綱與飛行器設(shè)計與功能專業(yè)的契合度不夠,這一方面可導(dǎo)致在無前導(dǎo)課程的情況下,學(xué)生難以聽懂課程內(nèi)容;另一方面可導(dǎo)致授課內(nèi)容與飛行器設(shè)計的關(guān)系不夠密切,學(xué)生無法充分獲取所需知識內(nèi)容,教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)成。此外,在教學(xué)過程中可選教材的知識體系和難易度不易滿足應(yīng)用型本科人才學(xué)習(xí)的要求,對課程學(xué)習(xí)效果的影響比較大。

(2)教學(xué)資源建設(shè)不足,支撐教學(xué)目標(biāo)手段需完善。為使學(xué)生更好掌握“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容,理論教學(xué)必須和實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合。本課程需要開設(shè)的實(shí)驗(yàn)主要包括航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)和試車實(shí)驗(yàn)。無論是活塞式航空發(fā)動機(jī)還是渦輪噴氣發(fā)動機(jī),價格都很高,且對實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻,還會對環(huán)境造成噪聲污染和排氣污染。如何在減少對環(huán)境的污染和降低成本條件下,最大限度地保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,是本課程教學(xué)過程中必須解決的問題。此外,該課程開設(shè)之初也存在信息化教學(xué)手段不完善的問題,無法充分發(fā)揮計算機(jī)、手機(jī)以及基于互聯(lián)網(wǎng)的各種學(xué)習(xí)平臺的優(yōu)勢,對教學(xué)過程的組織、管理與控制能力不足,難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。

(3)知識與應(yīng)用未充分融合,學(xué)生解決飛行器設(shè)計實(shí)際問題能力不足。“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程的核心內(nèi)容是發(fā)動機(jī)的原理、構(gòu)造和性能,沒能與飛行器設(shè)計與工程專業(yè)中需要應(yīng)用發(fā)動機(jī)知識的內(nèi)容充分結(jié)合,學(xué)生對飛行性能的計算分析、發(fā)動機(jī)選型以及發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)變化對飛機(jī)氣動參數(shù)和構(gòu)造參數(shù)影響的理解和應(yīng)用能力不足,在飛機(jī)設(shè)計中缺乏飛發(fā)一體化設(shè)計等融合思維和應(yīng)用能力。

2 課程改革創(chuàng)新方法與途徑

根據(jù)“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)目標(biāo)和課程存在的問題,在OBE教學(xué)理念[8-9]指引下,制定和實(shí)施了以成果為導(dǎo)向的理實(shí)虛一體化教學(xué)模式,如圖2所示。

圖2 以成果為導(dǎo)向的“理實(shí)虛一體化”教學(xué)模式

理實(shí)虛一體化教學(xué)模式的創(chuàng)新教學(xué)方法與途徑包括以下幾個方面:

(1)三師共建,解決課程內(nèi)容重構(gòu)難題。該教學(xué)模式打破過去以飛行器動力工程專業(yè)教師為主導(dǎo)的思維定式,改由飛行器設(shè)計與工程專業(yè)教師主導(dǎo),團(tuán)隊教師由飛行器設(shè)計與工程、飛行器動力工程和實(shí)驗(yàn)中心老師共同組成,“三師”共建課程。

課程內(nèi)容的重構(gòu)由飛行器設(shè)計專業(yè)的教師根據(jù)學(xué)情和教學(xué)目標(biāo)制定詳細(xì)的知識需求清單,飛行器動力專業(yè)教師根據(jù)清單整理規(guī)劃課程內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)中心教師設(shè)計符合教學(xué)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在此基礎(chǔ)上共同制定課程大綱,編寫適用的教材(圖3)。所編教材注重概念和結(jié)論性知識的講解,弱化對前導(dǎo)知識的需求,可讀性強(qiáng)。同時,根據(jù)專業(yè)課課程思政的教學(xué)要求,在教材中融入國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)研制的典型案例,使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中深切體會到民族自豪感、工匠精神以及航空報國的使命感和責(zé)任感。

圖3 “三師”共建,重構(gòu)課程內(nèi)容

(2)全方位完善教學(xué)資源,構(gòu)建理實(shí)虛一體化教學(xué)模式。在持續(xù)完善航空工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心的軟硬件設(shè)施的同時,針對課程實(shí)裝實(shí)驗(yàn)成本高、環(huán)境污染和存在安全風(fēng)險的實(shí)際問題,加大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室建設(shè),以降低發(fā)動機(jī)拆裝、試車等實(shí)驗(yàn)的成本,減輕環(huán)境污染和降低風(fēng)險。

結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)裝實(shí)驗(yàn),構(gòu)建理實(shí)虛一體化教學(xué)模式,通過航空發(fā)動機(jī)實(shí)裝和虛擬仿真模型結(jié)合的教學(xué)實(shí)景,將理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)充分融合,實(shí)現(xiàn)了“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程理實(shí)虛一體化教學(xué),從而實(shí)現(xiàn)理論知識傳授和(虛擬)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐操作的統(tǒng)一,以及理論知識體系和(虛擬)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐技能體系的建構(gòu)和培養(yǎng),使發(fā)動機(jī)知識更利于學(xué)生理解和接受,實(shí)現(xiàn)了“教學(xué)過程任務(wù)化、學(xué)生學(xué)習(xí)自主化、評價主體多元化”。

線下線上結(jié)合是全面提升教學(xué)效果的有效手段[10]。“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程在超星“學(xué)習(xí)通”平臺上建立了全套線上課程資源,全面實(shí)施混合式教學(xué)。本課程采用“線上自學(xué)、線下授課、虛實(shí)結(jié)合”三位一體的教學(xué)方法和“全過程、多元化”教學(xué)評價方法,可以有效地幫助學(xué)生取得相應(yīng)的學(xué)習(xí)成果并對學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評價。同時,可通過多種渠道及時聽取學(xué)生、同行教師和校院兩級督導(dǎo)的反饋意見,不斷完善教學(xué)過程和內(nèi)容。

(3)完善課程融合訓(xùn)練內(nèi)容,提升飛發(fā)知識一體化應(yīng)用能力。根據(jù)飛行器設(shè)計與工程專業(yè)課程需求,在各知識單元結(jié)束的單元測試中增加與飛行性能計算相關(guān)的融合性練習(xí)。設(shè)置飛發(fā)匹配和飛發(fā)一體化設(shè)計研討題目,使學(xué)生從飛行器設(shè)計框架中跳出來,從更加宏觀,更加融合的角度分析飛行器與航空發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)設(shè)計問題,培養(yǎng)學(xué)生飛發(fā)融合一體化思維能力。在教學(xué)過程中,針對一些內(nèi)容有組織地安排學(xué)生分組討論,討論結(jié)束后每組選派代表進(jìn)行匯報,以翻轉(zhuǎn)課堂的形式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

結(jié)合中國國際飛行器設(shè)計挑戰(zhàn)賽、無人飛行器云端設(shè)計大賽等賽事題目,以及教師科研項目中涉及飛機(jī)與發(fā)動機(jī)的內(nèi)容,組織學(xué)生從賽題和科研項目出發(fā),應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題,以期達(dá)到學(xué)以致用的效果。通過所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用,也培養(yǎng)了學(xué)生精益求精的工匠精神。

3 課程教學(xué)創(chuàng)新成果與應(yīng)用效果

“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程通過3年的教學(xué)改革與實(shí)踐,在全面貫徹OBE教學(xué)理念的同時,創(chuàng)建了以學(xué)生為中心的理實(shí)虛一體化教學(xué)模式,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果,該模式考核過程更具動態(tài)特點(diǎn),考核指標(biāo)更加多元,根據(jù)教學(xué)效果持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法和不斷完善教學(xué)手段,有效解決了以往課程教學(xué)中存在的問題。

通過“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程理實(shí)虛一體化教學(xué)模式的實(shí)施,效果顯著,學(xué)生綜合成績優(yōu)秀率提高了20%。同時,學(xué)生的知識應(yīng)用能力也明顯提升,飛行器設(shè)計與工程專業(yè)學(xué)生參加學(xué)科競賽人數(shù)和獲獎數(shù)量逐年上升(圖4)。截至2022年,已累計獲得省級以上獎勵50多項,32人次獲得專利授權(quán),20多人次發(fā)表專業(yè)學(xué)術(shù)論文。學(xué)生在參加首屆全國大學(xué)生航空發(fā)動機(jī)概念構(gòu)想比賽、“銀鷹杯”全國無人飛行器云端設(shè)計大賽、國際無人飛行器創(chuàng)新大獎賽等需要應(yīng)用航空發(fā)動機(jī)知識的各類學(xué)科競賽和科技競賽中,成績優(yōu)異。其中,學(xué)生設(shè)計的“三文魚”無人機(jī)獲全國無人飛行器云端設(shè)計大賽一等獎。

圖4 學(xué)生參加學(xué)科競賽和獲獎人數(shù)

經(jīng)過不斷建設(shè),“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐條件進(jìn)一步優(yōu)化和完善。“大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析與拆卸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”獲評為陜西省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目[11],航空工程實(shí)驗(yàn)中心獲批為陜西省實(shí)驗(yàn)教學(xué)師范中心。

課程教學(xué)團(tuán)隊主持和參與多項省級、學(xué)會和校級高等教育研究課題,發(fā)表教學(xué)研究論文5篇,主編出版教材6部,獲得省級教學(xué)成果二等獎1項,省級優(yōu)秀教材一等獎1項,校級教學(xué)成果一等獎2項,二等獎1項。《通用航空發(fā)動機(jī)原理與構(gòu)造》教材被列入“十四五應(yīng)用型本科規(guī)劃教材”,并獲校級優(yōu)秀教材二等獎,得到陸軍航空兵學(xué)院、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱華德學(xué)院等多所高等院校選用。2019年8月,“飛行器設(shè)計教學(xué)團(tuán)隊”獲批校級“優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊”。

4 結(jié)語

對西安航空學(xué)院飛行器設(shè)計與工程專業(yè)重要的專業(yè)課“航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)”進(jìn)行了教學(xué)改革探索實(shí)踐。針對該課程在教學(xué)過程中存在的課程內(nèi)容匹配度不夠、教學(xué)資源建設(shè)不足、課程知識與實(shí)際應(yīng)用未充分融合等主要問題,分析其原因,據(jù)此提出了實(shí)虛一體化教學(xué)模式。通過采取三師共建、全方位完善教學(xué)資源,構(gòu)建理實(shí)虛一體化教學(xué)模式、完善課程融合訓(xùn)練內(nèi)容等一系列教學(xué)改革舉措,取得了良好的教學(xué)效果,并取得了一些教學(xué)建設(shè)成果。在后續(xù)的課程建設(shè)中還需繼續(xù)完善線上、線下的課程資源,不斷提升課程教學(xué)團(tuán)隊的師資水平,夯實(shí)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)課程基礎(chǔ),努力將該課程打造成應(yīng)用型人才培養(yǎng)的精品課程。