新工科背景下“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探討

摘"要：“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)”課程是航空領(lǐng)域如飛行器動力工程和飛行器設(shè)計專業(yè)必修的學(xué)科基礎(chǔ)課程，在我國從工程教育大國向工程教育強國轉(zhuǎn)變的新工科背景下，對“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式提出了新的更高的要求。本文針對目前該課程教學(xué)內(nèi)容和人才培養(yǎng)中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、考核體系、理論聯(lián)系實際和課程思政等方面進行教學(xué)改革探討，以期進一步完善該課程建設(shè)，提高航空科研人員和技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量，更好地服務(wù)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要和國家重大戰(zhàn)略需求。

關(guān)鍵詞：氣體動力學(xué)；航空工程；新工科

1"概述

“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)”課程是西北工業(yè)大學(xué)飛行器動力工程和能源動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，側(cè)重于介紹可壓縮流體動力學(xué)的基本概念、基本方程和求解方法，在航空宇航科學(xué)與技術(shù)、航空宇航推進理論與工程、工程熱物理、流體機械與工程、航空工程、飛行器設(shè)計、飛行器動力和能源化工等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。本門課程的基本概念、基礎(chǔ)知識和基本理論，是飛行器動力工程和能源動力工程專業(yè)本科生的必備知識，也是后續(xù)開展“航空發(fā)動機原理”“葉片機原理”“傳熱學(xué)”“航空發(fā)動機燃燒學(xué)”等核心專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

研究流體動力學(xué)的學(xué)科名稱較多，如流體力學(xué)（Fluid"Dynamics）、空氣動力學(xué)（Aerodynamics）、氣體動力學(xué)（Gas"Dynamics）等，不同學(xué)科名稱研究的側(cè)重點不同。流體力學(xué)主要是指研究不可壓縮黏性流體動力學(xué)，如水和低速流動的空氣；空氣動力學(xué)主要是指研究不可壓縮和可壓縮的流體動力學(xué)；氣體動力學(xué)主要是指研究不可壓縮和可壓縮的流體動力學(xué)，但更強調(diào)流動過程中存在熱能或機械能交換的流體動力學(xué)。由此可見，相比于流體力學(xué)和空氣動力學(xué)，氣體動力學(xué)的研究對象和研究方法有其獨有的特征［12］。

“氣體動力學(xué)”課程主要面向西北工業(yè)大學(xué)航空發(fā)動機專業(yè)本科生，畢業(yè)生主要到軍工科研院所工作，因此，在課程教學(xué)過程中，除了講授基礎(chǔ)理論知識外，也應(yīng)該注重課程思政教育、愛國主義教育和保密教育等。總而言之，“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)”課程是與我國航空發(fā)動機事業(yè)和國防事業(yè)息息相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科，在新工科理念和國際局勢復(fù)雜多變的情況下，需要對該課程教學(xué)進行革新。

2"“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1"教學(xué)內(nèi)容和考核方法發(fā)展滯后

“氣體動力學(xué)”是流體力學(xué)的一個分支，其基礎(chǔ)理論和流體力學(xué)是一脈相承的，流體力學(xué)的重要發(fā)展節(jié)點如表1所示。流體力學(xué)是一個古老的學(xué)科，公元前245年由阿基米德提出的阿基米德原理是流體靜力學(xué)發(fā)展的一個重要里程碑。1687年，牛頓提出了牛頓內(nèi)摩擦定律，指出流體受到的黏性切應(yīng)力與流體動力黏度和速度梯度成正比，為黏性流體動力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1726年，瑞士流體物理學(xué)家丹尼爾·伯努利提出了伯努利原理，給出了流體速度和流體壓力之間的變化關(guān)系。

歐拉連續(xù)方程、歐拉動量方程和納維—斯托克斯方程的建立標(biāo)志著流體力學(xué)基本理論的完善，納維—斯托克斯方程是飛行器、汽車等空氣動力學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)。雷諾層流湍流轉(zhuǎn)捩實驗、雷諾時均方程和普朗特邊界層理論是湍流理論發(fā)展的重要里程碑，1904年提出邊界層理論的普朗特被稱為現(xiàn)代流體力學(xué)之父。1939年，錢學(xué)森及其導(dǎo)師馮·卡門共同提出了卡門—錢學(xué)森公式，建立了低速空氣動力學(xué)和高速空氣動力學(xué)壓強系數(shù)的關(guān)系。1952年，我國著名科學(xué)家吳仲華教授建立了葉輪機械三元流動理論，奠定了現(xiàn)代航空發(fā)動機設(shè)計的基礎(chǔ)。

吳仲華葉輪機械三元流動通用理論被提出之后，“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)理論”沒有大的發(fā)展，目前的氣體動力學(xué)教學(xué)內(nèi)容主要以一個世紀(jì)之前甚至更早的基本理論為主，與當(dāng)前快速發(fā)展的航空航天專業(yè)相比，教學(xué)內(nèi)容相對滯后。此外，課程考核方法以上課考勤、平時作業(yè)成績和期末考試成績?yōu)橹鳌Ｊ紫龋S著西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院實行小班化教學(xué)，課堂學(xué)生數(shù)量相對較少，學(xué)生都能做到按時上課，但是，隨著手機智能化的發(fā)展，學(xué)生面對的網(wǎng)絡(luò)誘惑越來越多，上課期間不免上網(wǎng)走神，導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)效率低下；其次，針對平時作業(yè)問題，很難避免部分學(xué)生抄作業(yè)的問題；再次，針對期末考試問題，存在部分學(xué)生平時不學(xué)習(xí)、期末考試前突擊“預(yù)習(xí)”的問題，盡管該部分學(xué)生可能取得不錯的期末成績，但學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握并不牢固，不利于后續(xù)高年級專業(yè)課的學(xué)習(xí)和研究生階段的發(fā)展。總之，目前氣體動力學(xué)課程存在教學(xué)內(nèi)容和考核方法發(fā)展滯后的問題，不利于課程教學(xué)和綜合評價學(xué)生能力。

2.2"理論知識與科研實踐銜接不足

如前所述，氣體動力學(xué)基礎(chǔ)理論大都是在一個世紀(jì)之前建立并完善的，盡管基礎(chǔ)理論知識是學(xué)習(xí)后續(xù)課程和開展科學(xué)研究的基礎(chǔ)，但早期基礎(chǔ)理論大都是基于一定的假設(shè)，與實際工程問題具有顯著的差異。比如，氣體動力學(xué)中的氣動函數(shù)、激波理論和膨脹波理論等都是基于無黏流動假設(shè)推導(dǎo)得到的，而針對實際的流動問題，忽略黏性往往會造成較大的誤差，這些內(nèi)容是需要在課堂教學(xué)中指出并強調(diào)的。

目前，我國高校科研工作者存在“重科研、輕教學(xué)”的問題，教師把大部分精力放在科研問題上，而放在教學(xué)上的精力不夠多，課堂教學(xué)仍然以氣體動力學(xué)教材內(nèi)容為主，不能有效地把實際的科研問題引入課堂，以引起學(xué)生的科研興趣。其主要原因一是教師沒有足夠的時間將科研成果融入課堂教學(xué)，二是擔(dān)心學(xué)生聽不懂而沒有興趣。如何將陳舊的基礎(chǔ)理論知識和最新的科研成果相銜接是提高氣體動力學(xué)課程教學(xué)效果的關(guān)鍵。

2.3"課程思政元素需要進一步加強

課程思政是落實“把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程”的綜合教育理念，科學(xué)地認識課程思政的核心思想是深入貫徹課程思政教育理念的基本要求。2020年5月，教育部印發(fā)了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，對課程思政教育戰(zhàn)略做出了全面部署，掀起了高校課程思政建設(shè)的新高潮［3］。課程思政是高校以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，落實立德樹人根本任務(wù)的重要舉措［47］。高等學(xué)校教育是幫助學(xué)生樹立正確世界觀、人生觀和價值觀的關(guān)鍵一環(huán)，高校教師應(yīng)著力引導(dǎo)學(xué)生“樹立對馬克思主義的信仰、對中國特色社會主義的信念、對中華民族偉大復(fù)興中國夢的信心”。高校課程思政育人功能的充分發(fā)揮需要遵循一定的原則：堅持深入挖掘與有機融合相結(jié)合，堅持專業(yè)教學(xué)與思想政治教育相統(tǒng)一。然而，在氣體動力學(xué)教學(xué)課程中，目前的課程思政元素尚不豐富。特別是，“氣體動力學(xué)”是從事航空航天專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在教學(xué)過程中增強課程思政元素、增加愛國主義教育和保密教育顯得更為關(guān)鍵。

3"“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探討

3.1"完善教學(xué)內(nèi)容，健全考核體系

如前所述，氣體動力學(xué)和流體力學(xué)及空氣動力學(xué)既有區(qū)別又有緊密聯(lián)系，在課程教學(xué)開始需要開宗明義的論述三者之間的關(guān)系，讓學(xué)生明白作為飛行器動力工程專業(yè)的學(xué)生為什么要學(xué)習(xí)“氣體動力學(xué)”這門課程。在教學(xué)過程中應(yīng)深入分析理論公式推導(dǎo)過程中所采用的假設(shè)條件及其與真實情況的差距，此外，應(yīng)將氣體動力學(xué)基本理論知識與航空葉片機原理及航空發(fā)動機原理進行關(guān)聯(lián)，以便于學(xué)生更深入的理解所學(xué)的專業(yè)知識。通過系統(tǒng)梳理流體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展脈絡(luò)，將相關(guān)名人典故融入課堂教學(xué)，以增加課堂趣味性和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。此外，結(jié)合國家“大飛機工程專項”和“航空發(fā)動機及燃氣輪機重大科技專項”項目情況，動態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容體系。

積極探索課堂教學(xué)新模式，如主動式小組研討、以學(xué)生為中心分析課后習(xí)題，并將課堂討論結(jié)果納入成績評定體系，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，弱化期末考試一考定成績的作用，更加重視學(xué)生對實際物理本質(zhì)的認識，避免高分低能問題［8］。以激波和膨脹波教學(xué)為例，在進行小組研討過程中，提前讓學(xué)生查閱文獻，了解激波和膨脹波產(chǎn)生的條件和具體例子，以更容易深入課堂學(xué)習(xí)，掌握高效的學(xué)習(xí)方法。通過對研討小組、習(xí)題講解、文獻知識掌握程度和期末考試等的綜合評價，形成更加完善的學(xué)生學(xué)業(yè)成績評價體系。

3.2"引入科研成果和工程問題，理論聯(lián)系實際

在“氣體動力學(xué)”課堂教學(xué)過程中，引入最新的科研成果，如噴管流動、噴管的激波系和膨脹波系、激波與邊界層的干涉等，并重點論述課本中所做的有關(guān)假設(shè)（如無黏流動假設(shè)、一維流動假設(shè)等）與真實流動的區(qū)別和聯(lián)系，幫助學(xué)生更深入地理解實際物理過程。通過列舉實際工程例子，如通過大渦模擬數(shù)值計算的圓柱翼型干涉流動，更直觀地給出圓柱繞流卡門渦街的旋渦結(jié)構(gòu)，并通過舉一反三，讓學(xué)生思考并列舉人們?nèi)粘Ｉ钪兴龅降目ㄩT渦街問題，如橋墩后水的流動、石頭后水的流動等。通過類似基礎(chǔ)科研成果的引入，既可以增加課堂教學(xué)的趣味性，也使得學(xué)生可以理論聯(lián)系實際。

此外，充分利用西北工業(yè)大學(xué)在航空航天領(lǐng)域的校友資源，邀請行業(yè)總師和技術(shù)骨干，通過線上或線下的方式深入課堂教學(xué)，讓學(xué)生切實了解“氣體動力學(xué)”這門課程所要解決的工程問題，以工程背景為導(dǎo)向，讓基礎(chǔ)理論知識與工程問題聯(lián)系更加密切，以大幅度提升課堂教學(xué)效果和學(xué)生創(chuàng)新能力。通過與行業(yè)研究單位的密切合作，探索協(xié)同育人模式，提升航空發(fā)動機所需氣體動力學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)效力，為新工科背景下航空發(fā)動機專業(yè)人才培養(yǎng)提供支撐。

3.3"結(jié)合航空航天背景，融入課程思政元素

課程思政是我們黨高度重視高校思想政治工作這一優(yōu)良傳統(tǒng)和政治優(yōu)勢在新時代的集中體現(xiàn)，在深入推進課程思政建設(shè)過程中，需要遵循四個基本原則：堅持正確的政治方向；以課程內(nèi)容本身為基礎(chǔ)，發(fā)揮專業(yè)特色和優(yōu)勢；弘揚正能量；精心設(shè)計，使課程思政從教師的自發(fā)行為轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂X行為。

“氣體動力學(xué)基礎(chǔ)”是具有鮮明航空航天特色的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在氣體動力學(xué)學(xué)科發(fā)展過程中，我國科學(xué)家做出了卓越的貢獻。例如，錢學(xué)森及其導(dǎo)師馮·卡門共同提出了卡門—錢學(xué)森公式，大大改進了普朗特葛勞渥公式。周培源在國際上首次提出湍流脈動方程，建立了通用湍流理論，奠定了湍流模式理論基礎(chǔ)。林家翹求解了沃納·海森堡未能解決的奧爾索末菲爾德方程，發(fā)展了平行流動穩(wěn)定性理論，成為早期湍流統(tǒng)計理論的主要學(xué)派。吳仲華創(chuàng)立了國際公認的葉輪機械三元流動理論，在國際上被稱為“吳氏通用理論”，被世界范圍內(nèi)的科學(xué)家廣泛地應(yīng)用于航空發(fā)動機的設(shè)計。

而在當(dāng)代，西北工業(yè)大學(xué)校友在航空航天領(lǐng)域做出了重要的貢獻，如殲20總設(shè)計師楊偉、運20總設(shè)計師唐長紅、殲15副總設(shè)計師趙霞、ARJ21總設(shè)計師陳勇、C919基本型總設(shè)計師韓克岑、CR929中方總設(shè)計師陳迎春等。結(jié)合航空航天背景和我國科學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域所做的貢獻，厚植愛國主義情懷，激發(fā)學(xué)生民族自豪感和自信心，鼓勵學(xué)生樹立堅定的航空報國信念。此外，西北工業(yè)大學(xué)地處陜西，可以將陜西特色的精神元素融入課程教學(xué)中，如延安精神和西遷精神，并作為航空報國的精神動力。

結(jié)語

本文針對“氣體動力學(xué)”課程教學(xué)中存在的某些問題，從教學(xué)內(nèi)容、考核體系、課程思政等方面的教學(xué)改革進行了思考和討論，力求進一步完善新工科背景下“氣體動力學(xué)”課程教學(xué)體系和育人模式，為培養(yǎng)愛國主義情懷深厚、民族自豪感強、國家安全意識強、專業(yè)基礎(chǔ)知識扎實的航空航天類工程技術(shù)人才提供參考。

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［8］白曉輝，劉存良，孟憲龍.驅(qū)動式小組研討的傳熱學(xué)理論提升教學(xué)方法探討［J］.科技風(fēng)，2023（02）：3133.

作者簡介：陳偉杰（1986—"），男，漢族，河南周口人，博士研究生，副教授，研究方向：航空葉輪機氣動力學(xué)與氣動聲學(xué)。