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空气动力学教学改革创新研究分析
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摘要：空气动力学是一门应用面十分广泛的专业技术基础课，该课程有助于学生更好的学习专业后续课程以及今后从事相关专业工程技术工作。本文首先分析该课程的教学特点和现状，随后针对教学过程中存在的突出问题，以学为中心，以问题为导向，对理论和实验教学进行改革创新探索，培养学生的创新能力。
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创新不仅是民族进步的灵魂，也是国家蓬勃发展的不竭动力。有关数据表明，教育部正在制定本科专业的教学质量标准，重点纳入创新精神和能力的培养。同时，全国各高校都在结合自己学校专业的特点，组织修改培养方案，将创新精神和能力作为重要培养指标之一。
空气动力学是能源与动力工程专业的技术基础课，是研究作为流体的空气的力学运动规律及其应用的学科。空气动力学的基本原理可为能源与动力工程专业的诸多重要课题提供理论支撑，如燃气轮机研发，新能源利用(风机发电、压缩空气储能等)等。但是，空气动力学中为了定量地描述空气流动现象，需要熟练掌握并灵活应用数学工具，因此这门课程具有很强的理论性、逻辑性和概念抽象性[1]，学生普遍反映学习难度大，在该课程教学中培养学生的创新能力成为教学难题。
应该注意到的是，目前已有一些关于空气动力学课程教学改革的研究，在使学生牢固掌握基本理论知识方面取得了一定的成效，但学生大多仍不清楚空气动力学课程能够解决什么实际工程问题和如何解决实际问题，这表明在教学过程中，理论知识和实践存在脱节现象。总的来看，在空气动力学的教学过程中，我们应以问题为导向，遵循现象到本质的认知规律[2]，多找出一些空气动力学的实际问题，如为什么“排云结阵南北行”、“大风起兮云飞扬”等，从而引导学生分析空气流动问题、探究实际流动现象背后的规律。最后，通过引入相关空气动力学概念，推导流体运动理论，给出上述问题的合理解释。这种以问题探究为主体的教学模式[2]，可以在一定程度上提高学生的学习兴趣，提高分析并解决实际空气流动问题的创新能力，最终达到更好更快地适应社会的目的。
1、课程现状分析
长期以来，空气动力学课程由于理论性很强，紧凑的课时安排使得教师们大都习惯采用填鸭式的传统教学模式[2]，即教师占据了所有的课堂时间资源，什么都讲解得非常清楚，以学生听课后不用再看教材即可完成课后作业为教学目标，不注意知识的扩展转移和灵活使用。大多数学生只能在下课后复制公式来做理论题目，并以此作为检验自己知识掌握程度的标准，很难对其他专业课中相关的新问题进行举一反三、触类旁通，无法提高采用理论知识解决实际工程问题的创新能力[3]。根据对空气动力学教学现状的分析，造成该课程理论和实践教学效果不佳的可能原因在以下两个方面：
(1)教学内容未跟上技术发展趋势，理论与实际衔接不当；教学方法和手段不灵活，不引入现实能源行业或流体机械行业中的工程问题使讲授的课程内容生动化，不注重利用多媒体视频资料辅助讲解抽象概念及线上教育平台与学生良好互动。
(2)实践中均为验证性实验，大部分学生不能设计自主探究型实验，不利于培养学生的创新能力。
2、教学改革措施
针对以上两个方面的问题，空气动力学教学需要进行改革创新。具体地，应以学为中心，以问题为导向，旨在提高学生的创新能力，构筑好空气动力学教学中理论和实践这两个相辅相成的环节。
2.1 理论教学改革
2.1.1 选用高质量教材，及时更新教学内容
随着科技的不断发展，学科间的渗透交叉形成了许多新课题，代表着空气动力学学科发展研究的新水平新方向，如空气与现代风机叶片的相互作用问题、与飞行器、多流域、燃烧有关的航空发动机湍流燃烧问题等。教师在教学内容中应适时介绍与空气动力学应用紧密相关的新研究领域，才能吸引学生的求知欲。因此，教材选用是否恰当对理论教学质量有决定性的影响。应注重选用常更新版本、能较快地反映最新的科技进展、更接近工程实际的国家级规划教材。应该提供教材的电子版和光盘，为学生提供在线学习和自主学习的辅助手段。教材应配套自主求解器，方便学生及时有效完成课后作业。
2.1.2 深入开展“以学为中心”的教学模式改革
在空气动力学的教学过程中，可以采用“对分课堂”的形式[4]，深入探究“以学为中心”的教学模式。在教学过程中可以采用“对分课堂”的模式。根据知识点的难易程度和学生的掌握程度，可以采用当堂对分、隔堂对分、课内多次对分的形式。教师先对知识点进行整体讲解，然后给学生布置学习任务，可以用探究性的问题引导学生去深入挖掘知识点。对于较难的知识点可以采用隔堂对分的形式，由学生在课外进行探究，并在下一次课堂分组阐述观点。比较琐碎的知识可以采取课内对分的形式，每个问题都按照教师讲解-学生分组思考的方式进行。“以学为中心”的教学模式顺利开展的前提是教师的专业知识和课堂把控能力较高，教师需要对学生的学习能力在整体和个体差异有较为清晰的了解，也需要教师采用合适的方法调动学生的学习积极性。
2.1.3 注重线上音像教学资料和教学平台
空气动力学的理论概念应重视运用音像资料辅助讲解。如在讲解平板边界层流动这部分内容时，学生首先会遇到什么是边界层的问题。讲解边界层的概念十分抽象，如果借助影像资料，让学生们直观观察边界层的存在和发展演化，将有助于他们了解边界层的知识点及其作用。此外，如今线上教学平台非常之多，需要注重利用好线上平台。选用一种线上教学平台，发布课件、通知、答疑和研讨。充分考虑网络教学的特点，精心准备教学内容，多采用图片和动画展示教学内容。设置在线互动方式的答疑，学生可提出学习过程中遇到的问题，教师通过QQ、微信、语音视频、远程桌面协助等及时回答。适时布置一些讨论作业，如近期的虎门大桥振动原因等，引导学生查阅相关文献和技术资料，扩宽学生的知识面。引导学生主动思考和学习，更利于学生尽快学会用掌握的理论知识去解决实际问题，并在解决问题过程中学习和提高。
2.2 实践教学改革
课后作业可以使学生理解和掌握空气动力学的基本概念理论，讨论作业可以提高学生对实际工程问题的简化求解能力[5]。但是，学生对流动现象仍缺乏感性认识，影响对流动机理的深入理解。同时，很多复杂的流动现象较难简化，因而有必要引入实践课程。具体地，实践可分为实验和计算软件两项内容。
2.2.1 实验
实验环节可提高学生的动手能力和理论知识理解能力。根据教学内容确定几个研究方案，如翼型压强分布测量、边界层流动测量等。每组学生任选一个方案并自行设计实验，模拟流动过程，分析实验结果及流动原理。对实验指导书和实验报告的内容和格式进行修订。为了在实验教学中提高学生的创新能力，应设置综合设计性实验，如增加空气流动综合性实验等。明确容错机制，让学生有机会从失败中总结经验。
2.2.2 计算软件
由于实际条件的限制，在实验室内开展一定量的自主设计实验会存在困难，引入计算软件则可突破这种限制。该教学环节能快速高效的模拟复杂的空气流动过程。选择讲授一门通用的计算流体软件，如Fluent、CFX、Comsol、PowerFLOW、Phoenics、Open-Foam等[6]。此外，还应介绍相关的计算辅助软件，如ParaView、Tecplot、Origin、Matlab等。学生利用流体计算软件和辅助软件，对各类空气流动现象进行数值仿真，实现流动再现和重构，增强对流动问题的感性认知。还可对速度、密度、压力、温度等宏观量结果进行整理总结，分析流线、流量、可压缩性、气动力、传热强度等的变化特点，揭示流动现象的机理。学生在规定的时间内完成模拟并撰写实验报告，并开展讲解和经验分享。最终实现以学为中心，达到全面提高学生的动手能力和学习效果的目标。
3、总结
空气动力学是能源与动力工程专业中的重要技术基础课程。概念抽象，公式繁多，理论知识的学习需要紧密联系工程实际，且随着科技的快速发展，课程内容也在不断更新迭代，以填鸭式为主的传统空气动力学教学模式，已经很难收获良好的教学效果，最终将不利于当前高素质创新人才培养的需求。本文通过对空气动力学的理论和实践教学进行改革探索，将创新意识贯彻教学始终，采用理论结合实践的教学模式，优化理论和实践教学内容，增加对分课堂、数值仿真等教学环节，提高学生的学习、创新和解决实际工程问题的能力。
参考文献：
[1]刘起霞,邹昕.流体力学课程教学中创新能力的培养[J].湖北经济学院学报(人文社会科学版),2014,11(07):181-183.
[2]谢海英,黄远东,邓保庆,等.《工程流体力学》课程问题探究式教学模式初探和思考[J].教育教学论坛,2017(04):223-224.
[3]高伟,李楚琳,杨润泽.工程流体力学课程教学改革探索与实践[J].课程教育研究,2015(07):238-239.
[4]罗大海.对分课堂模式在《工程流体力学》教学中的应用[J].课程教育研究,2017(38):240-241.
[5]彭维红,张海翔.CFD软件在流体力学教学中的应用[J].亚太教育,2016(07):69.
[6]石世杰.OpenFOAM在空气动力学教学中的应用[J].教育观察,2018,7(19):90-92+144.
陶实,何清,郭晓娟,左远志.空气动力学教学改革创新的探索与实践[J].广东化工,2020,47(14):224+180.
基金:东莞理工学院引进人才科研启动专项经费项目(GC300502-39);东莞理工学院大学生创新创业训练项目(201911819121);东莞理工学院课程群建设项目(GC100113-21);东莞理工学院校级质量工程项目(201902022,20180215).
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量子不确定关系表明,即使我们知道了量子态的全部信息,我们也无法同时精确地预测任意两个互不对易的可观测量的测量结果.量子不确定关系是量子力学和经典力学的本质区别,因此对不确定关系的研究能够帮助我们更好的认知量子力学.此外,不确定关系被广泛的应用于量子信息科学的每一分支中,比如,量子非克隆理论,量子密码,纠缠探测,量子自旋压缩,量子度量学和量子同步.
2020-12-08
地震研究的终极目标是对地震事件的发生时间、位置和震级进行准确的预测.目前,地震短期预测仍是具有高复杂度的世界性科学难题,现有的预测方法仍存在很大的可创新空间(周硕愚等,2019).对于地壳内部的构造地震而言,地震事件的发生是整体断层系统长期演化的结果.因此,地震预测方法的发展离不开对发震断层内部的摩擦过程及触发机制的研究.
2020-09-05
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2020-08-10
风洞试验、数值计算和模型飞行试验是空气动力学研究的三大手段，通过三大手段的综合应用，形成闭环的气动试验研究体系。气动试验研究体系着眼设备发展大局和信息化发展趋势，以CPS技术为核心，实现“人”、“信息系统”和“物理系统”的综合集成，形成链路通畅、高度数字化的试验研究环境，形成气动数据从生产到应用生态链，用多维度融合赋能气动研究创新发展，为气动研究工作注入新的活力[3,4]。
2020-08-10
风洞是航空航天领域极为重要的地面试验设施，油源系统是风洞的动力系统，为风洞所有阀门和执行机构提供液压动力，用于实现试验模型各种高难度状态的自动驱动和控制，是十分重要的组成部分。文中风洞是国内主力生产型风洞，控制系统已非常老旧，故障频发，另外随着国内各新型装备吹风试验对风洞的运行性能及功能要求进一步提高，原控制系统已不能很好地满足试验需求。
2020-08-10
“材料力学”课程是全国高等院校机械工程、土木建筑、车辆工程等专业的必修科目，根据国家对本科教育和人才培养的整改优化，国内高校对“材料力学”课程的教学课时做出相应调整[1]。“材料力学”课程因内容较抽象、研究问题较繁琐，因此对于基础较薄弱、理解能力较差的学生学习该课程会更加困难[2]。
2020-08-10
平流层浮空器是指利用轻于空气的浮升气体产生的浮力在平流层底部进行持久驻空飞行的浮空类飞行器,主要包括平流层飞艇和高空气球,具有飞行时间长、搭载能力强、使用效费比高等优点.平流层浮空器在全天候、全天时的信息获取应用中具有显著优势,可为对地观测、通信保障、防灾减灾、环境监测等应用需求提供重要的技术解决方案,具有巨大的军民应用前景[1].
2020-08-10
间隙这一非光滑因素广泛存在于机械系统中,比如齿轮传动系统中的齿侧间隙、导杆滑块机构中的多运动副间隙、起落架系统中的扭转间隙、空间机械臂的关节间隙、共振筛内的弹簧间隙等[1,2,3,4,5]。系统结构内的间隙,是引起分段约束问题的主要因素,它会对机械系统的动力学特性产生重要的影响,因此吸引了许多学者对含间隙系统的动力学行为进行研究。
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当飞机、车、船及火车运行速度较高时,湍流边界层激励的结构振动噪声成为该类交通工具内噪声的重要组成部分,会大大降低乘坐舒适度。舰艇在10kn以上中高航速时,流激振动噪声是声呐自噪声的重要组成部分,对声呐正常工作有不利影响[1]。湍流边界层激励结构振动主要包括湍流壁面脉动压力功率谱和结构随机振动响应功率谱两大内容。
2020-08-10
当一个物体在流体中作刚体运动或模态振动时,会带动其周围的流体一起发生运动,其中运动流体的动能可以用相应的附加质量进行度量。若假定流体无黏无旋,则依据势流理论,完全浸没物体的附加质量取决于其形状及运动模式,而与位移大小、速度及加速度无关[1]。对于附加质量,除极个别简单情形存在解析解外,一般需由数值方法或实验进行计算。
2020-08-10
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
邮发代号： 2-814
创刊时间：1957年
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2020-08-10
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