“飞环”专业核心课程群工程案例库的建设与实践

［摘 要］ 航空航天类专业具有研究对象较抽象、技术问题较多、理论难度较大等特点，非常适合采用案例式教学方法。针对目前国内开设飞行器环境与生命保障工程专业的高校在专业工程案例库的建设方面还较为欠缺的问题，论述了专业核心课程群案例库建设的必要性，探讨了案例库的规范化建设流程和方法，以及后续更新维护措施。同时，选取了一门专业核心课程开展基于案例库的案例式教学设计和实践，为其他课程提供了示范效应。

［关键词］ 课程群；工程案例库；教学设计；案例式教学

［基金项目］ 2021年度江苏省高等教育教改项目“飞行器环境与生命保障工程专业核心课工程案例库建设的研究与实践”（2021JSJG348）；2021年度南京航空航天大学教改项目“面向‘航空航天+人工智能’工程实践的教学模式探索——以‘航空航天大数据智能设计’课程为例”（YJG21018）

［作者简介］ 陈维建（1979—），男，山东新泰人，博士，南京航空航天大学航空学院副教授，主要从事飞行器环境控制、飞行器防除冰研究；武 艳（1977—），女，湖北襄阳人，硕士，南京航空航天大学航空学院讲师，主要从事飞行器环境控制研究；朱光亚（1990—），男，安徽巢湖人，博士，南京航空航天大学航空学院航空航天交叉研究院讲师，主要从事飞行器环境控制、数据驱动设计研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）48-0136-05 ［收稿日期］ 2023-10-21

引言

教育部在新工科建设行动路线中提出了新工科的教育理念，其目的在于培养多元化、创新型的卓越工程人才。这种新工科人才需既具备运用既定知识解决现有问题的实操能力，又能够持续学习、自我更新，成为引领科技革新的重要力量。

2021年6月，教育部高等学校航空航天类专业教学指导委员会开展了一系列一流专业核心课程建设调研活动，旨在梳理出航空航天类专业的核心课程及其核心知识点，并为航空航天类专业合理设置专业核心课程、充分覆盖重要知识点、提高人才培养质量提供参考。因此，对航空航天类专业的核心课程知识点的梳理、教学资源的完善和革新、教学模式的改革势在必行，专业核心课程工程案例库的探索和建立是重要一环。

飞行器环境与生命保障工程专业（以下简称“飞环”专业）是典型的航空航天类专业，主要任务是以流体力学、传热传质、制冷技术、自动控制、航空航天生理学、人机工效等理论为基础，为航空航天机载设备或人员提供满足需求的环境条件和对抗防护措施，保证人员安全和高效工作，为电子设备提供适宜的工作环境，同时在地面模拟高空等各种环境条件。该专业涉及机械、流动、换热、气动、控制和人体生理等多领域的、从部件到系统的专业知识，对专业新工科人才的培养提出了挑战。

哈佛大学、麻省理工学院等国际知名高校对案例式教学、CDIO（conceive-design-implement

-operate，构思—设计—实现—运行）教育模式等进行了大量的实践［1-2］，而航空航天类专业具有研究对象较抽象、技术问题较多、理论难度较大等特点，非常适合采用案例式教学方法。北京航空航天大学刘金琨［3］以四旋翼飞行器为例，以突出航空航天特色的工程问题为目标，设计具有专业特色的教学案例方案，并对案例设计的原则、设计实例和案例进行分析与讨论；北京理工大学王辉等［4］围绕“航天测控原理”课程教学内容，结合航天精神，通过两个具体的工程应用案例开展教学，既活跃了课堂氛围，又培养了学生的责任感和荣誉感。

国内实施案例式教学的工科类专业逐年增加，但多数专业主要针对某一门课程进行案例设计，忽视了专业课程之间的交联关系，针对专业体系的工程案例库的研究尚有所欠缺。南京航空航天大学飞行器环境与生命保障专业历史悠久、特色鲜明，该专业目前采用航空航天类“2+2”的培养模式，长期以来形成了“飞行器环境控制技术”等4个典型专业课程群，这为专业课程群工程案例库的建设和实践打下了良好的基础。

一、“飞环”专业核心课程群工程案例库建设的必要性

当前高校的专业课程学时普遍被压缩，而学生的数理基础以及对专业课程的学习兴趣却存在下降趋势，案例式教学法是解决这一难题的有力武器。如前所述，国内针对专业体系的工程案例库的研究还有待完善。

目前国内开设飞行器环境与生命保障工程专业的高校中，开展专业核心课程案例式教学的研究鲜见报道，也未见课程群工程案例库建设相关报道。设立相近专业（如建筑环境与能源应用工程专业）的高校中，南京理工大学周媛媛等［5］开展了案例式教学的探索性研究和实践，提出了重新整合建筑环境与能源应用工程专业核心课程教学内容，设计划分教学模块，丰富教学形式和改革考核方式，构建以工程典型分析和设计案例为先导的理论教学与工程实践有机融合的教学模式。

“飞环”专业所研究的对象为机载机电系统中最大的子系统，专业知识涉及面宽、部分知识较为抽象、所研究的系统较为庞大，对应的专业核心课程既互相关联又各有侧重。因此，在多门课程并行学习的过程中，学生形成清晰的“系统”知识框架具有一定难度。因此，本研究选取工程实践性强且关联度高的专业核心课程，提炼核心知识点与工程案例的关联点，建立“系统—部件—系统”的层次化工程案例体系，引导学生在思考和探究中建立清晰的飞行器环境控制系统的部件设计思想和系统概念。

近年来，面向国家在机载机电系统领域的自主可控和国产化的重大需求，国内在飞行器环境控制系统领域也已经取得了大量的进展，但学生在学习过程中却难以获得清晰直观的认识和针对性训练，专业核心课程群的工程案例库建设可以有效缓解以上矛盾。本研究中案例库的建设对教学和科研有双向促进的作用，具体表现为以下几方面。

（一）对航空航天类专业课程教材进行有力补充

由于行业的特殊性，“飞环”核心课程的专业教材更新速度较慢，无法体现理论及技术的发展。教师在制作与使用案例库的过程中，可将专业进展与应用方向实时融入案例，解决专业课程教学环节与行业现状一定程度脱节的问题。

（二）便于分层教学，提升学生兴趣

由于专业基础和学习能力的差异，不同学生难以在同一课堂中获取相应的知识与能力。案例库通过“简单案例—复杂案例—综合案例”的递进教学安排，线上资源学习和线下工程设计相结合，课堂教学和课后实践相结合，个人设计和团队协作相结合，引导不同学生找到适合的切入点，提高其专业兴趣度。教学中采用过程考核的方式，更为精准地监控学生的学习效果，更为科学地评估学生课程学习成绩，为改进教学内容和教学模式提供基础。

（三）为教师进行教学研讨和专业交流提供有力平台

案例经由具备多年授课经验及丰富工程实践经验的教师共同完成，内容由浅入深。案例制作过程涉及主要案例的收集、整理和分析，经过充分讨论后确定工程案例与课程知识点的关联，明确教学设计和教学实践中的关键要素。整个过程能快速提升新教师对专业工程问题的认知，弥补工程经验相对缺乏的不足，为专业核心课程教学团队的成长和发展提供宝贵的资源。

二、课程群案例库的建设研究

（一）案例库建设的总体规划

课程案例的制作及教学需要投入大量的时间和精力，不同课程各自为政，难以有效引导学生建立清晰的飞行器环境控制的系统概念和部件设计思路。结合“飞环”专业在航空航天机载机电系统行业中的应用现状和发展趋势，以“飞行器环境控制技术”课程群为主体开展案例库建设，其中涉及的四门工程实践性较强的专业核心课程为“飞行器环境控制”“制冷附件”“空调用制冷技术”“飞机座舱参数控制”。

从上述四门课程的专业基础、典型部件、典型系统三个角度归纳出其独立知识点和关联知识点；结合国内外现有飞机型号和其他工程应用对知识点进行分析和归纳整理，从不同机型、不同应用场景、不同部件及系统等角度进行分类，形成工程案例库整体框架，案例库建设框架如图1所示。

（二）案例库制作流程及方法

案例是为案例式教学服务的，因此其质量将决定教学质量的优劣，是研究的核心和难点。课程群的案例要配合多门课程课堂教学的需求，应以应用为目标，理论结合实际，让学生从概念性的方案设计入手，完成对飞行器环境控制技术的总体把握。

1.案例的筛选。案例库是教材理论知识的有力补充，且需与行业进展相关联，因此项目的真实性和客观性是考察的必要条件。判断实际项目是否可作为案例还可以从以下方面进行：项目内容是否符合教学目标的要求，项目是否反映了机载机电行业需求并按照科研思路开展研究，项目能否反映当前环控系统科研进展。实际工程项目的内容复杂、深浅不一，一般不宜直接作为案例进行使用，需将其解构分析、去繁化简后进行案例的制作。

2.案例的分类。将筛选出的项目细化梳理出课程群共用工程案例和课程特定工程案例，建立层次分明的案例分类体系。每个案例从不同角度会有多个分类，须根据其主要的使用场景明确其目的性，并在备注中注明推荐使用场景（如课前预习、课堂讨论、课后分组实践等）。案例还可按课程难易程度进行分类，一般从学生角度出发分为简单、复杂、综合几个大类。

3.案例的组成要素。案例制作的规范化是案例库建设和使用的前置条件。课程群案例库由多门课程教师共同使用，为便于案例库的制作、使用和维护，参与制作的教师须按照既定的模板及方法完成。因此每个案例应包括一些共同要素，主要有编号、名称、状态（使用/建设中）、难易度、适合课程、制作者、具体内容、更新时间等。针对不同的知识点类案例、部件类案例、系统类案例，主要内容有相应的增加，如部件类和系统类案例需增加应用背景介绍。

4.案例库的更新与迭代。随着机载机电系统行业的不断发展和更新，工程项目解决的问题和方向也会有所变化，制作者可在现有案例库的基础上及时做出调整，对案例进行更新维护。

当采用案例库教学的课程结束后，可通过调研或调查问卷的方式获得任课教师及学生对于案例内容、形式、使用过程的评价，制作者有针对性地对案例进行修改、完善甚至剔除。案例的质量需要教师与学生共同反馈，其评估也可贯穿授课的全过程，工程案例库管理页面如图2所示。

三、基于课程群案例库的教学设计和实践

基于案例库的案例式教学法是理论与实践相结合的互动式教学，以实现由知识中心型教育向能力中心型教育的转变，也是建立一流课程的有力工具。工程案例库除了可以直接构建知识点讲解内容，还可基于其中的系统案例进行贯穿教学过程的教学设计，旨在让学生实现“系统—部件—系统”的学习过程。由于系统概念的主线贯穿始终，学生带着问题进行课堂学习，预期能获得更好的学习效果。

本研究选取了“空调用制冷技术”课程开展基于工程案例库的案例式教学设计和实践，教学设计模式如图3所示。以往教学实践中面临的三个主要问题为学生的“系统”概念建立困难、学生的学习能力存在差异性、专业课程实践教学环节与行业现状一定程度脱节，教学实践中设计了相对综合的系统案例教学，开展了探寻解决以上问题的有益尝试。

教学中对案例库的使用主要采取渐进式的方法，即课堂初期对宽泛知识的思考引导，充分发挥学生的发散思维；课堂上根据课程进度布置案例，对学生进行分组，引导学生自主协作查阅文献，并从实际案例出发给出可行的系统方案；课内课程结束后的课程设计阶段，学生可进一步完成系统方案的实现设计。具体教学过程如下。

（一）课前阶段

根据授课知识点在课堂上提前将相关系统案例通过超星平台发布给学生，包括新型制冷技术调研和系统案例设计任务，如图3所示。系统案例设计任务包含了飞机、地面和民用三类应用场景，三个案例的核心专业知识均为蒸气压缩式制冷循环，但由于应用场景的不同，相关设计条件、部件工况以及系统架构又各有特点。学生以组为单位，通过查阅资料、预习、讨论等相关活动完成课前准备，包括提出问题、解决问题的思路等。