以案例探究式教学法为中心的航空发动机控制课程教学改革

摘  要：航空发动机控制是飞行器动力工程专业的一门专业方向类必修课程，具有基础知识涉及面广，发动机气动热力过程理解难度大，控制系统复杂交联的特征。教学中存在学员对系统原理理解不透彻，系统原理在故障分析中应用难等问题。针对这些问题，瞄准学员未来岗位能力需求，结合思政育人和信息化教学新要求，探索实践符合学员和课程特色的案例探究式教学法。对信息化资源、案例库、教学模式及考核评价方式等内容进行改革实践。采用案例牵引、教员启发诱导、学员自主学习、合作讨论及理论知识自主建构的基本范式，形成在线预习准备—故障现象引入—问题探究引导—故障原因讨论—维护能力培塑的教学环节，以达到优化教学方式，提高课程教学成效的目的。

关键词：航空发动机控制；案例探究式；教学改革；信息化；教学法

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）27-0134-05

Abstract： Aircraft Engine Control is a required course for the major of aircraft power engineering. The course has characteristics of needing wide-ranging basic knowledge， has difficult knowledge points of engine aero-thermal process， and has complex cross-links between the control systems. In the teaching process， there are problems that students cannot fully understand the working principle of control system， and it is difficult to apply the system working principle in fault analysis. Aiming at these problems， a case inquiry teaching method that meets the characteristics of students and courses has been explored and practiced， with focusing on the demand of student job ability in the future， and also combining with the new requirements of ideological and political education and information-based teaching. The reform and practice of information resources， case library， teaching mode and assessment and evaluation methods were carried out. A basic teaching paradigm of case traction， teacher inspiration and induction， student self-directed learning and cooperative discussion， and self-construction of theoretical knowledge， was constructed. In addition， teaching procedure of online preview preparation， fault phenomenon introduction， problem exploration guidance， fault cause discussion， maintenance ability training is formed， to achieve the purpose of optimizing teaching methods and improving the effectiveness of course teaching.

Keywords： Aircraft Engine Control; case study style; teaching reform; informatization; teaching method

为主动应对新一轮科技与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”“互联网+”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。伴随我国“航空发动机与燃气轮机”国家科技重大专项的持续实施，为了适应我国航空事业发展人才培养需求，以培养具有专业胜任能力和实践创新能力的综合型航空人才为目标，开展航空动力类课程教学模式改革的需求非常迫切。

一  航空发动机控制课程的重要性及在教学中存在的问题

（一）  航空发动机控制课程的重要性

航空发动机是飞机的“心脏”，被喻为制造业皇冠上的明珠，是衡量国家科技核心竞争力的重要标志。控制系统被称为航空发动机的大脑，能够保证发动机在各种状态下安全可靠地工作，同时发挥优良的性能。由于控制系统的故障，多次造成重大飞行事故，严重危及飞行安全。航空发动机控制课程以发动机的控制系统为教学对象，是航空发动机原理、航空发动机构造学、自动控制原理知识的综合运用。该课程是飞行器动力工程专业本科高年级学员的一门专业方向必修课程，教学效果不仅对于学员理解理论知识具有关键作用，还对学员适岗能力、实践创新能力的培养至关重要，在人才培养过程中占有十分重要的地位[1]。

（二）  航空发动机控制教学存在的问题

航空发动机控制课程教学内容主要包括航空发动机控制系统元件、控制规律、控制系统结构组成、工作原理及性能故障分析方法等，对于空军工程大学（以下简称“本校”）学员来说是一门面向未来工作岗位的专业方向课，其重要性不言而喻。在课程教学中有三方面问题需要克服：首先，课程内容综合了大量的专业基础课程知识，涉及航空发动机原理、航空发动机构造学、自动控制原理和气动热力学等诸多基础课程，学员在学习过程中容易出现前后知识衔接不畅的问题；其次，航空发动机是一种极其复杂的气动热力机械，气动热力过程非常复杂，学员对控制规律理解难度大；最后，发动机控制系统结构复杂，可视性差，系统交联多且不便于实物展示，存在学员对控制系统工作原理理解不透彻，控制系统原理在使用保障中应用难的问题。正是因为这些问题的存在，在教学过程中采用常规的启发式教学难以达到良好的教学效果。

同时，随着《高等学校课程思政建设指导纲要》《教育信息化2.0行动计划》的发布，加上我国航空装备技术的快速发展，对航空发动机控制课程教学也提出了诸多新要求。课程教学内容需要在液压机械控制系统的基础上前瞻全权限数字电子控制、无人动力控制及现代控制理论。课程教学过程中需要充分融入信息化资源和手段，探索线上线下混合式教学模式并开展课程思政[2]。

基于以上问题及要求，课程组探索了符合军校学员能力素质发展需求的案例探究式教学法，并以此为中心，对课程教学资源、教学模式及考核评价方法进行了改革。

二  案例探究式教学法的内涵

（一）  案例式教学法

以案例为教学载体的教学法在国内可以追溯到春秋战国时代，在国外可以探寻到古希腊罗马时代。而现在研究的案例式教学法主要是指由美国哈佛大学克里斯托弗·哥伦布·兰代尔提出的一种教学方法，于1870年前后最早应用于法学教育中[2]。当时是采取一种很独特的案例形式的教学，这些案例都是来自法学、商学、医学等真实情境或事件。透过此种方式，有助于培养学员主动参与课堂讨论的积极性，加深学员对课程知识的理解，并培养知识应用能力，实施之后颇具绩效。至今，美国哈佛商学院（Harvard Business School）有超过80%的课程以案例教学法为主[3]。

案例式教学法有一个基本的假设前提，即学员能够通过对这些过程的研究与发现实施案例教学过程图来进行学习，在必要的时候回忆出并应用这些知识与技能。案例教学法非常适合开发分析、综合及评估能力等高级智力技能。这些技能通常是管理者、医生和其他的专业人员所必需的案例，还可使受训者在个人对案例进行分析的基础上，提高承担具有不确定结果风险的能力。

（二）  探究式教学法

有人认为，探究式教学在本质上是一种模拟科学研究的过程，包括两个相互联系的方面，一是构建一个以学为中心的探究学习环境，二是给学员提供必要的帮助和指导，使学员在探究中能明确方向[4]。也有人认为，探究教学是指在教师的引导下，学员主动参与到发现问题、寻找答案的过程中，以培养学员探究兴趣和解决问题能力的一种教学活动。在理论基础方面，目前普遍认为探究教学的科学基础是科学史和科学哲学，心理学基础是皮亚杰的建构主义理论、布鲁纳的认知结构学习理论、奥苏贝尔的有意义学习理论和罗杰斯的人本主义理论等，教育学基础是终身教育理论和主体性教育理论[5]。探究式教学的实质就是按照提出科学结论和检验科学结论的结构方式去揭示科学结论，探究式教学的程序主要包括：发现问题—收集资料—处理与解释资料—问题解决。探究教学有利于科学概念的形成，有利于培养学员的探究能力，掌握科学的思维方法。

（三）  案例探究式教学法

案例探究式教学法，将案例建构与探究式教学有机结合，吸取案例式教学法和探究式教学法的各自优点，以学科典型案例为牵引，引导学员以科学探究的形式，通过解决案例中所出现的关键问题，达到理论知识体系建构，科学素养培塑的目标。国内学者探索了案例探究式教学法在不同类型课程中的应用情况，如严保康等[6]探索了案例探究式教学在故障诊断课程中的应用，郑康[7]将案例探究式教学融入毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论课程教学全过程。同时在工程材料等课程中也有探索实践[8-9]。

三  案例探究式教学在航空发动机控制课程中的实践

（一）  总体设计

课程组在多年课程实践教学过程中，探索实践了适用于本校航空发动机控制课程（以下简称“本课程”）教学的案例探究式教学法，如图1所示。它以案例为牵引，在教员的启发诱导之下，以学员的自主学习和合作讨论为基本范式，按照在线预习准备、故障现象引入、问题探究引导、故障原因讨论及维护能力培塑的环节展开教学，引导学员对案例背后的原理进行深入探究。既可培养学员对控制系统工作原理、性能及其故障的分析能力，掌握装备现状，又可加深学员对未来岗位的认识，掌握正确的装备故障分析方法，培养科学的排故能力。

（二）  数字化资源及案例库建设

本课程的案例探究式教学法是建立在线上教学资源、故障案例库、线上线下混合式教学模式基础之上的。为此，课程组于2019年建成了航空发动机控制学堂在线慕课，慕课内容分为入门篇、提高篇、精进篇和拓展篇4个篇章，以科普+专业提升的方式向学员展示。入门篇为航空发动机控制概述；提高篇分为控制系统元件和控制系统两大部分，按照从元件到结构再到整机系统的顺序构建典型发动机控制系统知识脉络；精进篇为高阶内容，涉及先进数字电子控制系统，主要面向高阶专业学员的需求；拓展篇为延伸内容，将最新的科研成果融入课程，以拓展学员的科技视野，了解航空发动机控制领域最前沿的发展动态。

丰富的数字化资源和案例库是开展信息化和案例探究式教学的基础。在数字化资源建设方面，针对学员自学能力培养需求，课程团队构建了“多元多级”的教学资源体系，以解决发动机控制系统结构复杂、控制过程抽象不可视等学习难点问题。“多元”是指多媒体展示的视频、图片和二/三维动画，AR源呈现的整机发动机和控制系统多角度AR影像，虚拟仿真实现的整机控制、各控制系统和先进控制技术仿真实验。“多级”是指元件的基础级资源、系统与整机的综合级资源、新技术虚拟仿真的创新级资源。建设的数字化资源和慕课视频为学员线上自学、理解控制系统工作原理提供了很好的支撑。