基于探究体验模式的航空航天大类核心基础课程教学创新与实践

摘  要：该文针对西北工业大学航空航天大类的核心课程空气动力学基础（双语），首先进行学生学情和教学痛点的深度剖析。进一步地，为了解决痛点问题，教学团队以“科学探究与体验式学习环境创设”为创新理念，以生成式的案例库建设、理实融合式的“虚实结合”实验模式、探索式的操作架构搭建为主要创新途径，旨在培养学生的抽象思维能力、解决实际问题的能力及创新思维能力。最后，通过生对师的“3-2-1小纸条”反馈及师对生的多元化考核，实现课堂的快速优化与迭代。总体地，教学创新成效显著，所采取的创新方法和途径也在一定范围内得到辐射和推广。

关键词：空气动力学；教学改革；创新实践；探究式；体验式

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）07-0010-05

Abstract： The present study focuses on the core course Fundamentals of Aerodynamics of Northwestern Polytechnical University's aerospace category. First， it conducts an in-depth analysis of students' academic situation and teaching pain points. Further， in order to solve the pain points， the teaching team takes "scientific inquiry and creation of experiential learning environment" as the innovative concept， with the construction of generative case library， the experimental mode of "combining virtual and real" with the integration of theory and reality， and the construction of exploratory operation structure as the basis. The main innovative approach is to cultivate students' abstract thinking ability， ability to solve practical problems and innovative thinking ability. Finally， through the "3-2-1 small note" feedback from students to teachers and the diversified assessment of teachers to students， the rapid optimization and iteration of the classroom is realized. Overall， the teaching innovation has achieved remarkable results， and the innovative methods and approaches adopted have also been radiated and promoted within a certain range.

Keywords： Aerodynamics; teaching reform; innovative practice; inquiry; experiential

“型号研制，气动先行”，空气动力学被誉为飞行器设计的先行官，是飞行器总体设计、结构、动力、气动布局和弹道等的先修课程，对于毕业要求具有很强的支撑性。课程要求学生掌握空气动力学的基本概念，理想流、不可压流的理论体系及翼型、机翼的分析方法。进一步培养学生的抽象思维能力、知识应用能力及创新思维能力。同时，培养学生的航空航天专业素养、科学探索精神及空天报国情怀，专门为培养我国航空航天领域高素质拔尖人才服务。

作为航空航天技术重要的基础性课程，空气动力学在国内外航空航天类院校或专业都作为核心类课程进行设置。国外高校以麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）为典型代表[1-2]，其航空宇航工程专业的学生在学习空气动力学课程的过程中，特别要求参加以小组形式完成的课程实践项目，内容是针对波音公司发展的关于翼身融合体飞行器的设计及气动分析项目。相较之下，国内高校如北京航空航大大学[3-4]、南京航空航天大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学[5]等相关院校，由于受传统历史的接受式教育模式影响较深，课程体系及教学模式比较接近。以西北工业大学（简称“西工大”）的空气动力学课程教学为例，该课程的研究对象“飞行器”赋予了其固有的国防特色，也让它成为了一把“双刃剑”。一方面，是其服务于飞行器设计的国防背景本能散发出的极强吸引力使得学生非常感兴趣；另一方面，则是其国防背景下潜在的“不近人情”：空气动力学（简称“空动”），却曾经一度被学生调侃为“空洞”。主要原因包括以下几个方面。

“看不见，摸不着”：“空气看不见、飞行器摸不着”的特点，使得流动现象、力学机理抽象难懂，学生现有的抽象思维能力和数学建模能力难以适应。

“学得懂，不会用”：课程以二维翼型、三维平面机翼模型为主要对象，以无黏不可压缩流动为主要内容，薄翼理论、普朗特升力线理论等经典理论为主要方法，然而，实际飞行器结构、气动特性及流动现象比典型模型、经典理论复杂得多，所学理论与实践结合不够，导致学生解决工程实际问题的能力弱。

“从已知，到未知”：目前课程教学内容以教材内容为主，偏重于基础理论、物理概念、基本方程及经典解析方法等。学科前沿、创新实践、开放性设计等内容严重缺失，学生在掌握基本内容的基础上，缺乏对未知前沿的思考和探索。

综上所述，国外高校将探究式学习贯穿于整个空气动力学课程教学环节中，同样也贯穿于相应的课程实践环节中，通过对较为前沿的翼身融合体飞行器进行简单的工程计算、较为复杂的计算流体力学（CFD）分析、模型实验分析、飞行性能分析等来达到对飞行器气动设计研究方法的系统性掌握。相比之下，国内空气动力学课程的教学仍侧重于传统的接受式学习模式，课程实践教学的设置[6-7]也仅仅是对课堂教学基本知识点的进一步理解及深化，并不强调对整体系统知识的掌握。缺乏对学生系统性思维、创新性思维能力以及解决工程实际问题能力的培养[8]。以上的点状差异本质上是两者教学模式不同的一个折射，涉及整体教学理念、教学内容、教学组织及考核体系等问题。

因此，在目前“新工科”背景下，如何实现以学生发展为中心，如何使得空气动力学不再“空洞”，使得学生清楚地知道学有所用且如何用，如何培养学生的抽象思维能力是关键问题之一，如何培养学生运用所学分析、解决实际飞行器设计问题的能力是关键问题之二，如何激发学生的探索发现能力及创新思维能力是关键问题之三。

论文分别从课程教学创新的主要途径、考核与评价体系的改革模式、课程创新取得的成效与推广情况进行阐述，为我国航空航天相关院校的专业课程改革提供可参考的实践案例。

一  课程教学创新途径

基于“科学探究与体验式学习环境创设”的创新理念，针对三个痛点问题，以“生成式的案例库建设、理实融合式的‘虚实结合’实验模式、探索式的操作架构搭建（发现—分析—解决问题）”为主要创新途径（图1），通过多种手段，实现了抽象思维能力、解决问题能力及创新思维能力的培养目标。

首先，解决“看不见，摸不着，抽象思维能力不足”的痛点问题：重构内容，生活具象，提高学习体验感。开展了开放式的案例库建设（图2），包括生活元素案例库、优质动画案例库、虚拟仿真案例库、课程思政案例库。通过挖掘生活元素，建设丰富的生活素材案例库，将专业知识具象到生活场景中，打造有趣的、亲切的、有温度的空气动力学课堂。以绕圆柱的无升力流动为例，将生活中的牛奶、书桌上的墨汁引入课堂教学，通过设置分组实验，每个小组从实验目标、材料选取、方案设计、实验实施均在课堂上实时协作完成。通过固定变量法，不同小组验证不同物理参数的影响规律，并进行结果记录和分析总结。最后，师生共同基于实验结论推导雷诺数的数学表达式。整个教学过程，将抽象的专业知识、物理机理生活化、具象化、可操作化，并通过知识的逐步推进和能力升阶，实现知识和能力的内化。

图2  开放式案例库建设

生活案例库目前有32个典型案例，比如，在学习翼型及机翼下洗时，引入了“运动员的帽子及大雁的人字形飞行”；讲到圆柱绕流时，引入了“海岛云团及弧线球”。通过生活案例，实现了空气动力学流动现象的具象化表征。优质动画库目前有21个典型案例，比如翼型的失速现象，翼尖涡效应，层流、湍流现象究竟是什么，一张动图胜过教师千言万语的解释和大篇幅文字的描述。另外，我们开发了虚拟仿真实验平台，目前，已内嵌了四个虚拟实验案例，包括风洞的组装，翼型测压与气动力计算，翼型表面流谱观测及流场粒子测速。通过线上风洞丰富和优化了实验教学。在课程教学全过程中，从三个维度融入了课程思政[9]。第一，以知识体系为轴，融入哲学辩证思想，培育学生的科学辩证思维。第二，讲述我国以冯如和钱学森为代表的航空航天人的科研故事，树立空天报国情怀，激励学生成为这样的人。第三，讲述与学科相关的民生安全问题，培养行业责任感，激发学习动力。

其次，解决“学得懂，不会用，解决复杂问题能力弱”的痛点问题：虚实结合，真实体验，促进理论实践融合。采用了虚拟仿真平台及风洞实验的“线上+线下”“虚+实”的混合实验教学模式，旨在培养学生将理论知识用于生产实践的综合能力和创新实验能力。教学团队建设了小型的教学风洞，让学生真切摸到风洞设备、飞机模型，以及亲眼观察模型在风洞中的吹风过程。但是，线下风洞教学实验多以演示、验证为主，缺乏学生参与度和有效提高其实践能力的途径。为了加强学生在相关实验教学环节的参与度与自主设计性，教学团队运用现代化信息技术开发了虚拟仿真实验平台，并建设了虚拟实验案例库，包括风洞部件的虚拟组装、翼型表面压力测量、翼型表面流谱观测等。学生选取实验参数，运行风洞，下载实验数据，最终完成相应的实验报告。

最后，解决“从已知，到未知，创新思维能力不足”的痛点问题：探索发现，层层递进，培养学生创新思维能力。充分运用“探索实验、仿真软件、创新实践、科研训练”四重操作架构，鼓励学生发现科学问题，探寻科学原理。遵循知识的认知结构：观察流动现象→分析力学行为→探寻基本原理→理论用于实践[10]，通过开展课堂实验观察物理现象和探索力学原理、借助数值仿真软件制作动画或视频深刻理解流动机理、通过完成课后实践作业掌握将基础理论付诸实践的全过程（图3）。以翼型低速气动特性为例，通过开展课堂翼型失速过程演示实验、课中分组设计虚拟仿真实验方案进行升力系数曲线的参数影响分析、课后进行创新实践，如探空火箭全动尾舵翼型设计、超音速靶机翼型选取分析等（图4）。使得教师与学生一起从现象着手发现问题、从力学机理出发分析问题，到理论应用解决问题，实现师生共同将碎片化知识整合应用的过程。

二  考核与评价体系

首先，生对师的评价采用“3-2-1小纸条”。具体地，在每堂课结尾，教师通过雨课堂发布投稿任务，学生通过手机投稿个人的小纸条，具体内容总结为3-2-1（图5），即3个印象深刻的知识点、2个喜欢的方面、1个问题或建议。教师通过学生实时反馈的个性化信息，梳理每一位学生当堂课对主要知识点的掌握情况、对教师教学创新的喜好程度，以及学生还存在哪些知识盲点及对老师的建议。根据学生反馈的信息，教师查漏补缺，取长补短，实时迭代优化课堂，真正实现以学生为中心。教师对所有信息进行了词云分析（图6），显然，学生对于知识点是集体认同的，对于课堂“卡门涡街实验及根据实验推导雷诺数”这样的教学设计是非常喜欢的。而每位同学的问题和建议是个性化的，正是教师以学生为中心进行教学优化的突破口。