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摘要：为了满足在综合性大学开设航空航天专业培养具有工程经验的创新型人才任务，对上海交通大学航空航天学院航空宇航推进本科专业核心课程体系进行了教学改革探索。在“三位一体”教学理念指导下，提出了航空宇航推进专业本科课程改革思路，改革了教学体系，并经过优质教材编制、课程实验、课程实训、项目设计大作业、课堂专题讲座和课堂教学组织共六个环节的教学改革，贯穿于推进专业课程的全部教学实践过程，促使学生进行主动性学习，锻炼了学生的思维力、生成力和表达力，人才能力培养的效果显著，航空宇航推进本科专业课程的教学改革与实践取得了良好的成绩。

关键词：航空宇航推进；人才能力培养；教学改革；工程教育

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）46-0113-04

航空航天产业是国家的战略性产业，体现了一个国家科技、工业、经济等的发展水平与综合实力，对科学技术进步和国民经济发展具有重大的意义。目前国家正在施行的航空发动机和燃气轮机“两机”科技重大专项，对“航空宇航推进理论与工程”学科的高水平人才培养提出了迫切要求。我国专门的航空院校少，目前已经无法满足大量的高水平航空航天人才培养任务，综合性大学开设航空航天专业并加强人才培养势在必行。我国高等工程教育历史上承袭了前苏联的高等教育模式，注重专业教育而忽视个性、多学科交叉和创造力的培养，已不能适应全球人才竞争，与当前构建创新型国家的人才知识结构需求也有较大差距[1]。我国部署航空院校“航空宇航推进理论与工程”学科的培养方案中专业分工细、课程多，综合性大学与之不同，比如上海交通大学，其对于通识课程设置较多，而对专业课则要求相对少而精，这样综合性大学在开设“航空宇航推进理论与工程”学科的专业课程时，就没有现成的经验可供借鉴，必须进行教学改革的探索。

一、教学理念与教学改革思路

教学改革的探索建立在先进的教学理念之上。首先来理解一下关于教育的定义。联合国教科文组织制订的1997年版《国际教育标准分类法》（ISCED）[2]中指出：教育是导致学习的、有组织的和持续的交流。由此定义可以看出，现代教育已经不再局限于过去单一的传授知识，而是要通过灵活多样的教学方式，解放人的潜在能力，挖掘人的创造能力，促进人的全面发展。在对传统教学方法改革的过程中，涌现出了各种各样的新教学方法[3]。上海交通大学在建设世界一流大学的进程中，在基础、工程学科的拔尖人才培养上都进行了积极的探索，形成了“知识探究为基础、能力建设为核心、人格养成为根本”的“三位一体”教学理念[4-5]。本文将在此教学理念的指导下，对航空航天专业必修课和专业核心课程“推进原理”进行教学改革，致力于学生学习能力包括思维力、生成力和表达力的培养，争取达到教育即解放、教师即开发、学生即创造、教室即成长的效果。通过对同样是综合性大学的欧美一流大学航空航天工程专业的深入调研，确定了上海交通大学航空航天学院航空宇航推进专业的课程体系，循序渐进地安排了五门专业核心课，包括“工程热力学（D类）”、“空气动力学Ⅰ”、“空气动力学Ⅱ”、“传热学”和“推进原理”，最后进行“专业课程设计”。“推进原理”作为课程链中最重要的一环，是一门难度大、综合性高的课程，也是一门需要理论知识与工程实践相结合的课程，对于教改最为迫切，为此本文将以“推进原理”的教改为例来论述。“推进原理”要求学生掌握航空燃气轮机与火箭发动机的基本原理、结构及其基本设计能力，并在此基础上，了解近期已采用和今后即将采用的航空燃气轮机及火箭发动机的设计新技术与发展趋势。可以看出，在有限学时的情况下要达到如此高标准的教学目标，必须在“三位一体”教学理念的指导下，把推进原理的知识探究作为基础，分析解决科研问题的能力建设作为核心，这个过程中的严谨求实和探究的人格养成作为根本。为此，教学改革内容上在分析解决科研问题的能力和严谨求实和探究的人格养成方面需做一些侧重。强化学科前沿和突出工程实践两条主线，重新设计“推进原理”课程培养体系，合理优化设置课程内容，编制优质教材，大力加强项目设计环节，设计的项目要紧贴工程背景和时代背景，这样才能培养出具有知识结构合理、实战能力强、视野开阔并具有“领军人才潜质”的航空航天专业高端人才，满足国家对航空航天专业领域创新人才的需求。

二、教学体系改革

根据“推进原理”课程改革的思路，设计了理论教学与实践教学相结合的“推进原理”教学体系，见图1。按照课程的核心内容以及能力建设规律，教学体系采用模块化设置，分为了三个层面，分别为：基础层、提高层和创新层。基础层包含课程的核心内容，分为九个模块，分别为气动热力学基础、基本工作原理、叶片机原理、燃烧室原理、气动热力计算、总体与部件结构、共同工作与控制规律、发动机特性、新技术与新进展，着眼于基本知识的掌握。提高层包含三个实践项目，分别为平面叶栅流场测试实验、微型发动机性能测试实验以及发动机分解实训，实施专业特色培养，是对学生进行工程能力培养的主体。创新层包含两个模块，分别为项目设计大作业与课堂专题讲座，着重培养学生综合实战能力与创新能力。

三、教学实践

“推进原理”课程工程性强，学生的“做中学”必须放在非常重要的地位。根据“推进原理”的教学体系设计，开展了如下的教学实践环节。

1.优质教材编制。一本优质教材对于课程的重要性不言而喻。“推进原理”围绕航空发动机和火箭发动机两条主线，课程内容多。为了保证课程的基础层扎实、深入，就必须精炼教材内容，找出推进通用的原理和方法，有所侧重，以点带面组织好，在内容广泛的基础上要具有一定的深度。国内缺乏符合此要求的教材，缺乏系统设计内容方面的模块。为此借鉴了大量国际一流大学的原版教材，包括美国麻省理工大学教材《Aircraft Engine and Gas Turbine》，美国堪萨斯大学等多所大学航空機械专业所采用的教材《Aircraft Propulsion》，AIAA教育系列教材《Elements of Propulsion：Gas Turbines and Rockets》、《Aircraft Engine Design》，Rolls-Royce公司出版的《The Jet Engine》，剑桥大学教材《Compressor Aerodynamics》，以及原版名著中译本教材《火箭发动机基础》。在对这些教材深入研究的基础上，形成了教材的框架内容，并提炼出了发动机总体性能方案设计、部件设计和结构设计三个模块的内容。在六年多讲义教学实践的基础上，编制出版了554千字图文并茂的本科生教材《推进原理与设计》。编写特色主要有三项，一是针对非航空航天院校的重点综合性大学中航空航天工程本科专业而编写，强化基础，拓宽知识面，并确定了重点内容为航空发动机压气机部件原理（着眼于航空发动机是靠旋转叶片做功的特点），航空发动机部件共同工作、控制规律以及特性（这是航空发动机原理的重点和难点），在内容上突出重点。二是突出设计特点，注重航空发动机设计方法的讲解和实例演练；在掌握推进原理基本知识的基础上，增加了发动机总体性能方案，总体和部件结构设计分析，以及压气机、涡轮、燃烧室三大部件的设计内容，既有设计要求和设计流程方面的介绍，又有原理和设计相结合的实例演练，不仅加深了对发动机原理的理解，而且了解了航空发动机的设计工作，更增强了分析解决科研问题的实战能力。三是民机特色，在国家大飞机立项之际，我国的航空行业迎来了前所未有的发展机遇和挑战，为此书中侧重于大涵道比涡轮风扇发动机（主要应用于大型客机），并着重讲解了其总体性能、结构和部件设计等多方面的内容[6]。

2.课程实验。课程实验是课程中的实验教学，着力培养学生的观察能力、思维能力、操作能力和理论联系实际的能力。“推进原理”课程包含两个实验，分别是平面叶栅流场测试实验和微型发动机性能测试实验，下面分别介绍。（1）平面叶栅流场测试实验。平面叶栅流场测试实验内容要求对给定的实验平面叶栅速度场云图和矢量图进行分析，描述实验平面叶栅的流场结构特征；分析攻角变化对平面叶栅气动性能的影响，给出其规律。实验过程中要熟悉平面叶栅实验设备、先进PIV测试系统和实验方法，了解平面叶栅实验在压气机气动设计中的作用和地位，提高亲自动手和组织试验程序的能力，培养认真书写实验报告的科学作风。（2）微型发动机性能测试实验。性能测试实验用的微型发动机是从英国Armfield公司购进的ArmfieldCM14燃气涡轮发动机，该设备是专为高校学生全面了解燃气涡轮发动机而设计的，自包含小尺寸燃气涡轮发动机演示系统，其设计的目的是展示航空燃气涡轮发动机的原理和特点。在发动机的每级中配备有温度和压力传感器，可对通过一个喷嘴产生推力的燃气涡轮发动机进行完整的理论分析。该设备主要由两大模块集成，分别是发动机模块组装和电子控制台，再加上一个单独的油箱。学生通过这个完整的发动机性能测试实验，可以得到多方面的训练，包括发动机的开机、关机以及数据记录，推力估计，绘制焓熵图，计算发动机的效率，从而达到全面掌握发动机工作原理和性能计算的目的。

3.课程实训。“推进原理”课程实训是进行航空发动机的分解实训，这是以“做中学”的方式对学生进行专题技能训练，意在培养学生的动手动脑能力，以及独立分析问题并解决问题的能力。进行分解实训的航空发动机选用CFM国际公司生产的CFM56发动机，在上海交大航空发动机研究院技术有限公司的实训基地进行。CFM56发动机是目前世界上生产最多的航空发动机，结构成熟，性能优良。CFM56发动机由单级风扇加三级增压压气机（或称低压压气机）、九级高压压气机、短环形燃烧室、单级高压涡轮与四级低压涡轮组成，总体结构紧凑，采用单元体设计，共分为十七个大的单元体。学生按照实训大纲的要求，分成独立的小组，分别完成不同的分解实训任务，最终提交实训心得和结构分析报告。

4.项目设计大作业。项目设计大作业属于创新层的教学任务，同样是采用以项目牵动的“做中学”教学模式，通过团队合作以实现阶段教学目标。“推进原理”课程实验包含三个项目设计大作业，分别叙述如下。（1）发动机总体性能方案设计，采用自编软件，进行变比热计算，选取对大型客机涡扇发动机性能影响较大的几个主要循环参数——涵道比、风扇外涵增压比、总增压比、涡轮前总温，设计出多种参数方案，计算设计点性能参数。在此基础上，确定较佳的热力循环参数组合，即耗油率较低、推力较大的一组或两组热力循环参数；画出热力循环参数组合图形，分析不同比热计算模型的各自精度；分析涵道比、风扇外涵增压比、总增压比、涡轮前总温对耗油率、推力的影响。最终采用三维绘图软件，完成发动机流路剖面图设计。（2）发动机总体和部件结构设计分析，对学生分组，每组各选择一种典型型号的发动机，给出该型号发动机的总体结构方案和部件结构设计分析，完成报告，并画出总体结构方案图。（3）压气机气动设计，给定设计点参数，要求设计一台轴流压气机，给出设计报告。报告内容包括：计算过程、程序、数据，以及叶片和流道的三维实体图，并回答方案筛选过程中的一些问题。这三个大作业都需要学会文献检索，自行查阅国内外数据库，学会进行方案筛选和设计，有利于创新能力的培养。

5.课堂专题讲座。在进行发动机新技术与新进展教学模块时，安排一次课堂专题讲座。针对已经完成的发动机原理教学任务，让每个学生选取各自感兴趣的知识点，查阅近五年的文献，其中至少包含一篇英文文献，在课堂每人进行ppt汇报，锻炼学习文献和演讲报告、努力发现与思考问题的能力。

6.课堂教学组织。上述教学实践建立在良好的课堂教学基础上。课堂教学组织，首先要设计好引导的问题、知识的衔接和板书内容等；在有限的课时里，把涉及内容繁多的“推进原理”课程通过模块化、系统化、深入化的教案组织，精炼教学内容；并且所有讲课模块中关于其科技前沿的新技术和发展趋势都融入其中；扫清学生们在学习“推进原理”时关于相关基础课程遗忘和模糊不清的一些障碍，这样让学生无障碍地开始“推进原理”的学习；采取多种教学方式相结合：以理论、原理讲授为主，采用互动式教学，要求学生课前必须预习，每节课首先随机提问预习情况，然后以问题为先导，通过课堂讨论、“专题式”教学等方式来讲授知识；对于兴趣浓厚、学有余力的学生增加课外自学阅读要求；采用理论实践相结合的方式进行，在授课中增加叶片等零件的实物教学，课后安排多个视频演示观看等，以此来增进学生的感性认识。关于人格养成方面，课堂教学时侧重了一些典型的分析解决科研问题的实例，以探究严谨求实的人格养成。

上述六个环节贯穿于整个“推进原理”课程的教学实践过程，促使学生进行主动性学习，锻炼学生的思维力、生成力和表达力，以达到融会贯通的学习效果。

四、结论

以“推进原理”课程为代表的航空宇航推进专业教学改革应用于上海交通大学航空航天学院本科生的培养。课程负责人具备了专业课程较深厚的理论系统知识和一定的工程实践经验，具有积极的教学热情和投入，经过了6年多的课程教学改革与实践，创新了教学方法，并加强师生交流、讨论与互动，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生自主学习的能力，在课程的教学理念、教学体系、教学方法、教学团队和教材建设等方面都有所探索和创新，提高了教学水平和教育质量，实现了航空航天专业人才培养目标，产生了明显的教育教学效果，学生评教优秀，主讲教师多次荣获上海交通大学优秀教师奖。航空宇航推进专业教学改革与实践在上海交通大學的本科生教学中起到了模范示范作用。2012年，“推进原理”平面叶栅流场测试实验获得了上海交通大学本科生特色实验奖。2013年，“推进原理”获得了上海交通大学985“优质中文课程”奖。“空气动力学Ⅱ”获上海高校示范性全英文教学课程称号。2015年，“推进原理”获得了上海市教委本科重点课程建设项目立项。2015年出版的教材《推进原理与设计》，入选“十二五”国家重点图书规划项目，并列入2015年度“上海高校服务国家重大战略出版工程”项目，该教材已经经历了一轮完整的课堂教学任务，效果良好。2016年，航空宇航推进系列课程教学改革与实践获得了上海交通大学教学成果奖二等奖。

参考文献：

[1]丁水汀，李秋实.深化综合改革促拔尖人才培养[J].中国高等教育，2013，（19）：22-25.

[2]联合国教育、科学及文化组织.国际教育标准分类（ISCED）[S].1997，（11）.

[3]PRINCE M.Does Active Learning Work？ A Review of the Research[J].Journal of Engineering Education，2004，93（3）：229.

[4]汪小帆，沈悦青.“三位一体”培养基础学科拔尖创新人才[J].中国高等教育，2014，（21）：23-25.

[5]郑益慧.三位一体构建工程拔尖人才培养新模式[J].中国高等教育，2011，（12）：38-40.

[6]滕金芳，羌晓青，马威.推进原理与设计[M].上海交通大学出版社，2015.