《空气动力学》探究式课堂教学的应用探索论文

图 1 创新能力培养全程模式构建
 

        如图 1 所示，空气动力学课程首先根据我国建设航天强国的战略需求和国际航空航天领域发展趋势， 结合新工科建设的新要求和交叉特性，研究航空航天领域创新能力培养的特点，基于探究式教学模式进行面向创新能力培养所需要的授课内容和教学设计，开展探究式创新课堂，然后通过多方面的教学动态评价， 持续改进教学效果，最后借助科研项目、大学生创新创业项目和竞赛等途径构建全程创新能力培养模式。

三 教学设计新模式

     《空气动力学》课程设计时，首先，从培养创新能力的目标出发，确定达到培养目标所需的教学内容 和教学方式，重视理论联系实际（哥廷根应用力学学派思想）[8,9]，引导学生善于从流体的自然现象和 科研成果展示过程中进行思考获取灵感，激发学生兴趣 , 根据学生的认知规律，对学生提出一些问题进行思考和质疑（问题意识），以“思考”来引导学生 进入深层次理解，鼓励学生不仅要“知其然”，还要 “知其所以然”，更要知道“怎么知其所以然”；同时创设出一种探讨的氛围，尝试从一个问题点的研究不 断拓展并发现新问题（创新意识）和提出新的问题与新的可能性（创新思维），充分调动学生自主深层次学习、探究性学习，从而让学生获取一种解决问题的兴趣和能力；其次，从数学和物理角度严谨学习知识，一步步掌握本学科解决复杂问题的基本思路和创新思维，最后，基于新的发现去尝试、去实践， 并发展成创新能力，实现新的发明（创新技能）。如笔者在《空气动力学》第一堂课就以课题组的研究生 和本科生利用空气动力学课堂知识实现的最新发明 “一种可垂直起降的火星车”为例，鼓励同学们在空气动力学学习中注重知识与创新能力的有机融合。

        另外，在课程每章的具体内容设计中，适时引入本学科领域的最新理论进展，联系本学科领域的重大工程型号任务，采用问题引导、案例研讨和课外阅读等方式，实现课程的互动，体现课程的创新性； 在课外适当加大作业的难度和综合性，增加研讨性问题的设置和课外阅读自主学习的要求，让学生投入更多的时间进行课程的学习；通过智能手机平台， 为学生提供了大量的扩展阅读资料和最新的科研文献，既有扩展知识面的科普资料，也有具有深度和广度的最新科研论文，满足不同层次学生的需求。

四 探究式课堂新模式

      教学过程中完全落实以学生为中心，主要举措为： 第一，在第一堂课就清楚告诉学生本门课程的重要性和意义、学习方法，让学生知道为什么学？怎么学？ 学了以后怎么用？并且以课题组的研究生和本科生利用空气动力学知识的新发明和新设计为例，鼓励同学们在学习中注重知识能力与创新的有机融合；第二， 记住每个学生的名字，利用各种机会与全体学生，也特别与善于思考的学生，喜爱空气动力学的学生、经常坐后排的学生以及留学生面对面交流或者网络交流上课的方式以及授课内容是否真正理解，学生可以随时交流，甚至在课堂上随时质疑授课内容，并进行各种形式的讨论直至大家真正理解授课内容；第三，在每堂课上注重引导学生善于思考、大胆质疑、积极讨论、在讨论时翻转课堂“随时”进行，学生们可以“随时”发表自己的思考和见解，课堂气氛活跃。

       笔者在《空气动力学》中讲授“边界层分离”知识点时，课堂上先导入“实际翼型边界层分离”的动画让学生感受什么是边界层分离，针对这一复杂问题怎么研究，再导入“吃的汉堡”放在空气亦会发生类似现象，说明边界层分离不仅仅发生在飞行器上，而是一种常见的流动现象，然后引出在科学研究中可以提炼出更一般的模型那就是“圆形”，接下来，以“圆形”为例，详细介绍什么边界层分离过程，然后从数学和物理层面进行更精确的定义和特点介绍，在此基础上提出关联思考，引导学生深层次思考边界层分离的条件、后果，是否可以利用？最后，再回到应用实例， 请学生解释原因，并进行利用边界层分离的创新设计。
 

                       
       同时注意针对不同的教学内容，设计相适应的教学组织形式、手段以及方法，如可以通过多媒体展示虚拟实验、数值模拟以及实验录像等形象化教学将抽象复杂的流动现象展示出来，以便于学生更深刻透彻理解理论知识。还如通过工程案例演示及分析，学生分组微课及研讨，课外自学等形式，实践环节包括计算机数值仿真实验，以及遴选部分同学从课堂内容中创新设计申报大学生创新创业项目。在课堂上亦注重引入著名英文教材的内容作为授课内容，学生们不仅锻炼了专业英文阅读能力，还拓宽了学生们对于同一知识点的不同理解角度和方式，课后还有多名对空气动力学富有极大兴趣的同学们针对课堂内容学习最新科研论文，在申请人课题组的组会上讲给组会的高年级学生，并进行广泛讨论与创新交流。

        另外，在教学过程中，还将通过差异化的教学， 探索不同学生的思维模式和他们各自解决问题的思维习惯，努力寻找教育对象与教育内容之间最佳的结合点，充分发挥每一位学生的最大潜能。

五 实践环节的教学改革

        每堂课重视理论联系实际，课程的知识点讲解过程中前后均引入本学科领域的最新理论进展或者典型应用，注重学生思考所学知识点在实际中的体现与应用，既可使得学生深层次理解基础知识，还可进行创新设计，使得学生具有应用空气动力学的理论和方法解决一些工程实际问题和培养学生创新的能力。如在讲解空气动力学基本方程动量方程时， 随即引入动量方程的应用，将动量方程的推导过程移植到实际二维翼型的气动参数求解；再如讲解伯努利方程时，随即引入利用其进行低速风洞的设计与飞行器的速度测量等应用中。

       实践课堂上，注重学生建立应用解决问题的基本思路，培养动手解决问题的能力，并注重科学研究方法的融入，如《空气动力学》实践课中两人一组， 五组为一单位，开展不同来流条件与不同外形下的空气动力学分析课题，引导同学们进行科学研究思维，探究不可压缩流体中不同来流条件下钝头体与流线型物体、可压缩流体中不同高度下不同马赫数下飞行器的气动特性表现，最终大家汇总对比理解其中的影响规律。

       除了实践课以外，课后招募对于空气动力学感兴趣的学生进入课题组，开展科学之旅探索空气动力学的奥秘，培养创新意识，将知识转为能力，再将能力转化为创新。申请人课题组的每周组会都会邀请同学们前来学习交流，时常特邀校外专家和优秀学长来组会介绍最新前沿的科研成果，积极推动学生结合科学前沿与空气动力学申报大学生创新创业项目，开阔学生们的思维，激发学生的学习兴趣， 实现了课前、课中、课后的有机融合，有效地引导学生自主学习和研究性学习。

       总之，通过从课堂教学到实践训练，从课内到课外，将理论和实践相结合，这整个过程完成了探究式教学创新能力的新全程模式。如航空航天专业学生从《空气动力学》课程内容中“马格努斯效应” 理论出发，申报大学生创新创业项目，并参与了各类国家级飞行器创新大赛。

六 课堂教学评价新模式

       教学效果实施动态评价。在每一堂课后，可以对学生进行小测试或者通过手机 APP 工具进行反馈调查，还可利用各种机会与全体学生，特别与善于思考的学生，经常坐后排的学生面对面交流上课的探究方式以及授课内容是否真正理解，及时了解学生重点内容的掌握程度，了解课堂中所发起的探讨问题是否合理，是否需要更改，收集学生对于课程的意见和建议，还要注重学习来自各级督导专家的听课反馈与意见，针对课程设计与课堂实施过程中存在的问题进行反思，总结出自身的教学缺陷并调整教学策略，持续改进教学模式，以获得更好的教学效果，并更好地提升创新能力的培养。

       通过动态教学评价和改进，学生们在每堂课后都有“惊喜”和“收获”，“惊喜”就是学生们在课堂上的思考讨论和质疑提问带给了知识点的多维度和多角度理解，这种“惊喜”应该记录在教案中变为“收获”，这种“收获”可以大大提升教师对于知识点的讲授纬度和教学效果，更有利于后来的学生更容易深刻地学习抽象化理论知识。

七 结 论

       通过探究式课堂开展空气动力学教学，聚焦新工科背景下培养学生解决未来航空航天领域复杂工程问题能力这一关键目标，从教学设计、课堂引导、课堂评价等多方面进行实践开展，并通过动态评价不断总结和改进教学方法和教学内容，在课程每章的具体内容设计中，注重引入本学科领域的最新前沿理论进展或者典型应用，进行问题引导、案例研讨和课外阅读等方式，实现课程的充分互动，在思考环节设置一定难度和综合性，突出创新实践教学的构建，让学生投入更多的时间进行课程的学习， 达到培养学生的探究技能和创新能力的目标。

参考文献

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