王曉璐　韓非非　劉戰(zhàn)合　趙輝（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院，河南鄭州450046）

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空氣動(dòng)力學(xué)課程中引導(dǎo)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置與實(shí)踐*

王曉璐韓非非劉戰(zhàn)合趙輝
（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院，河南鄭州450046）

摘要：空氣動(dòng)力學(xué)課程具有抽象性強(qiáng)的特點(diǎn)，合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和學(xué)時(shí)，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。對(duì)原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了改造升級(jí)，新項(xiàng)目具有較好的引導(dǎo)性，且航空背景更為突出。通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)單元的設(shè)置，提升了課程的趣味性，與理論教學(xué)相互映襯，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；引導(dǎo)式教學(xué)

一、“空氣動(dòng)力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課現(xiàn)況及特點(diǎn)

“空氣動(dòng)力學(xué)”是飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)的一門專業(yè)主干課程，主要介紹飛行器在空氣中的受力規(guī)律、理論方法和分析方法。目前共48個(gè)學(xué)時(shí)，其中理論課44學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課4學(xué)時(shí)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)有2個(gè)：二維圓柱繞流測(cè)壓實(shí)驗(yàn)（圖1）和平板粘性附面層測(cè)定實(shí)驗(yàn)（圖2），每個(gè)實(shí)驗(yàn)均為2個(gè)學(xué)時(shí)，且均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。即要求學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)手冊(cè)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，并將所得結(jié)果與理論值進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)在之前的教學(xué)中起到了很好的作用，但由于儀器老化，測(cè)量精度大幅下降，有的操作臺(tái)所得結(jié)果甚至與理論不符，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性帶來了不利影響；另外，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)仍屬于通識(shí)性質(zhì)，學(xué)生更希望能結(jié)合航空實(shí)際提供新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

二、引導(dǎo)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)建與實(shí)施

引導(dǎo)式教學(xué)［1］已在諸多工科課程中得到了應(yīng)用［2，3］，作者在理論教學(xué)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了初步的探索［4］，借鑒航空領(lǐng)域?qū)嵺`教學(xué)的研究成果［5，6］，本文將引導(dǎo)式教學(xué)的思想應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即構(gòu)建一個(gè)以航空為主要背景的實(shí)驗(yàn)單元組，設(shè)置不同層次的項(xiàng)目，學(xué)生可以根據(jù)自身情況選擇其中若干進(jìn)行實(shí)際操作，在掌握實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，首先完成教師給定任務(wù)，而后可自行提出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，嘗試進(jìn)行科研型項(xiàng)目研究。

實(shí)際操作中，結(jié)合學(xué)院實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)況，以實(shí)驗(yàn)單元的方式構(gòu)建了6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（部分設(shè)備如圖3所示），其中核心項(xiàng)目有3個(gè)：二維翼型煙風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)升力實(shí)驗(yàn)和流線型物體壓差阻力實(shí)驗(yàn)。

圖1　二維圓柱繞流測(cè)壓實(shí)驗(yàn)

圖2　平板粘性附面層測(cè)定實(shí)驗(yàn)

（1）基本流體概念和流態(tài)的顯示：二元翼型煙風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目主要用于展現(xiàn)低速流理論中的流線、旋渦、層流、湍流和流動(dòng)分離現(xiàn)象；從專業(yè)角度上來看，比單純進(jìn)行邊界層速度測(cè)量和圓柱體繞流速度測(cè)量更為形象和直觀，對(duì)于繞流狀態(tài)的表現(xiàn)也更為深刻。

圖3　新配置的部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（2）飛行器受力狀態(tài)的顯示——升力：飛機(jī)升力實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目直接將飛機(jī)模型和小型風(fēng)洞引入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可以充分表現(xiàn)真實(shí)飛機(jī)設(shè)計(jì)的思想和過程，實(shí)驗(yàn)中將飛機(jī)與四連桿機(jī)構(gòu)相連，通過改變飛機(jī)迎角和風(fēng)速，可給出升力的定量變化規(guī)律。

（3）飛行器受力狀態(tài)的顯示——壓差阻力：流線型物體壓差阻力實(shí)驗(yàn)。由于需要設(shè)置阻力天平，限于風(fēng)洞大小，選取剖面為翼型的流線型物體（而非飛機(jī)）作為模型。這樣既可以滿足風(fēng)洞要求，又方便學(xué)生結(jié)合理論課上介紹的翼型理論和二維翼型煙風(fēng)洞的流態(tài)圖展開思考。學(xué)生也可以自行制作其他外形的模型，以比較不同物體的壓差阻力大小，從而加深對(duì)“流線型”定義的理解。

升力和阻力是飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)中非常重要的2個(gè)力學(xué)參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)（2）和（3），學(xué)生可以獲得對(duì)它們的直觀認(rèn)識(shí)，有利于后續(xù)飛行力學(xué)、飛行器總體設(shè)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)。

此外，為了提高實(shí)驗(yàn)的趣味性，也為了在以后方便“流體力學(xué)基礎(chǔ)”和“航空航天技術(shù)基礎(chǔ)”、“航空概論”等專業(yè)基礎(chǔ)課和外專業(yè)選修課的學(xué)生，還另外建設(shè)了3個(gè)通用性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：伯努利原理演示實(shí)驗(yàn)、空氣粘性演示實(shí)驗(yàn)和乒乓球吹風(fēng)演示實(shí)驗(yàn)。

其中伯努利原理演示實(shí)驗(yàn)充分借鑒了原有2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，并改進(jìn)了測(cè)量精度；空氣粘性演示實(shí)驗(yàn)通過2個(gè)同軸圓盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況來宏觀展示粘性效應(yīng)；乒乓球吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)則可展示物體所受空氣動(dòng)力與風(fēng)速之間的定量關(guān)系。它們?nèi)腴T簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，所需時(shí)間也較少，可以合計(jì)安排在1個(gè)學(xué)時(shí)之內(nèi)。學(xué)生們通過實(shí)際操作，可以對(duì)看不見摸不著的空氣產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)，學(xué)有余力的話，也可以設(shè)置一些定量任務(wù)，例如給出乒乓球離開噴嘴的距離與風(fēng)速大小的關(guān)系曲線。

三、結(jié)論和展望

目前教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)正在逐步完善中，相對(duì)之前的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生們對(duì)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的興趣有了明顯的提高，學(xué)習(xí)效果也有相應(yīng)的提升。部分學(xué)生已經(jīng)嘗試將航模制作中的問題帶到實(shí)驗(yàn)室中尋找答案，引導(dǎo)型實(shí)驗(yàn)的效果正在逐步展現(xiàn)。相信與理論教學(xué)相結(jié)合，可以使學(xué)生對(duì)“空氣動(dòng)力學(xué)”課程獲得較為綜合的認(rèn)識(shí)，有利于貫徹落實(shí)面向工程一線的航空工程師培養(yǎng)方案。

參考文獻(xiàn)

［1］巴巴拉·格羅斯·戴維斯.國(guó)外大學(xué)教學(xué)與教改譯叢：教學(xué)方法手冊(cè)［M］.嚴(yán)慧仙譯，杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

［2］鄧建新.C#課程一體化多層次問題引導(dǎo)式教學(xué)方法［J］.計(jì)算機(jī)教育，2014（11）：68-71.

［3］姜占平，廖智勇，譚逢友.產(chǎn)品綜合訓(xùn)練課程問題引導(dǎo)式教學(xué)模式初探［J］.教育與職業(yè)，2009，11：151-152.

［4］王曉璐，代君，韓非非，等.引導(dǎo)式教學(xué)方法在空氣動(dòng)力學(xué)課程上的應(yīng)用［J］.教育教學(xué)論壇，2016.

［5］栗中華，陳艷，張鵬，等.面向航空教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)踐課程改革與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（3）：146-149.

［6］張華，潘曉麗，郭輝，等.依托學(xué)科優(yōu)勢(shì)建設(shè)有特色的流體力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2007，29（4）：77-79.

Abstract:With the abstract characteristics，it is hard for students to learn the concepts in aerodynamics. Measures of reforming the experimental items and periods could light the students' passions in class. New experimental items were presented and have shown better guiding performances and more suitable for aeronautical engineering. Several experimental units were constructed to make the course more interesting and easier to learn，and works well with the combination of theory teaching.

Keywords:Aerodynamics；experimental teaching；guiding teaching

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）11-0070-02

*基金項(xiàng)目：鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院教育科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（ZHJY2016-07）

作者簡(jiǎn)介：王曉璐（1982-），男，河南信陽(yáng)，博士，高級(jí)工程師，從事空氣動(dòng)力學(xué)和飛行器設(shè)計(jì)教學(xué)和科研工作。