摘 要 在分析固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出基于CDIO理念的項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)模式。按照過(guò)程化、工程化、項(xiàng)目化的改革思路，系統(tǒng)深入地對(duì)課程從教學(xué)內(nèi)容、方法和模式上進(jìn)行探索。教學(xué)實(shí)踐表明，采用CDIO模式，課程教學(xué)由知識(shí)傳授向能力提升轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程設(shè)計(jì)實(shí)際問(wèn)題的能力，學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程素養(yǎng)得到全面鍛煉和提升。

關(guān)鍵詞 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)；CDIO理念；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：E251.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）16-0083-03

0 引言

海軍工程大學(xué)飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的本科學(xué)生未來(lái)將會(huì)從事固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和管理，因此，掌握固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理論和方法是他們最基礎(chǔ)的素質(zhì)之一。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程主要研究固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，旨在讓學(xué)生系統(tǒng)地運(yùn)用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理知識(shí)，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，牢固掌握固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程有助于提升學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力，為學(xué)生未來(lái)工作任職提供重要的專業(yè)支撐。

CDIO工程教育理念是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果，包含構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（De-

sign）、實(shí)現(xiàn)（Impelment）、運(yùn)作（Operate）等核心內(nèi)容[1-2]。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程運(yùn)用基于CDIO理念的項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)模式，以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)從研發(fā)到使用的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系的方式，以發(fā)動(dòng)機(jī)總體和關(guān)鍵部組件的設(shè)計(jì)作為項(xiàng)目，通過(guò)協(xié)同實(shí)施和完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)模式單一，高階性體現(xiàn)不足

課程專業(yè)特色鮮明，涉及機(jī)械、氣體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)，要求學(xué)生具有扎實(shí)的專業(yè)背景知識(shí)，并且能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，具有一定難度。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，課程教學(xué)手段和模式較為傳統(tǒng)，在教學(xué)中仍然采用“理論講授+自主設(shè)計(jì)”的方式進(jìn)行授課，存在設(shè)計(jì)理論較多但內(nèi)容深度不足、設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜但重難點(diǎn)不突出、設(shè)計(jì)范圍廣但工程實(shí)踐性不強(qiáng)等諸多問(wèn)題，無(wú)法將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與具體的工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，對(duì)學(xué)生發(fā)展研究性學(xué)習(xí)和探究解決問(wèn)題的高階能力培養(yǎng)不足。

1.2 實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱，工程性體現(xiàn)不強(qiáng)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)本身是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，在真實(shí)的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要開(kāi)展大量力學(xué)、傳熱、燃燒、爆破、試車(chē)等危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)對(duì)理論進(jìn)行反復(fù)修正和迭代，從而獲得更加精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)結(jié)果。而高校無(wú)法與專業(yè)設(shè)計(jì)研究部門(mén)一樣具有門(mén)類(lèi)齊全的實(shí)驗(yàn)條件，高校的實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)有限，特別是一些具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展，導(dǎo)致學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力受到影響，與實(shí)際的工程設(shè)計(jì)相比有一定差距。

1.3 設(shè)計(jì)難度較低，開(kāi)放性體現(xiàn)不夠

由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論難、計(jì)算量大，設(shè)計(jì)過(guò)程存在總體與分系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性、約束條件復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)的耦合性等難點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算十分復(fù)雜，因此，將性能參數(shù)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，約束條件在一定程度上放松，將教學(xué)目標(biāo)定位在學(xué)生完成全流程設(shè)計(jì)體驗(yàn)上，從而一定程度上降低設(shè)計(jì)難度，但這也導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)放性不夠，沒(méi)有給學(xué)生提供充分表現(xiàn)個(gè)性、激勵(lì)創(chuàng)新的空間，對(duì)學(xué)生探索能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)不足。

2 基于CDIO理念的教學(xué)改革

根據(jù)教學(xué)中存在的問(wèn)題，在詳細(xì)分析現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程特點(diǎn)，采用CDIO模式，制定過(guò)程化、工程化、項(xiàng)目化的改革思路，系統(tǒng)深入地對(duì)課程從教學(xué)內(nèi)容、方法和模式上進(jìn)行探索。

2.1 多類(lèi)選題，體現(xiàn)設(shè)計(jì)個(gè)性

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但種類(lèi)多樣，按照用途和功能可以分為主動(dòng)力固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、助推器固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、巡航固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和姿軌控固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等。不同種類(lèi)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求有一定的區(qū)分，特別是飛行器總體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求不同，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程存在一定的差異。因此，在設(shè)計(jì)選題上改變以往單一選題，倡導(dǎo)選題類(lèi)型多樣化，讓學(xué)生在以往經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)儲(chǔ)備、思維習(xí)慣下開(kāi)展各種探索，尋求約束條件下的最優(yōu)方案，而不再要求設(shè)計(jì)結(jié)果的唯一性，充分體現(xiàn)學(xué)生的興趣愛(ài)好，有利于學(xué)生個(gè)性化發(fā)展。

2.2 分組教學(xué)，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)

綜合分析學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備、興趣愛(ài)好、專業(yè)特長(zhǎng)、編程能力等，按照優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的思路，對(duì)學(xué)生進(jìn)行混合分組。每個(gè)小組安排一名指導(dǎo)教師作為課后指導(dǎo)，以完成設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)任務(wù)為最終目標(biāo)。按照競(jìng)賽模式，將任務(wù)進(jìn)行細(xì)化，并對(duì)各階段進(jìn)行量化評(píng)分，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果，從而激發(fā)學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生相互協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神。

2.3 明確主線，強(qiáng)調(diào)過(guò)程體驗(yàn)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)涉及學(xué)科較多，完整的設(shè)計(jì)需要掌握復(fù)雜的專業(yè)背景知識(shí)，僅靠一個(gè)小組的本科學(xué)生完成如此龐大而又復(fù)雜的設(shè)計(jì)具有較大難度。因此，課程教學(xué)以學(xué)生體驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程為基礎(chǔ)目標(biāo)，以提升設(shè)計(jì)能力為最終目標(biāo)。在具體過(guò)程中，需要對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行區(qū)分，重點(diǎn)抓住熱力參數(shù)計(jì)算、藥柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃燒室強(qiáng)度校核、噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化藥柱三維設(shè)計(jì)和內(nèi)彈道設(shè)計(jì)等，忽略部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量的約束控制，適當(dāng)放寬質(zhì)量比等參數(shù)性能要求。恰當(dāng)?shù)膬?nèi)容優(yōu)化既能使學(xué)生體驗(yàn)完整的設(shè)計(jì)過(guò)程，提升能力，又不至于因?yàn)殡y度過(guò)大而導(dǎo)致設(shè)計(jì)無(wú)法完成。

2.4 注重案例，突出工程實(shí)踐

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與工程實(shí)踐緊密相關(guān)，為此，聯(lián)合相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，搭建溝通交流平臺(tái)，組織線上講座活動(dòng)，邀請(qǐng)相關(guān)工程師和型號(hào)設(shè)計(jì)師作為輔導(dǎo)教師進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)課程教學(xué)與工程技術(shù)的緊密融合。學(xué)生以工程師的角度考慮設(shè)計(jì)要點(diǎn)，及時(shí)解決相關(guān)工程和實(shí)踐中的關(guān)鍵問(wèn)題，提升工程實(shí)踐能力。豐富實(shí)踐內(nèi)容，利用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件不足，構(gòu)建完整的實(shí)驗(yàn)體系，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

2.5 優(yōu)化內(nèi)容，開(kāi)展項(xiàng)目化教學(xué)

項(xiàng)目化教學(xué)的特點(diǎn)是以項(xiàng)目為中心，通過(guò)真實(shí)情境和問(wèn)題驅(qū)動(dòng)展開(kāi)學(xué)習(xí)過(guò)程，使學(xué)生更好地將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[2-3]。優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及設(shè)計(jì)主題，按照項(xiàng)目化設(shè)計(jì)的任務(wù)下達(dá)、方案制定、組織實(shí)施、檢查評(píng)估等步驟組織實(shí)施。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，以項(xiàng)目為載體，始終堅(jiān)持“教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，教師重點(diǎn)關(guān)注要求的提出以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)指導(dǎo)，并不過(guò)多地介入具體設(shè)計(jì)；學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，逐步實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中做”，從而完成設(shè)計(jì)流程。小組針對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析整理，反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。小組結(jié)合設(shè)計(jì)過(guò)程撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和感悟，完成設(shè)計(jì)匯報(bào)，開(kāi)展自評(píng)、互評(píng)以及指導(dǎo)教師總評(píng)。

3 基于CDIO理念的教學(xué)實(shí)踐

結(jié)合CDIO理念，根據(jù)教學(xué)大綱要求，以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作為主線，開(kāi)展教學(xué)實(shí)施。從典型項(xiàng)目案例引入，以設(shè)計(jì)要求、技術(shù)指標(biāo)為構(gòu)思，以結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)理念為設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，以完成典型結(jié)構(gòu)組成的參數(shù)指標(biāo)為實(shí)現(xiàn)，最后以真實(shí)環(huán)境中的使用（貯存、點(diǎn)火）為運(yùn)作，將專業(yè)知識(shí)和工程實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力[4-5]。教學(xué)實(shí)施步驟如表1所示。

3.1 構(gòu)思階段

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)通常從發(fā)動(dòng)機(jī)總體給出要求開(kāi)始，內(nèi)容是估算發(fā)動(dòng)機(jī)一系列可變參數(shù)，如燃燒室壓強(qiáng)、噴管擴(kuò)張比、流量系數(shù)、殼體和噴管材料以及殼體尺寸等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。教師針對(duì)設(shè)計(jì)案例，提出發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求探尋合適的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)小組根據(jù)所學(xué)設(shè)計(jì)理論和方法，結(jié)合固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制案例經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)交流、反復(fù)探討，與指導(dǎo)教師一起不斷完善設(shè)計(jì)方案。

3.2 設(shè)計(jì)階段

根據(jù)前期方案，將項(xiàng)目任務(wù)劃分為一級(jí)總體設(shè)計(jì)項(xiàng)目和二級(jí)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，項(xiàng)目層級(jí)劃分及具體內(nèi)容如表2所示。

學(xué)生結(jié)合研制工作程序，按照項(xiàng)目層級(jí)，圍繞項(xiàng)目?jī)?nèi)容，開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目化設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程通常需要遵循三個(gè)基本原則：1）先算后做，即先進(jìn)行分析計(jì)算，后進(jìn)行設(shè)計(jì)、試制；2）先重后輕，即發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)先重（或厚），后減輕（減薄）；3）先單項(xiàng)后綜合，即先進(jìn)行二級(jí)子項(xiàng)目和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，后進(jìn)行總體項(xiàng)目和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中各個(gè)參數(shù)相互約束限制，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以根據(jù)具體情況調(diào)整設(shè)計(jì)順序。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要是性能、結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)等參數(shù)的計(jì)算，通常在完成分系統(tǒng)的計(jì)算后結(jié)合總體要求和相關(guān)約束條件進(jìn)行重新迭代，直至得到合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。

3.3 實(shí)現(xiàn)階段

學(xué)生結(jié)合設(shè)計(jì)得出的結(jié)果，利用三維結(jié)構(gòu)仿真軟件繪制發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)組件三維模型，通過(guò)組件裝配實(shí)現(xiàn)從理論到工程圖紙的轉(zhuǎn)變。若裝配中發(fā)現(xiàn)諸如尺寸不合理、空間利用率不高等問(wèn)題，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比、噴管擴(kuò)張比等參數(shù)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于小尺寸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可以進(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中的3D打印機(jī)和推進(jìn)劑加工制造設(shè)備，開(kāi)展結(jié)構(gòu)件制造和裝配。對(duì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，尋找設(shè)計(jì)中存在的不足，從而進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

3.4 運(yùn)行階段

對(duì)于尺寸、推力較小的微小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)完成后依托水平試車(chē)臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)火試車(chē)，獲取內(nèi)彈道曲線數(shù)據(jù)，考核設(shè)計(jì)效果。對(duì)于尺寸、推力較大的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，由于無(wú)法進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，依托有限元分析軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用條件下的仿真計(jì)算，用于考核發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。學(xué)生根據(jù)運(yùn)行結(jié)果對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)方案和過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并完成最終的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

4 教學(xué)考核和評(píng)價(jià)

采取過(guò)程性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的方式開(kāi)展課程考核和評(píng)價(jià)，具體考核內(nèi)容和評(píng)價(jià)方式如表3所示。過(guò)程性考核主要基于CDIO理念，在各階段開(kāi)展針對(duì)性考核，主要采取學(xué)生自評(píng)、互評(píng)以及教師點(diǎn)評(píng)的方式進(jìn)行，從而保證學(xué)生在各節(jié)點(diǎn)的任務(wù)完成質(zhì)量[6-7]。終結(jié)性考核主要采用“設(shè)計(jì)報(bào)告+

自主答辯”的方式進(jìn)行，學(xué)生在完成整個(gè)設(shè)計(jì)后，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，制作匯報(bào)課件，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行成果匯報(bào)和展示。教師結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)，制定量化打分表，根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯情況進(jìn)行量化打分。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式傳統(tǒng)、實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱、設(shè)計(jì)難度較低等問(wèn)題，運(yùn)用CDIO國(guó)際工程教育理念和模式，結(jié)合多樣選題、分組教學(xué)、突出實(shí)踐等方法，開(kāi)展項(xiàng)目化教學(xué)，讓學(xué)生通過(guò)小組協(xié)同實(shí)施、完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅能夠體驗(yàn)完整的設(shè)計(jì)過(guò)程，而且能夠增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，提高實(shí)踐能力，取得較好的教學(xué)效果。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 銀光球，張福江.基于CDIO機(jī)械本科課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2017（29）：152-154.

[2] 王曉娟，韋韞韜.CDIO工程人才培養(yǎng)模式下項(xiàng)目化課程體系建設(shè)研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2016（2）：86，89.

[3] 吳凈，陳克，張宏遠(yuǎn).基于CDIO工程教育模式的能源動(dòng)力類(lèi)課程體系改革與實(shí)施[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2017（11）：35-37.

[4] 楊強(qiáng)，李忠.基于CDIO理念的數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015（6）：131-132，144.

[5] 謝愛(ài)娟，曹劍瑜，羅士平，等.CDIO視域下構(gòu)建“五位一體”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式[J].教學(xué)研究，2015，38（1）：98-101.

[6] 余發(fā)軍，王雙紅，林漫漫.基于CDIO理念的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020，39（12）：194-197.

[7] 寧超，劉君，韋素媛，等.全過(guò)程多維度的學(xué)測(cè)評(píng)一體化考核方式改革實(shí)踐：以“火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理”課程為例[J].西部素質(zhì)教育，2022，8（1）：154-156.

*項(xiàng)目來(lái)源：海軍工程大學(xué)2023年度教育科研項(xiàng)目（基金編號(hào)：NUE2023ER17）；海軍工程大學(xué)2023年度教學(xué)成果立項(xiàng)培育項(xiàng)目（基金編號(hào)：NUE2023TA04）。

作者簡(jiǎn)介：賴建偉，通信作者，博士，講師；方登建，副教授；常建、張濤濤、王少蕾，博士，講師。