“强军新工科”背景下融合式风洞实验教学模式改革

全鹏程,董义道,冯志刚

摘要

随着国家“新工科”建设规划和工程教育改革的进行，国防科技大学提出“强军新工科”人才培养模式，形成了学历教育与首次任职培训融合式本科教育框架。在此背景下，针对风洞任职专业存在的理论教学与实践教学割裂、实践不能覆盖风洞实验基础理论、实验内容与工程实际脱节、学生实际动手操作的时间偏少等问题，开设《风洞实验模拟方法与测试技术》专业课程，从“微实验”融入课堂理论教学、增添与工业接轨的多项新型综合实验设备、建设风洞实验辅助教学条件三个方面对风洞实验教学模式进行了改革探索，旨在以“微实验”的方式将理论和实践教学交织融合在一起，探索一种“融合式”的风洞实验教学体系。

关键词：强军新工科；风洞实验；微实验；教学改革

分类号：G642 文献标志码：A

An integrated teaching method for wind tunnel experiments based on the concept of ‘emerging engineering for strengthening the army’

Abstract

QUAN Pengcheng, DONG Yidao, FENG Zhigang

With the ‘emerging engineering’ and engineering education reform spreading across China, National University of Defense Technology builds a new talent cultivation program based on the concept of ‘emerging engineering for strengthening the army’ and creates an integrated undergraduate education framework of academic education and first-time job training. Under this background, this work summarizes the major challenges existing in the teaching process involving wind tunnel experiments, including the separation between theoretical teaching and practical teaching, experimental content can't cover all the basic theory of wind tunnel experiments, the disconnection between experimental content and engineering practice, and the lack of practical operation time for students. Therefore, we opened a new course for undergraduate students: wind tunnel experiment simulation method and test technology. Aiming at integrating theory and practice teaching through micro-experiment, we developed a new teaching method with following endeavors: the integration of micro-experiments into theory teaching, the design of comprehensive experiments in line with industry, and the construction of assistant teaching conditions for wind tunnel experiment.

Key words: Emerging engineering for strengthening the army; Wind tunnel experiments; Micro-experiment; Education reform

1、《风洞实验模拟方法与测试技术》课程相关情况

传统工程教育面临严峻挑战，业界普遍反映：毕业生工程实践能力欠缺，动手能力较弱，导致创新和岗位适应能力低。2017年以来教育部多次召开高等工程教育相关研讨会

[1]，通过“复旦共识”、“天大行动”以及“北大指南”等会议纲领提出了新工科建设要求，旨在通过新工科建设，推动包括实践教学模式在内的多方面改革[2]。结合习主席为新组建国防科技大学提出的训词，国防科技大学提出“强军新工科”人才培养模式，形成了基于任职岗位问题驱动、以能力塑造为核心的学历教育与首次任职培训融合式本科教育框架[3]。

新框架下制定的本科培养方案对所有的招生专业都做了本科教育专业和首次任职培训专业两方面要求，以本文涉及的飞行器设计与工程——试验评估技术（风洞）专业为例，飞行器设计与工程为本科教育专业，试验评估技术（风洞）为首次任职培训专业。培养方案提出的毕业标准要求学生初步掌握并具备试验评估技术（风洞）首次任职岗位要求的方法、技能与基础能力。该专业设置了如下图所示的不同层次的课程体系：位于底层的是公共基础、学科基础课程、学科专业课程，位于顶层的是毕业设计项目，这些课程的设置与本科教育专业的要求保持一致，而中间标红部分则是为了满足学生毕业后岗位需求所开设的首次任职专业课程：《风洞实验模拟方法与测试技术》和《飞行器风洞综合实验项目》。《飞行器风洞综合实验项目》为40学时的实践类课程，要求学生在空气动力学实验室在指导下完成四个综合型风洞实验；《风洞实验模拟方法与测试技术》为64学时的理论类课程，是以上四个风洞实验的理论基础，本文所介绍的教学改革就是围绕这门课程所展开。

图 1试验评估技术（风洞）专业的毕业标准及课程设置

《风洞实验模拟方法与测试技术》课程开设的初衷决定了本门课程的总体目标是让学生在深刻理解风洞实验理论基础的同时初步具备简单风洞实验的能力，具体来说包括以下三方面的内容：理解并掌握风洞实验模拟的原理；理解风洞设备的结构原理并了解各种风洞的操作技能；理解并能初步使用常见的风洞流场测量技术。从课程目标出发，《风洞实验模拟方法与测试技术》课程内容分为模拟方法、风洞设备和测试技术三个模块，对应风洞实验的理论基础、设备基础和技术基础，具体的章节和学时划分如表 1所示。

表 1 《风洞实验模拟方法与测试技术》章节学时安排

模块	章节	内容	理论学时	实验学时	实验内容
模拟方法	1	绪论	2	/	/
	2	风洞实验模拟方法	6	/	/
风洞设备	3	风洞原理及分类	11	2	风洞实践
测试技术	4	风洞测试基础	5	/	/
	5	气动力测量技术	6	/	/
	6	流动参数测量	15	6	低速翼型表面测压(2)
					粒子图像测速(4)
	7	流动显示技术	7	4	阴影纹影流场显示
	合计	/	52	12	/

2、风洞实验教学面临的问题

“强军新工科”建设要求学科建设立足军事领域，突出强军目标和强军思想，在继承与创新的基础上，培养面向战场，面向部队，面向未来，符合局势发展的新型军事人才。根据“强军新工科”提出的要求，试验评估技术（风洞）专业的毕业生将在风洞相关的任职岗位直接为我国各类飞行器型号的风洞实验服务。虽然《风洞实验模拟方法与测试技术》、《飞行器风洞综合实验项目》等任职专业课程的开设可以在一定程度上提高毕业生在风洞岗位上的适应能力，但是在课程的教学环节仍然延用了传统的实验教学模式，笔者在教学过程中发现这种模式存在着以下四方面的问题：

2.1 理论教学与实践教学割裂

传统的教学模式首先在课堂上介绍风洞实验的基础理论，然后学生在实验室分组开展实验验证所接受的理论知识。风洞实验理论都是在教室进行教学，实践部分在实验室开展，但是实际上对于很多风洞设备和测试技术来说，学生很难在实验室将所学到的理论知识直接应用于实验。以风洞实验应用非常广泛的纹影技术[4]为例，这种可视化技术原理非常简单，平行光线在变折射率场中产生偏折（流场中的密度与折射率场几乎保持线性关系），利用刀口对聚焦后光源形成的像进行切割就可以得到明暗相间的图像，图像灰度的变化对应流场密度的一阶梯度变化，通过两节课的介绍基本上所有的学生都能掌握这些基础光学知识。纹影实验使用到的硬件设备也相对比较简单，包括光源、狭缝、两面抛物面镜、刀口、相机以及相应的光学支柱和导轨。但是课堂上利用多媒体或板书讲解的只能是纹影的原理，通常会忽略掉实际使用过程中一些具体的问题，而这些忽略掉的小问题经常会对纹影系统产生很大的影响，比如说：原理讲解中要求所有的光学元器中心件位于同一高度，很多学生都会在调节的时候忽略这一点；原理讲解中要求光源位于抛物面镜的焦点，实际调节过程中学生一般选择用卷尺去确定这个距离，但是很难将光源精确置于抛物面镜的焦点之上；原理讲解中要求成像面对流场精确成像，实际过程中涉及到调节相机的三脚架和云台，这一点也会将许多学生难倒。诸如以上的种种小问题就会让学生有一种“纸上谈兵”的感觉，尽管课堂上已经听得很明白了，实际操作过程中往往问题不断，其根本原因在于传统教育模式中理论教学与实践教学的割裂，学生很难建立起二者之间联系的桥梁。

2.2 实践不能覆盖风洞实验基础理论

《风洞实验模拟方法与测试技术》课程的教学内容包含风洞实验从模拟理论、风洞设备到测试技术完整的理论体系，其中模拟理论主要包括相似分析、量纲分析等基础理论，风洞设备包括低速风洞、亚声速风洞、跨声速风洞、超声速风洞、高超声速风洞、超高速风洞等内容，测试技术主要包括数据采集基础、气动力测量、流场参数测量以及流动显示技术。课程理论授课时间达到52学时，而实践学时只有12学时，意味着大部分理论知识不能在实践中得到验证，学生的理解只能停留在课堂介绍的工作原理层面，对于绝大部分测试技术和设备的使用没有直观的认识。这一点尤其体现在八章流场参数的测量，该章介绍了压力、温度和速度三种流场参数的典型测量方法，每一种参数的测量又包含了多种不同的测试技术，每一项技术都有不同的试用范围和局限性，实践部分只能选择一种最典型的测试技术让学生进行实验。比如速度测量介绍了落差法测速、风速管测速、热线测速、激光多普勒测速以及图像粒子测速等多种技术的基本原理和测试设备，而实践部分的教学内容只有图像粒子测速这一种技术，学生对其他几种速度测速技术的使用自然就会比较陌生。

2.3实验内容与工程实际脱节

《风洞实验模拟方法与测试技术》的课程定位决定了教学大纲中安排的实验内容都属于比较简单的验证性实验，采用的实验模型亦是空气动力学教学中经典的流动外形，比如：低速翼型表面测压实验采用的翼型为NACA0028和NACA23012[5]；粒子图像测速实验则是采用圆柱绕流产生的卡门涡街进行实验；阴影纹影流动显示实验采用的是小角度的激波发生器。这些简单的经典模型或能方便地进行理论求解或能从公开数据库查到数据，方便学生验证自己的实验数据，但这一点也同样是经典模型的劣势。首先，由于这些经典的模型和当代飞行器的外形相差较大，距离工程实际较远，不容易激发学生自主探索实验的兴趣，影响实验教学的质量；其次，由于实验内容比较单一，导致一部分学生机械地按照实验指导书按部就班进行实验，很大程度上限制了学生的创新思路；最后，由于实验的结果有数据可查，学生总是带着期望值去做实验，当自己做出来的结果与“标准答案”不一致时，会根据“标准答案”去手动调整实验数据，确保自己做出所谓正确的结果，笔者多次见到学生为了得到对称翼型在0°攻角下的零升力，将下表面的压力数据篡改为和上表面相等，殊不知模型的安装攻角的误差是非零升力产生的原因。

2.4 学生实际动手操作的时间偏少

对比旧培养方案中《实验空气动力学》课程，《风洞实验模拟方法与测试技术》已经将实验次数从2增加到了4，学时从4增加到了12，但实际上总体学时仍然偏少。一方面原因是因为学生对硬件设备不熟悉，实验学时有相当一部分时间是由老师讲解各种设备的操作方法，比如纹影流动显示实验，4个学时的实验课有2个学时是由老师讲解各种光学仪器的调节和使用，对于初学者来说用剩下的2个学时调好纹影系统几乎是不可能的，因此一般是由老师和助教先将系统基本搭建好，然后让学生在剩下的2个学时对部分仪器进行微调；另外一方面，由于目前使用的科研级的纹影系统体积大、成本高，整个实验室只有一套完整的系统供学生分组使用，受时间的限制，每个小组的人数通常在15人左右，这就导致一部分学生在整个实验过程中都只能在旁观看其他小组成员操作。

3、“融合式”的风洞实验教学体系探索

本文所介绍的教学改革基于“以学生为中心”的教学理念，将课程中众多的测试技术进行分解，综合利用“微实验”和创新性综合实验，建立理论和实践“融合式”的风洞实验教学体系，使学生在理论课中直观地观察到风洞实验测试的过程，在课后能对一部分实验内容自由练习，在综合实验中锻炼实践和创新能力，通过不同层次实验激发学生创新思维，提高学生解决问题的能力。

图 2 《风洞实验模拟方法与测试技术》“融合式”实验教学体系

3.1将“微实验”融入课堂理论教学

针对现有风洞实验教学理论与实践割裂并且学生实践时间偏少的问题，在理论授课过程中有机融入“微实验”教学，让学生在沉浸式的学习中掌握风洞实验知识，具体包括：

（1）课堂视频演示“微实验”：一部分使用过程复杂、需要大型风洞设备或可能存在潜在风险的实验以录制视频讲解的方式在课堂进行演示。将应变片贴片、应变天平在风洞中的使用、多普勒测速在超声速流场的应用、高超声速流场油流显示、低速风洞烟线显示以及激波边界层干扰NPLS流动显示[6]等实验在实验室提前录制演示视频或制作演示动画，在理论讲解过程中播放视频可以在增加课堂的趣味性的同时深化学生对实验设备和测试技术的直观理解。

图 3 NPLS系统操作演示动画截图（左）及拍摄的流动显示结果（右）

（2）课堂现场演示“微实验”：一部分风洞实验内容设计成微型化的演示实验，直接在课堂讲授过程中进行现场演示，通过现场演示“微实验”创建理论与实践联系的桥梁，让学生所学即所见。将K型热电偶温度测量、红外测温以及热线风速仪测速等测试技术设计制作成便携性的模块，在课堂介绍测试技术原理和使用方法的同时邀请学生进行现场演示，尽可能利用课堂时间让学生对测试设备的使用有深刻的理解和认识。

 

图 4 课堂演示用热电偶测温装置（左）课堂演示用红外测温装置（右）

（3）课后自由练习“微实验”：一部分实验内容设计成适合学生课后练习的“微实验”，让学生使用小型的设备进行自由的摸索。将NI数据采集系统及常用传感器、压力传感器测压以及热电阻温度测量等使用简单、开放性高并且没有操作风险的设备制作成小型模块，课上演示后直接让学生带回宿舍自行探索使用，并布置一些相对简单的任务让学生利用这些设备完成，比如：结合风速管、压力传感器以及数据采集系统测量宿舍不同品牌吹风器出口的风速；利用数据采集系统和加速度传感器测量学校周边某座大桥的自然频率等。

 

图 5 NI数据采集系统（左）和风速管（右）

3.2 增添与工业接轨的多项新型综合实验设备

针对现有教学实验与工业脱节的问题，在原有综合实验的基础上进行改造和升级，设立既有时代特色也有我军特色的典型实验案例，在培养学生动手能力的同时为其首次任职岗位打下基础，计划设置的新型实验包括：歼20战斗机巡航流场结构纹影流动显示实验，让学生利用最经典的流动显示方式在超声速流场中观察我国最先进战斗机产生的流场结构；超燃冲压发动机进气道压力测量实验，结合世界主流军事国家的研究热点，让学生切实感受到课程知识对最前沿研究的重要性；A380商用飞机升阻比测量实验，空客A380是学生都比较熟悉并且向往的大飞机，在低速风洞中利用应变天平对不同攻角下模型的升力和阻力分别进行测量，让学生理解飞行器升阻比的变换规律。

3.3 建设风洞实验辅助教学条件

课后自由练习“微实验”和综合性创新实验的主体是学生，但是由于学生在实验方面的基础比较薄弱，这两部分内容的顺利开展需要建设配套的教学辅助条件，具体包括两方面：第一，建立学生练习工作坊，配备齐全的设备，包括：3D打印机、小型台钻、激光切割机、光学平台以及其他配套的工具等等，工作日对学生全天开放，以方便学生设计和加工一些简单的模型或者对测试设备进行调试；第二，对高年级博士生进行助教培训，助教负责在工作坊对学生使用设备或仪器进行指导，并在综合性实验中对学生的实验过程进行安全监督和实时指导。

4、结束语

在“强军新工科”背景下，针对飞行器设计与工程——试验评估技术（风洞）专业本科生新开设了《风洞实验模拟方法与测试技术》课程，结合培养方案中对任职专业提出的毕业标准，对风洞实验教学模式进行了“融合式”改革。秉承以学生为中心的教学理念，引入课堂视频演示“微实验”、 课堂现场演示“微实验”以及课后自由练习“微实验”将理论教学与实践教学有机融合在一起，在大幅提高风洞实验的教学效率的同时也提升了学生在毕业后风洞任职岗位的履职能力；重新设计了创新性综合实验，通过设计具有当代特色的飞行器模型，将风洞实验内容与现代工业和科技的发展联系在一起，在增加学生学习热情的同时也提升了他们分析解决工程实践问题的能力；通过建立学生工作坊并引入助教制度，解决了学生主动创新探索的后顾之忧，培养了学生学习的积极性和主动性。

参考文献：

[1]钟登华. 新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究, 2017(3):6.

[2] 付华, 任书霞, 于刚,等. 工程教育认证理念下的新工科专业课程体系的构建[J]. 教育教学论坛, 2020(16):2.

[3] 刘双科, 叶益聪, 李宇杰,等. 强军新工科视域下的军校工科专业人才培养方案研究——以"材料科学与工程(试验评估技术-风洞)"为例[J]. 高等教育研究学报, 2021, 44(1):7.

[4] 王铁城. 空气动力学实验技术[M]. 国防工业出版社, 1986.

[5]  Zanotti A ,  Nilifard R ,  Gibertini G , et al. Experimental-Numerical Investigation of the Dynamic Stall Phenomenon over the NACA 23012 Airfoil[C]// 38th European Rotorcraft Forum. 2012.

[6] 易仕和, 田立丰, 赵玉新,等. 基于NPLS技术的可压缩湍流机理实验研究新进展[J]. 力学进展, 2011, 41(004):379-390.