新工科背景下实验空气动力学课程教学改革与探索
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作者:熊小慧 唐明赞 梁习锋 孙博
摘 要：随着我国轨道交通的快速发展，轨道交通领域人才需求急剧增长，给高等院校专业人才培养带来诸多挑战。在新工科背景下，培养具有工程实践能力和创新能力的轨道交通专业人才，探索建设符合新时期轨道交通类实验实践教学体系对高等院校教学改革十分重要。该文围绕轨道交通专业列车空气动力学方向研究生所修实验空气动力学课程，从该课程的教学内容、教学模式、实践环节及考核机制等方面着手，开展符合列车空气动力学发展需求的课程内容体系建设与教学改革探索实践，为培养服务于国家交通强国战略需求和轨道交通前沿研究领军人才的后备力量提供有力支撑。
关键词：新工科;轨道交通;实验空气动力学;课程建设;改革创新
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）29-0137-04
Abstract： With the rapid development of rail transit in China， the demand for talents in the field of rail transit is increasing rapidly， which brings many challenges to the training of professional talents in colleges and universities. Under the background of "new engineering"， it is very important for the teaching reform of colleges and universities to cultivate talents with engineering practice ability and innovation ability and to explore the construction of experimental practice teaching system of rail transit in line with the new era. This paper focuses on the course "Experimental Aerodynamics" for the graduate students majoring in train aerodynamics of rail transit. Starting from the teaching content， teaching mode， practice links and assessment mechanism of this course， this paper carries out the course content system construction and teaching reform exploration and practice that meet the development needs of train aerodynamics. It will provide strong support for the training of reserve forces serving the strategic needs of China's transportation power and leading talents in frontier research of rail transit.
Keywords： new engineering discipline; rail transit; Experimental Aerodynamics; curriculum construction; reform and innovation
研究生教育是家创新体系的重要组成部分，在培养创新人才、提高创新能力、服务经济社会发展、推进国家治理体系和治理能力现代化方面具有重要作用[1]。高等院校研究生教育需面向国家重大需求、优化学科布局、瞄准世界科技前沿和关键领域，进一步加强基础理论研究，培养具有研究和创新能力的高层次人才[2]。而发展基础理论与推动科研创新均离不开实验研究的支撑，实验研究对于一门学科基础理论的发展与完善具有无可替代的作用。开设高质量实验类课程对于高校研究生教育学科建设和高层次创新人才培养至关重要。
近年来，我国轨道交通发展迅速，实现了由“瓶颈制约”到“总体缓解”再到“基本适应”的阶段性转变，当前正处于交通强国建设的起步阶段，加快建设交通强国和推进交通运输现代化已成为新的战略任务[3]。随着高速动车组从“引进吸收消化”发展为“自主研发创新”，并实现“中国标准”，我国轨道交通专业科研人员经历了一段艰辛路程，当前针对高速列车相关的基础科学和应用科学问题的研究，也相应取得了一定的成果。但对于未来新一代中国高速动车组的发展仍面临许多重大技术挑战，如一系列危及行车安全、降低旅客舒适度和影响列车周围环境的列车空气动力学问题。因此，仍需强化前沿关键科技研发和加强基础理论研究，才能保证我国高速列车关键技术的创新性和前瞻性，才可能面对未来国际市场的激烈竞争，满足未来国际市场对于高速列车的严格要求和巨大竞争压力。
轨道交通专业是一个多学科交叉、行业相关性很强的领域，列车空气动力学作为其中一门十分重要的基础学科。正如空气动力学是发展航空航天的关键基础学科一样，列车空气动力学是发展轮轨和磁浮高速轨道交通的关键基础学科。列车空气动力学研究的内容不仅有类似航空航天飞行器的空气动力特性（空气阻力、升力、横向力和表面分布压力等），同时还有其特殊的空气动力学特性（列车交会压力波、列车―隧道耦合空气动力、列车风影响下道旁人员与环境所受的空气动力、大风环境下列车空气动力和列车/桥梁/路堤耦合空气动力等）。实验空气动力学作为空气动力学体系中重要的研究方法和实践环节，通过用物理实验方法来研究空气流动特性和空气流经物体时的相互作用规律，观察描述理论的物理现象并不断发展和完善基础理论。实验空气动力学作为一门重要的实践科学，是我国轨道交通列车空气动力学相关基础理论研究的主要途径和有力保障。
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一、轨道交通专业实验空气动力学课程教学现状与问题
（一）课程教学及相关研究现状
轨道交通专业实验空气动力学课程是空气动力学、车辆工程、测试技术及计算机应用于数据采集等多门学科相结合的交叉性学科，是从事列车空气动力学研究方向的研究生重要课程之一。课程主要内容包括：各种空气动力学试验设备的空气动力学原理、基本构成、模拟水平及相关的气动计算;空气动力学试验数据处理的误差理论;气流参数测量原理及方法;风洞模型试验及实验数据修正;动模型试验及实验数据采集、分析及修正;流动显示技术及原理等等。轨道交通专业实验空气动力学课程不仅可以培养学生运用实验模拟方法，研究列车、路桥、隧道及附属设施与空气相互作用产生的力学及其他物理现象，探索其流动规律，定量给出实验结果和进行分析的能力。同时为开展轨道车辆相关的空气动力学设计，采用实验模拟方法来研究列车相关空气动力学问题奠定良好的基础。
目前，针对空气动力学相关课程的教学改革较多。空气动力学是目前交通运输专业学生的必修基础课，以流体力学为铺垫，在流体静力学和流体动力学的基础上，涉及飞机在低速飞行时的空气动力特性和高速飞行时的空气动力特性[4]。周德让[5]针对高职院校空气动力学课程理论与实践进行了教学改革探索。温瑞英[6]则在对空气动力学课程现状和特点进行分析的基础上，进一步结合民航专业建设特色，从师资队伍建设、特色化扩充教学内容、接轨国际化教育和加强学生能力培养等方面对该课程进行了综合改革。朱智斌等[7]从学生和教师两个层面对空气动力学课程体系教学改革的外部因素进行归纳和研究，并有针对性地提出因地制宜的解决办法，从根本上解决当前空气动力学课程体系教学改革遇到的突出问题，促进高等院校学生创新创业能力的培养。王晓璐等[8]对空气动力学课程中引导型实验项目的教学进行了改革，提高了学生们对新实验项目的兴趣，同时也提高了学习效率。刘沛清[9]针对空气动力学课程进行了教学改革实践，通过各种实践活动，引导学生积极主动思考，从自然现象和实验结果中获得灵感、凝练问题和探索知识等，提高了学生学习兴趣、自我获得新知识和创新实践能力。王靖宇等[10]通过课程实验、开放创新实验、虚拟仿真实验和大学生创新项目等环节，着重锻炼本科生的工程实践动手能力，培养具有创新精神的高水平人才。国外对于空气动力学课程教学改革同样采用实践式学习方式，学生通过应用适当的空气动力学模型来进行车辆气动性能设计，锻炼学生实践能力[11]。这些方法在空气动力学课程教学上均起到了良好的效果，但主要面向航空航天专业和汽车专业。而目前尚没有针对双一流、新工科背景下轨道交通专业实验空气动力学课程进行教学改革的实践探索。对于轨道交通专业，实验空气动力学课程的相关教学内容与航空及汽车等专业相比存在诸多特殊之处。如何建设面向轨道交通专业的实验空气动力学课程内容，如何采取高效的教学方式与评估机制是当前亟需展开教学改革与探索的主要目标。
（二）课程教学中的关键问题
在面向轨道交通专业列车空气动力学方向研究生课程实验空气动力学的教学中，关于教学内容与教学模式上还存在诸多问题急需解决，例如以下所提到的两个关键问题。
1. 新工科背景下专业基础课程理论教学与工程研究的联动协调机制问题
实验空气动力学课程不仅理论性与实践操作性强，而且具有较强的工程应用背景。学生在课堂上接受的理论教学再多，如果没有经过实验室实际操作训练与工程应用实践，其理论知识也不能有效地转化为科技创新能力。因此，在教学中需要同时兼顾知识的继承性与先进性，教学内容既要涵盖传统的经典理论知识，又要涉及大量联系工程实践的新成果、新知识，如何在新工科背景下构建专业基础课程理论与工程研究相衔接的教学内容、处理好经典与前沿的关系已成为该课程教学改革的首要关键问题。
2. 传统型知识传授模式向多元互动型自主探索模式的教学转变问题
课堂教育仍是新形式下高等院校研究生教学活动的主要模式，在传统型“重教轻学”的课堂知识传授过程中，学生作为知识接受者，其学习主动性与思维创新性受到极大的限制。而当课堂教学模式由知识传授型向多元互动型自主探索模式转变时，学生从知识的接受者转变为知识的探究者，有利于激发学生的学习主动性和热情，拓宽学生的学习视野，并能够显著提高学生的综合素质。新工科背景下，如何建立面向国家交通强国战略需求和学科前沿的国际化交通类人才培养范式，将课堂传统型知识传授模式转向多样化教学模式，是该课程教学改革开展研究的又一关键问题。
二、轨道交通专业实验空气动力学课程教学改革探索
（一）传统与创新互补的教学内容
实验空气动力学课程主要通过物理实验方法来研究空气流动特性和空气流经物体时的相互作用规律。随着轨道车辆运行速度提高，列车与周围空气的相互作用规律越来越复杂，采用实验的方法开展列车空气动力学特性研究对于轨道车辆的发展具有重要意义。在实验空气动力学课程的传统教学内容中，主要包括了流体力学中常用的相似理论、实验数据的误差分析与处理、风洞实验测试的相关知识以及流场显示与观测技术等。因此，在保留原有经典教学内容的基础上，还需要对实验空气动力学相关知识的深度及广度等方面进行扩展和延伸，使授课内容紧跟列车空气动力学的发展前沿。
教师在讲解传统实验空气动力学内容时，可以结合最新的列车空气动力学研究，来拓展知识的广度。例如在讲解采用风洞实验来测试列车模型的气动阻力、列车风时，可以补充一些前沿科学问题研究。如列车气动阻力主动控制技术：在风洞开展列车模型阻力测试时，通过在列车头部喷射低密度气体，改变列车头部的附面层，能够降低高速列车运行过程中所受到的气动阻力，尤其是摩擦阻力，从而达到高速列车节能降耗问题;例如列车横风下安全评估技术：在风洞开展列车风测试时，通过改变列车模型与风洞风速来流方向的夹角，即可模拟列车在横风作用下运行所受空气动力的影响，由此砥拦懒谐档那愀舶踩性等;例如列车风测试时的流场显示技术：在风洞进行列车风测试时，采用PIV（粒子图像测速法）技术对列车模型周围流场的流动规律进行可视化研究等。
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实验空气动力学课程中大部分实验均在风洞中开展，传统的风洞仅能实现模拟列车在正常净空气环境下的运行状态，而不能实现模拟极端恶劣天气下列车的气动性能。因此，在课程的教学内容中可以增加环境风洞的相关内容。环境风洞可以模拟列车在风/沙/雨/雪等恶劣天气下运行时的空气动力学特性。除风洞实验平台以外，动模型实验平台也是实验空气动力学课程中教学的重要内容。传统教学中动模型实验台主要研究列车风、交会压力波及隧道压力波等方面内容，在开展动模型实验平台教学时，教师可以适当增加前沿科学研究内容，如动模型实验台可以模拟列车在隧道内发生火灾时烟雾颗粒传播规律及隧道通风性能等;动模型实验台也可研究列车通过隧道时，隧道进出口处的微气压波缓解措施研究等。通过增加这些传统教材上没有的教学内容，使得学生深入了解列车空气动力学领域的最新研究热点，扩大学生的知识面。同时，教师通过结合具体科研项目，给出详细的解决方案，加深学生对该处知识点的了解与掌握，提高学生分析问题、解决问题的能力。
（二）多元互动型自主探索的教学模式
传统型“重教轻学”的课堂知识传授过程中，学生作为知识接受者，其学习主动性与思维创新性受到极大的限制。开展传统型知识传授模式教学转变为多元互动型“教与学”的实践探索，实施激发学生学习主动性和科研创新性教学模式，是轨道交通专业实验空气动力学课程教学体系改革的重要内容。多元互动型自主探索的教学模式主要包括以下几个内容。
（1）在课程内容教学中，学生自由组合形成不同学习小组，每个小组负责一个教学内容的资料搜集、撰写和汇报，课堂汇报之前任课教师对每个小组汇报内容进行指导，在课堂汇报后，任课教师当场对每个小组的讲授内容进行补充和点评。通过自主探索学习，学生提高了知识搜集归纳能力、总结分析能力及汇报表达能力等，该教学模式下的课堂知识学习，使得学生成为主动者，教师成为指导者，极大地提高了学习效率。
（2）实验空气动力学课程中涉及风洞、风洞实验和动模型实验教学时，任课教师可将讲堂设在风洞实验室和动模型实验室。采取现场教学的方式，通过对实验装置、实验流程、实验内容等方面进行讲解，以及开展实验演示等环节。带领学生身临其境学习和探索，激发学生的学习兴趣和创新灵感。
（3）课内外有机结合，开设专题讲座，结合课程学习内容，邀请校内外具有丰富工程经验的专家对其研究项目的工程背景、研究方法及相关成果等进行介绍，构建一种“寓教于乐，寓学于研”的教学氛围，从封闭式课堂转向开放式课堂。
（三）创新探索的实践环节
通过对实验空气动力学课程内容的学习，学生们基本掌握了该课程的基本理论知识和实验测试的相关技术，为了使学生们能够更好地掌握课堂所学知识，并能达到灵活运用所学知识进行应用实践，将在该课程教学内容最后期间，增设创新探索的实践环节，该创新探索实践环节也是结课考核中的重要指标之一。
创新探索的实践环节是根据教学内容和教学模式所涉及的课程知识，依托中南大学轨道交通安全实验室的环境风洞、动模型实验平台开展自主探索的研究性实验。首先由学生自由分组，每个小组依托实验平台开展列车空气动力学相关研究，自主探索研究方向需具有创新性，并运用课程所学内容自主设计实验，各个小组完成实验研究内容并撰写实验报告。该创新探索的实践环节，可培养学生运用所学知识解决问题能力、实践动手能力和团队合作能力等。
三、提升综合素质的考核评价体系
高校教育教学改革中，其课程考核评价体系也是重要一环，课程考核评价是权衡教育目标设置与达成、提高教学质量的重要因素。当前，我国基础教育课程评价存在评价对象窄化、评价主体单一、评价方法单调和评价目标过于量化等问题。只有运用多样化的评价方法，同时评价目标摆脱过于量化现状，才能客观科学地对我国基础教育课程进行评价。
在对轨道交通专业列车空气动力学方向研究生课程实验空气动力学进行考核评价时，可运用多样化的评价方法。取消以往“一考定成绩”的考核方式，采用课程小作业+开放式小作业+小组课程任务+章节测试+自主创新探索实践报告+结课考试/结课论文的综合评价方式进行课程考核，突出学生的个人学习能力、创新能力及团队协作能力的培养，研究各个环节的权重关系，提高考核体系的科学化和合理化，建立符合轨道交通现代化教育课程的考核机制。
四、结束语
通过开展面向轨道交通专业列车空气动力学方向研究生课程实验空气动力学的教学改革实践探索。构建了一套具有鲜明轨道交通特色的实验空气动力学课程教学体系，并提出面向科研创新的课程实践环节，着重培养研究生的工程实践能力与科研创新精神，形成一套强化综合素质评价的考核机制。积极引导和开拓研究生的创新思维、自主学习能力、动手实践能力和团队协作意识，为培养服务于国家交通强国战略需求和轨道交通前沿研究领军人才的后备力量提供有力支撑。
参考文献：
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基金项目：2021年度中南大学研究生教育教学改革研究项目“‘新工科’背景下轨道交通专业实验空气动力W课程建设与教学改革”（2021JGB066）
第一作者简介：熊小慧（1978-），男，汉族，湖北天门人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为轨道交通空气动力学与行车安全、教育管理。
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