【首批国家级一流本科课程】“火箭发动机专业综合实验”

点击数:    |    加入时间:2021-05-21

北京航空航天大学于1956年在国内率先设立火箭发动机专业,2005年将分散的专业教学实验进行了汇聚、筛选和新建,突出专业性、综合性和研究性,开设了“火箭发动机专业综合实验”课程,设置在大四上学期,共120学时,包含30学时理论讲授与90学时的实验内容,目前开设教学实验项目20项,是北航宇航学院“飞行器动力工程”专业的三大主干专业课程之一,于2009年获评北京市精品课程、国家精品课程,于2020年获评国家一流本科课程(线下)。

“三线设计、一线主导”是课程的指导方针,围绕知识、能力、情感这三条主线来组织设计课程内容,并以能力线为参照坐标,来划分项目类型、安排授课顺序、设计教学方法,主导教学进程。在知识线上,不仅涵盖了火箭发动机推进剂输送、点火、燃烧、热防护以及推力产生等完整热力过程,而且面向专业前沿领域,并注重学科融合交叉。围绕能力线,设定了掌握操作技能、认知复杂实验、学习实验方法、独立策划实验四项能力递进步骤,并把实验项目分为基础操作、综合演示、引导型自主与研究型自主四种相应实验类型。配合“能力要素”的不断递进,铺设了“我爱、我能、我有责任从事航空航天”的情感线,逐步实现专业情感的诱发、陶冶、激励与升华。

“火箭发动机专业综合实验”的课程内容与结构——四层递进、指向“应用实验方法解决复杂问题”

教师团队

负责人梁国柱教授,从教30载,潜心教书育人,硕果累累,曾获北京市优秀教师(1997年)、北京市2008年度高等教育一等奖、北京航空航天大学“我爱我师——评选我心中最爱戴的老师”活动优秀教师奖、北京航空航天大学优秀主讲教师 ——“火箭发动机原理”课程(2018年)、优秀留学生指导教师(2015年、2018年)、北京航空航天大学教学优秀奖一等奖(2019年)、北京航空航天大学“立德树人”教学优秀奖(2020年)。自2015年以来,带领课程团队以实验硬件设施与实验教学方法为重点,开展了深入全面的课程建设,不仅大幅改善了本课程的硬件环境、扩展了实验教学内容,而且将思政要素有机融入到课程之中,确立了“知识、能力、情感”三条主线,并进一步通过多项教研教改课题,探索出一套专业实验教学的运行管理体系。

首任负责人(2005年至2014年)刘宇教授,作为课程创始人,带领教学团队将一门独立设置的实验课程逐步打造成校级精品课、北京市精品课与国家精品课。

执行负责人覃粒子副教授,自2006年从教以来,专心于“火箭发动机专业综合实验”的课程教学,落实课程建设方案,钻研课程改革举措,并承担了减压器特性、固体推进剂燃速测量、热防护材料烧蚀与隔热、顺逆流换热、压力传感器标定、配气操作等6项教学实验项目,作为青年骨干与课程同步发展,经历了课程的创立、进阶与壮大。

团队成员:方杰,讲师,负责“结构动力学特性”实验项目;王一白,副教授,负责“拉瓦尔喷管效率测量”实验项目;徐旭,教授,负责“超声速燃烧”教学实验项目;马彬,高级实验师,负责实验安全教学内容与教学实验室管理;汤海滨,教授,负责“先进空间推进”实验项目;袁士伟,副教授,负责“直列式安全点火”实验项目;杨文将,副教授,负责“磁悬浮单元静态特性”实验项目;郭红杰,讲师,负责“爆震波点火”、“小推力测量系统静动态性能”等实验项目;王长辉,副教授,负责“实验测试理论”讲授;俞南嘉,研究员,负责“气动谐振点火”、“双组元推进剂点火及推力性能”等实验项目;富庆飞,研究员,负责“喷注器雾化特性”实验项目;李家文,副教授,负责“离心泵特性”实验项目;袁军娅,高级工程师,负责“针栓喷注器雾化”实验项目;凌桂龙,副研究员,负责“汽蚀文氏管流量特性”实验项目;翁惠焱,副研究员,负责“推力架标定与推力测量”实验项目。

教学团队集体备课

特色经验

“自主实践性”与“交叉融合性”是火箭发动机专业综合实验的核心课程特色,充分体现了知识、设备、技能的综合以多个学科的融合。课程以学生为主体,以实验项目为核心,强调“动手操作是基础、独立实验是本质、自主研究是精华”。

针对“综合性”与“实践性”这两个主导方向,课程首先从认知、情感与技能这三个方面构建了层次分明、要点突出的目标体系,并瞄准“培养学生用实验方法解决复杂专业问题的能力”以及“促进培育学生献身航空航天事业的职业情怀”,保持目标的聚焦性。例如,针对认知类目标所涵盖的识记、领会、运用、分析、综合、评价这六个层次,将课程目标细化为可操作的具体条目,即:通过专业实验课程教学,加深学生对专业理论知识和实验理论知识的记忆与理解;使学生能正确地运用各项实验理论与方法,设计合理的实验方案;分析实验现象,处理实验数据,提炼实验结论;根据实验目的,综合自身的理论知识和实验能力,实施一项完整的研究性实验过程;评估实验结果的正确性,评价实验本身的科学性与合理性。

实验项目是课程内容的核心载体。课程涵盖了航天动力的完整热力过程,目前设置了泵、减压器、声发射燃速测量、直列式点火、喷注雾化、烧蚀与隔热、拉瓦尔喷管效率等16项巩固专业基础的实验项目,并开设了超声速燃烧和空间电推进等学科前沿实验项目以及超导磁悬浮、结构振动等4项学科交叉型实验项目。随着课程建设的不断深入、硬件条件的不断完善、科研资源的不断转化,教学实验项目的具体内容与实施方式也在不断的发展更新之中,而且每一项实验都配套编写了详细实用的实验指导书,作为学生学习实验的教本、实施实验的剧本、设计实验的蓝本。

双组元发动机点火实验       先进空间电推进演示实验      超声速燃烧演示实验

教师现场讲解爆震波点火实验的工作过程

教师现场讲解小推力测量系统静动态性能实验场景(疫情期间)

学生进行小推力测量系统静动态性能实验场景(疫情期间)

学生动手制作固体推进剂燃速测试件

学生进行热防护材料烧蚀率测试

学生测量喷注雾化粒径

在教师监督下,实验小组按照自定方案展示实验件结构动力学特性

为了让学生夯实基础知识、掌握完整的实验理论、树立牢固的安全意识,设立了30学时的理论环节,先集中讲授,再进入实验环节。根据“三线设计、一线主导”的课程方针,每名学生需在20项教学实验中至少选做13项,包括3项基础操作实验、2项系统级演示实验、5项引导型自主实验以及3项研究型自主实验;上述四类实验依次进行,让学生从“看着做”到“跟着做”,最终实现“自己做”。尤其是最后的研究型自主实验,是本课程难度最大、最具挑战性的高阶内容,也是实现学生能力与情感要素内化的关键阶段。针对研究型自主实验的教学,逐步探索实践了教与学的耦合六步法,师生联系互动紧密,课内课外环环相扣,反馈与改进贯穿始终,在保证学生充分自主的前提下,最大限度发挥教师的引导拔高作用。

研究型自主实验教与学的耦合六步法

实验前,教师对学生自拟减压器特性实验方案进行评估

实验小组长(指挥岗) 配气操作岗

控制操作岗        在数据采集岗实时讨论分析数据 减压器特性实验中各岗位分工协作

教师现场评价学生实验操作效果

课程注重思政教学,将专业能力培养与专业情感教育融为一体,用科研成果激发学生专业热情,让学生在学习掌握实验技能中陶冶专业素养,在自主实验过程中激励探究兴趣,在实验研究的团队协作中升华从事航空航天的职业情怀,并模拟航天院所的实验制度与实施模式,培养学生规范、严谨、协同、创新的实验作风。

为了保障课程的可持续发展,探索出一套行之有效的科研成果的教学转化途径,即“知识、设备、过程”三层转化模式。通过知识转化,将科研成果引进课堂、编入实验指导书;通过设备转化,开发科研设施的教学应用价值,并逐步自研自制专用教学实验装置;面向过程转化,已将7项国家级、省部级科研奖项转化出相应的教学实验项目,全方面、高质量地支撑托举专业实验教学。

“火箭发动机专业综合实验”围绕“火箭发动机”这一特色领域,在学校及学院持续十多年的高强度支持下,不仅建设了先进的教学硬件设施,并展现出面向“独立实验研究能力”这一核心目标所设计的递进式教学内容、能力培养与情感培育相融合的教学过程、顶尖科研成果持续滋养的教学环境、潜心教学热爱实验亦师亦友的师生情,是北航航空航天类专业的一门代表性课程。

6000平方米单层实验室

在后续课程建设中,将继续强化自主性与研究性,突出探究性要素,让学生更自由选题,自定目标,自组系统,用实验解答疑问;同时解决探究性与自主性不断增强所带来的教学评价问题,积极引入新型评价方式与先进信息技术工具,提高评价过程的实时性、客观性与全面性。

专业教学实验课程不仅是理解运用专业知识的讲台,更是锤炼专业能力与素养的平台,还是预演未来职业活动的舞台,需要加强与其他专业课程的教学关联性,突破课程条框限制,围绕培养一流专业人才的统一目标,充分发挥专业实践课程在育能育心育人方面的重要作用,实现内容耦合、过程连续、节奏协调、要求一致,让学生得到持续性高效率的训练,由点到面提升专业人才培养的整体质量。

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