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工程师培养模式下的流体力学教学实践与创新

添加时间:2017-10-03 13:26  所属栏目:工程师论文 来源:未知 作者:胥帆

  [摘 要]中欧航空工程师学院系统引入法国工程师培养模式,其课程教学与传统工科教育模式相比具有鲜明特色。本文以流体力学课程为例,围绕该课程的课堂教学、实验创新、项目化作业管理等教学实践和创新展开分析与总结,为面向工程能力培养的大学课程教学改革提供了新思路。
  
  [关键词]工程师培养模式;流体力学;教学实践;创新
  
  当今世界正处于第四次工业化革命浪潮前夕,在经济全球化、竞争国际化的发展态势下[1],如何调整和革新大学人才培养目标,与国家和社会的需求对接,培养具有卓越工程实践和创新能力的国际化复合型人才,成为我国高校工程化教育改革和发展的热点问题。[2][3][4]
  
  中欧航空工程师学院是中国民航大学与法国航空航天大学校集团(GEA)联合创办的国内首个航空类“工程师学院”.为让学生适应激烈的国际化竞争环境,学院采用多元化师资团队,一流的实验教学环境,跨学科学术交流等方式,致力于培养既有扎实的航空专业背景理论知识又有熟练的法语及英语应用能力的复合型工程人才。为了加强对学生的工程能力培养,学院采用法国工程师教育模式对本科生专业课程进行了全面改革,具有许多鲜明的特色,实现了教学模式的探索、实践和创新。
  
  流体力学作为中欧航空工程师学院本科生的专业基础课程,具有理论性强、应用面广的特点。本文以该门课程为例,从课堂教学模式、实验教学创新和项目化作业管理等方面对其教学实践活动进行分析和总结,为面向学生工程能力培养的课程教学改革提供参考。
  
  一、法国工程师培养模式特点
  
  法国工程师教育学制一般为5年:两年预科教育+三年工程师教育。工程师学院学生完成学制培养并经过严格的考核程序后,可获得法国工程师学位职衔委员会(CTI)颁发的工程师学位证书。
  
  法国工程师教育体系坚持严格的选拔制度,规模小,专业具有多样性和丰富性,是典型的精英培养模式。优秀的高中毕业生(排名前10%~15%的学生)先在预科学校接受2年培养力度很大,较为全面的数学及物理相关科学理论基础教育,再需通过严格的选拔考试,才有资格进入理想的工程师学院。
  
  法国工程师教育培养模式的突出优势是紧密与工程实践相结合。工程师学校与企业之间具备坚实的沟通合作基础,教学环境与工业界实际技术环境接近甚至同一。例如,法国高等航空航天学院(ISAE)与空客公司建有联合实验室,ISAE定期聘请空客的工程技术专家为学生授课。工程师学校与企业这种紧密联系往往又成为此类学校的突出特点。法国工程师学校对任课教师也坚持高标准的要求,这主要体现在对教师的学术和专业工程背景的严格考核。上述特点使得法国工程师学位成为法国认可程度最高的硕士学位,在国际上也享有很高声誉。
  
  二、传统工科大学流体力学课程教学存在的一些问题
  
  面向工程应用的工科大学生的培养,不仅仅需要满足知识的传授,更重要的是能力的培养。这种能力主要是运用所学理论知识分析和解决工程实际问题的能力。然而,在流体力学课程的教学活动实践中,工科大学的一些传统教学方法已经明显不适应现代工程教育和人才培养的要求,具体体现在:
  
  (一)教师理论灌输为主,学生死记硬背多
  
  流体力学与其他力学课程不同,它包含的知识点非常多,且概念比较抽象,学生不容易理解。例如欧拉法和拉格朗日法的区别,流线、迹线、脉线的概念等。为了在有限课时的条件下完成教学任务,教师往往采取传统的黑板、粉笔和PPT讲授的方式来进行繁多的知识点的讲解。学生学习的时候往往也会被众多知识难点和灵活的变化所困,采用死记硬背的方式来面对,这样使学生的工程能力提高有限。
  
  (二)教学方法单一,未有效利用计算机等现代科技手段
  
  计算机科学和数值计算方法的发展,使得一些原来用理论解无法解决的复杂流体力学问题存在了求解的可能性。计算流体力学(CFD)早已在工业界获得了广泛的应用,成为工程设计的重要手段。市场上的CFD商业软件已经比较成熟,可以对比较复杂的几何外形进行高逼真度的模拟仿真,已有的CFD技术可以为企业所遇到的流体力学问题提供高精度和可靠的解决手段。[5]众所周知,研究流体力学的方法包括理论分析、实验研究和数值计算等三种手段,然而,多年以来,流体力学课程教学主要还是以经典的理论分析为主,少量实验为辅,计算机数值计算手段的应用较少,与工程应用脱节现象比较严重。
  
  (三)实验教学以验证性实验为主,缺乏创新
  
  目前大学实验室主要还是以验证性实验为主,学生动脑和创新设计的空间不多。实际上,这些验证性实验的理论大部分已经在课堂上反复讲解过,学生如果已经掌握了相关的知识点,则对占据时间较多、挑战性不大的此类实验积极性较低。法国工程师学校为了让学生对知识点有更直观的理解,设置了大量的演示性实验,减少实验时间的同时增加了学生学习的兴趣,值得我们学习。
  
  三、流体力学课程教学实践与创新的主要工作
  
  中欧航空工程师学院在充分学习和吸收法国工程师教育体系精髓的基础上,开展了一系列有益的课程教学模式的探索和实践,积极实现企业人才的供给侧改革。工程师模式下的流体力学课程教学改革实施的主要工作包括:课堂授课模式的改变、实验教学创新和项目化作业管理等。此项改革在满足最基本的理论知识传授的基础之上,激发了学生主动性和积极性,提高了学生的综合能力和工程创新能力。
  
  (一)习题授课新模式激活大学课堂
  
  与传统大学课堂教师在讲台上讲授,学生在课堂听讲,课后独立完成作业的方式不同,法国工程师培养的专业课程授课模式采取“大课+习题课”的方式来进行,习题课占据的比例很大。以流体力学为例,整个课程为44标准学时,大课(course)和习题课(TD)的比例约为3∶5.大课授课时所有学生都要求参加,教师将理论基础内容快速讲一遍,不具体展开细节;大课集中授课完成一部分章节内容后,会随之安排小班化授课的习题课。每次习题课学生人数规模控制在10~15人左右,确保教学质量。习题课一般围绕大课所涉及的知识点进行,重点是知识的运用。习题课上教师一般不灌输内容,而是以辅导学生做题的形式展开,鼓励学生到讲台上完成部分运算过程,教师对其进行修正。教师如果在习题课上发现学生有了比较普遍的问题,才会集中讲解一下。
  
  从授课方式来看,法国的工程师教育体系非常重视学生对知识灵活运用方面的训练。习题小班化的授课模式完全颠覆了传统工科大学的授课方式,完成了教学流程和教学活动角色的双重转变。该转变让教师从传统课堂的知识讲授者变为学习的指导者和帮助者,从学生的管理者变为课堂活动的组织者和合作者。学生在对课程内容理解的基础上,能够在一定的程度上成为课堂活动的解惑者。该授课模式对教师的选题水平提出了很高的要求。教师需要设计紧密联系大课授课内容、工程应用程度高、难易程度适中的选题来引导学生,鼓励学生,允许学生试错,让其成为用智慧解决问题的主体,这样才能将各种典型的问题暴露出来,从而提高学生在实际工作中遇到问题后解决问题的能力。
  
  从流体力学这门课程的教学实践活动反馈来看,学生非常欢迎这种授课模式。该模式大大活跃了课堂气氛,学生成为课堂主体,可以大胆表达自己的观点,提升了学生的创造和创新能力,一改传统大学课堂刻板沉闷的气氛。
  
  (二)实验教学手段创新,师资多元化
  
  流体力学课程的实验教学除了验证性实验,还开发了一些演示性实验,用于帮助学生直观理解流体力学中比较抽象的概念。例如,基于二期民用飞机发动机虚拟仿真教学实验平台,我们开发了发动机内流场的虚拟仿真实验(见图1)、包含速度三角形计算的压气机和涡轮叶片气动性能实验(见图2)等。
  
  通过以上简单直观的演示性实验,不仅可以开阔学生视野,还可以增强学生对抽象知识点的理解,培养其解决问题的能力,激发其学习兴趣。
  
  流体力学的实验教学采用了多元化的师资,除了直接聘请法国工程师学校教授授课以外,还从航空企业聘用经验丰富、理论扎实、技术过硬的工程师给学生授课。一般而言,我国传统工科院校实验教师队伍的整体水平明显低于理论课教师,有些高校甚至将实验教师归到教辅系列,这无疑弱化了实验教学的功能和地位。高水平、高学历的专家参与流体力学实验教学和研究的工作,做到理论联系实际,这是流体力学课程教学改革的另一大特色。此类实验课程选题往往直接来自企业工程实际,缩短了学生到企业中再反复摸索的过程,受到学生的热烈欢迎。
  
  (三)项目化作业管理
  
  CTI对工程师做出了如下定义:“工程师能够提出,并出色而具创新性地解决有关产品、系统、服务,甚至是资金及商业化竞争机制中出现的发明、设计、生产和实施等复杂问题。”[6]鉴于我国工业现状,大多数工业企业还不具备对工科大学毕业生进行工程素质培训的能力[7],因此中欧航空工程师学院在本科生培养阶段,鼓励平日的课程教学采用项目化的管理模式来完成大作业,强调由学生组成项目团队,一起完成考核。
  
  在给流体力学课程设计和布置学生作业过程中,我们会要求学生采取项目化管理方式分组完成某个专题的任务。考核的过程中第一步是让学生自由组成团队,接下来以团队形式完成项目设计,最后进行答辩。每位学生都被要求参与并展示自己对团队工作的贡献,最后教师给整个团队打分。这种考评方式在法国工程师授课过程中很常见,并且被认为是法国工程师教育培养体系非常重要的一个组成部分。通过这种以团队形式进行考核的方式,学生在完成作业的过程中,必须充分发挥团队协作的精神,综合运用所学的知识、理论和新技术去一起解决相对比较复杂的综合性的问题。团队完成作业的过程需要每个人都发挥主体创造性,积极分工合作才能收获比较理想的效果。
  
  在流体力学的课程教学活动中积极实践这种以团队为基础分析问题和合作解决问题的培养模式,能快速提升学生的团队协作精神,有助于他们毕业后适应国际化激烈竞争环境下越来越复杂的多学科耦合的工程项目现状。
  
  四、总结与展望
  
  综上所述,中欧航空工程师学院通过引进法国工程师教育优质资源,融合中法高等工程教育标准,创新高校工程人才培养模式,在课程教学模式改革上进行了卓有成效的突破和实践。与我国传统工科教学模式相比,法国工程师培养模式课程教学有着授课方式灵活、重视知识运用和实验创新等特点。当然,我们在按照法国工程师培养模式对流体力学课程教学进行改革的过程中也发现了一些问题,结合已有的经验,可以重点围绕以下方面尝试改进。
  
  (一)加强高校教师工程实践背景
  
  工科大学的核心任务是为社会培养工程人才。在构建多元化师资团队方面,除了积极引进具有企业工程背景的高级技术人才作为师资,还应该大力提倡现有师资团队深入企业,主动增强自身企业工程实践背景,做到理论联系实际,从而提升自身的课程执教水平。
  
  (二)改进教学与实践评价体系
  
  当前高校对教师的评价体系普遍以学术成果为导向,即主要看教师发表的学术论文或出版的学术专着。事实上,这种一刀切的评价机制虽然便于管理,却有失偏颇。随着时代的发展,教师的门槛越来越高,如何评价教师在学术研究以外的工作和贡献,是目前高校工程教育改革所面临的普遍问题。能否从制度上保障教师能将更多的精力投入专业课程教学中,从而提升工程教育水平是需要长期考虑的战略问题。

  [参考文献]

  [1] William C. Lyons. U.S.and International Engineering Edu?鄄cation: A vision of Engineering’s Future [J]. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice,2000(10):152-155.
  [2] 葛欣.基于大理科模式的拔尖学生培养的探索与实践[J].大学教育,2016(3):46-47.
  [3] 徐平,殷传涛,陈辉,等.通用工程师与硕士培养模式融合的研究与实践[J].高等工程教育研究,2013(5):25-30.
  [4] 于麗君,苏志刚,陈亚军,等.卓越航空工程师教育培养模式探索[J].现代教育科学,2013(6):164-167.
  [5] 谢翠丽,倪玲英.《工程流体力学》本科课程引入CFD教学的探讨[J].力学与实践,2013(35):91-93.
  [6] 熊璋,于黎明,徐平,等.法国工程师学历教育认证指南[M].北京:科学出版社,2012.
  [7] 张海英.工科院校应该以培养工程师为主[J].高等工程教育研究,2005(3):1-4.

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