虛擬實驗在航空發(fā)動機教學中的應用與思考

郭 慶，趙洪利，閆國華

（中國民航大學航空工程學院，天津 300300）

虛擬實驗在航空發(fā)動機教學中的應用與思考

郭 慶，趙洪利，閆國華

（中國民航大學航空工程學院，天津 300300）

從飛行器動力工程專業(yè)培養(yǎng)目標出發(fā)，針對實驗教學面臨的諸多問題，提出通過虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)實驗教學的模式創(chuàng)新，探討了虛擬實驗建設目標和解決方案，并介紹了虛擬實驗在專業(yè)課教學中的應用情況，實踐結(jié)果顯示虛擬實驗教學效果良好，得到師生的高度認可，最后詳細闡述了虛擬實驗教學的經(jīng)驗。

虛擬現(xiàn)實；VRML；民航發(fā)動機；信息化教育

虛擬現(xiàn)實技術作為教育信息化的一種手段已被廣泛認同并被應用于教學實踐。中國民航大學飛行器動力工程專業(yè)的部分教師從2005年開始開發(fā)3D航空發(fā)動機關鍵部件電子課件，到目前已開發(fā)出“民航發(fā)動機虛擬維修教學系統(tǒng)”應用于虛擬實驗教學，8年的不斷實踐與完善，取得了一定的經(jīng)驗與教訓。

1 傳統(tǒng)實驗教學面臨的問題

實驗教學是大學工科教育的特色，也是工程技術人才培養(yǎng)的重要手段。中國民航大學飛行器動力工程專業(yè)主要教學和科研方向為民用航空發(fā)動機科學使用與維修，該專業(yè)發(fā)動機實踐類課程占有很大比重。目前傳統(tǒng)的實驗教學面臨資金投入大，專業(yè)航發(fā)設備購置困難，實驗內(nèi)容陳舊落后，部分實驗存在安全隱患等諸多問題。顯然，傳統(tǒng)的實驗教學已不能滿足當前實驗教學和人才培養(yǎng)的需求。

利用計算機技術和虛擬現(xiàn)實技術構(gòu)建虛擬實驗平臺，代替實物教學，不但可以滿足實驗教學的需要，而且降低了教學成本。虛擬現(xiàn)實技術為信息化教學新媒體應用開辟了一條道路，使個性化實踐教學真正成為可能。同時，虛擬現(xiàn)實技術已成為實驗教學研究的重要方面，許多大中專院校都在積極開展研究和探索[1-2]。早在2008年，科技部就啟動了“十一五”國家科技支撐重點計劃“虛擬實驗教學環(huán)境關鍵技術研究與應用示范”，該計劃涉及虛擬實驗的開發(fā)、評價與管理規(guī)范，以及虛擬實驗教學可視化設計關鍵技術等內(nèi)容。2010年，教育部公布了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》，文中明確強調(diào)加快教育信息化進程，加強優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)與應用，提出開發(fā)建立虛擬實驗室的要求[3-5]。由此可見，國家對虛擬實驗及其應用非常重視。

虛擬實驗建設是一個系統(tǒng)工程，為了更好地滿足實際教學要求，課題組首先進行了詳細的教學需求分析，制定出虛擬實驗建設的目的。

1）傳統(tǒng)發(fā)動機實踐教學內(nèi)容陳舊，偏于軍機，民航特色不明顯。虛擬實驗應能解決教學內(nèi)容偏離民航企業(yè)實際需求的問題。

2）傳統(tǒng)的民航發(fā)動機價格昂貴、維護保管耗費大量的人力和物力，而且，學校辦學規(guī)模不斷擴大，使得設備投入問題越發(fā)困難。虛擬實驗應能降低教學設備投入成本。

3）傳統(tǒng)發(fā)動機教學內(nèi)容抽象，理解困難，實踐過程中鑒于安全考慮，許多實踐無法開展。虛擬實驗應能形象直觀，保障人機安全，激發(fā)學生興趣，提高教學效果與質(zhì)量。

2 虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建

虛擬現(xiàn)實技術涉及三維建模、人機交互、數(shù)字化控制等技術。課程組專業(yè)教師將先進的虛擬現(xiàn)實技術應用于實驗教學，對民航發(fā)動機實驗教學進行改革創(chuàng)新。研發(fā)了具有民航機務特色的《民航發(fā)動機虛擬維修教學系統(tǒng)》。虛擬維修系統(tǒng)設計的目的是把虛擬現(xiàn)實技術作為學生的認知工具，將其整合到學科教學中去，使學生形象地建立起客觀世界，有效地提高實驗教學質(zhì)量，激發(fā)學生學習興趣，真正提高學生的機務工程實踐能力。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖Fig.1 System development flow chart

系統(tǒng)開發(fā)遵循“體現(xiàn)民航特色，滿足教學需求”的宗旨，內(nèi)容涵蓋了發(fā)動機認知實習和機務實習，具體開發(fā)虛擬實驗內(nèi)容如下。

2.1 發(fā)動機電子樣機

電子樣機是綜合應用三維數(shù)字樣機（DMU）技術與虛擬現(xiàn)實（VR）技術對發(fā)動機進行真實化模擬，滿足實踐教學的各種功能，提供航線維護、基地修理的模擬環(huán)境。根據(jù)中國民航機隊實際情況，本系統(tǒng)以B737和A320的動力裝置CFM56與V2500為開發(fā)對象，以航線維護與基地修理經(jīng)常出現(xiàn)的工作任務為研究對象，進行虛擬仿真設計。

電子樣機開發(fā)的內(nèi)容主要有：①CFM56和V2500整機模型；②機型的本體結(jié)構(gòu)，主要是風扇單元體，核心機單元體（包含高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪3個子單元體），低壓渦輪單元體等；③主要系統(tǒng)及部件，如空氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)等。

2.2 圖解零件目錄

圖解零件目錄（illustrated parts catalog，IPC）的體現(xiàn)形式是部件二維圖和相應的零件目錄表，為機務和工程技術人員提供飛機發(fā)動機所有可更換的零部件的件號、名稱等重要信息。IPC在教學上經(jīng)常用來展示發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖以及部件之間的關聯(lián)關系。在早期教學過程中起到了一定的作用。由于現(xiàn)代發(fā)動機結(jié)構(gòu)越來越復雜，傳統(tǒng)的二維插圖已無法滿足教學使用，因此，利用仿真技術開發(fā)的三維IPC用于課堂教學和實踐教學可起到加深學生認知的效果。通過三維演示可直觀理解發(fā)動機布局和系統(tǒng)組成，清楚表達發(fā)動機和部件的結(jié)構(gòu)，以及發(fā)動機各單元體間結(jié)構(gòu)關系和裝拆關系，充分展現(xiàn)發(fā)動機及各零部件內(nèi)部的層次關系。

虛擬維修系統(tǒng)開發(fā)的IPC是根據(jù) CFM56和V2500發(fā)動機IPC手冊進行編寫，其圖形窗口顯示與三維CAD軟件風格完全一致，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放、移動、透視和爆炸等諸多功能。系統(tǒng)用三維爆炸圖來描述復雜產(chǎn)品零部件之間的關系，使其清晰易懂。零部件圖形和零部件列表是智能關聯(lián)，用鼠標點擊圖形后，其對應的零部件列表中內(nèi)容也會高亮顯示，反之亦然，極大提高了學生對零部件識別的效率，同時也保證了零部件查閱的準確性。此種形式有效地改進了教與學之間的交流方式，徹底避免了對于結(jié)構(gòu)復雜部件無法描述或描述不清的情況，提高了學生對零部件認知能力，從而減少識別錯誤。

2.3 維修手冊

維修手冊（MANUAL）模塊根據(jù)B737和A320的AMM手冊中常用的航線維護程序內(nèi)容編寫的，其主要目的在于：①使同學了解發(fā)動機專業(yè)課程中介紹的內(nèi)容在實際中的應用，使教學內(nèi)容與工程實踐緊密聯(lián)系，加深學生的認識；②使學生熟悉今后的工作，為將來的工作奠定基礎。

該模塊用三維動畫形象直觀地展示典型航線維修工作的操作過程，減少文字的描述。系統(tǒng)將操作動畫和文本同時關聯(lián)起來，學生可觀察發(fā)動機每一步的拆裝動畫，并與三維模型隨時交互，如轉(zhuǎn)動、局部放大、閱讀相關聯(lián)的文檔等。學生可從不同角度充分了解各個部件是如何維修的。使用過程中，學生可順序觀看，也可根據(jù)需要選擇性觀看，大大提高了學習過程的自主性。對于原手冊中的警告、注意事項等內(nèi)容，系統(tǒng)在相關步驟演示過程中適時地通過對話框加以提示，有效地實現(xiàn)了拆裝維修時的警示作用。

3 虛擬實驗的應用現(xiàn)狀

3.1 應用情況

基于虛擬現(xiàn)實的維修系統(tǒng)以光盤為載體便于攜帶，已廣泛應用于航空發(fā)動機類的課堂演示教學及實踐教學，現(xiàn)已在如下課程中應用。

1）航空發(fā)動機構(gòu)造課程

以中國民航常用典型發(fā)動機為重點，反映民航發(fā)動機新技術，培養(yǎng)學生民航發(fā)動機結(jié)構(gòu)分析的能力，使學生掌握航空發(fā)動機的類型及特點、航空發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)、主要部件結(jié)構(gòu)、主要工作系統(tǒng)的功用、組成和工作過程，演示效果如圖2和圖3所示。

圖2 CFM56部件識別模塊Fig.2 CFM56 component identification module

圖3 虛擬實驗系統(tǒng)應用實例Fig.3 Virtual experiment system application

2）航空發(fā)動機維修技術課程

以中國民航常用典型發(fā)動機為重點，反映民航發(fā)動機維修技術，培養(yǎng)學生維修民航發(fā)動機的能力，通過課程的學習，使學生掌握航空發(fā)動機的航線維護與內(nèi)場修理的流程與方法，演示效果如圖4所示。

圖4 V2500起動機拆卸演示Fig.4 V2500 starter removal demo

3）航空動力裝置課程

以民航發(fā)動機CFM56為講授對象，主要介紹發(fā)動機本體結(jié)構(gòu)及各系統(tǒng)的組成與工作原理?，F(xiàn)已開發(fā)出CFM56關鍵系統(tǒng)的虛擬實踐模塊，包括重要系統(tǒng)各零部件的關聯(lián)信息，結(jié)構(gòu)展示、工作原理和控制原理演示等方面的功能，演示效果如圖5所示。

圖5 CFM56 HPTACC活門工作原理演示Fig.5 CFM56 HPTACC valve operation demo

3.2 應用效果

1）彌補傳統(tǒng)教學不足 “民航發(fā)動機虛擬維修教學系統(tǒng)”應用于課堂教學，取得良好效果，有效地解決了傳統(tǒng)實踐教學無法實現(xiàn)的內(nèi)容，如表1所示。從表中不難看出，虛擬實驗教學在教學內(nèi)容上更貼近民航實際機型和機務維修工作。因此，將虛擬現(xiàn)實技術科學合理地應用于教學對推動實驗教學改革，促進實驗教學發(fā)展具有重要意義。

2）提高教學質(zhì)量 人對外部世界的認知約75%來源于視覺；然而，傳統(tǒng)的發(fā)動機課堂教學，基本停留在以教師講解為主，整個過程學生只是一個被動的接受者，不利于學生的學習。虛擬維修系統(tǒng)以現(xiàn)實世界的發(fā)動機數(shù)據(jù)為基礎建模，采用三維圖形表現(xiàn)虛擬世界，將其應用于航空發(fā)動機教學中，教學效果、教學質(zhì)量和學生創(chuàng)新能力都有較大程度的提高。這種實踐教學模式符合現(xiàn)代民航企業(yè)對機務工程人員的要求，因此具有較強的生命力，該系統(tǒng)在2008—2010級發(fā)動機構(gòu)造課程中得到了全面應用，根據(jù)學校教學系統(tǒng)統(tǒng)計及課題組所做的調(diào)查，結(jié)果表明：①虛擬實踐與傳統(tǒng)實體實踐的手段相比，具有新穎性，能激發(fā)學生的興趣和吸引學生的注意力；②在能力培養(yǎng)方面，虛擬實踐對學生的抽象思維能力的培養(yǎng)和推理分析能力的培養(yǎng)效果比較理想；③學生對系統(tǒng)輔助教學的效果認可度高，從學校教學質(zhì)量數(shù)據(jù)中可看出，2008、2009級學生對使用該系統(tǒng)的航空發(fā)動機構(gòu)造與系統(tǒng)所有任課老師的總體評價成績平均值達到95分以上，且在“針對教學內(nèi)容，合理運用教學方法與手段，且效果好”單項評定中，滿意度平均值達到94.5%以上，2項結(jié)果明顯高于未使用該系統(tǒng)的前幾屆學生，如圖6所示。

表1 傳統(tǒng)實物教學與虛擬實踐教學比較Tab.1 Comparison between traditional and virtual training

4 結(jié)語

綜上所述，虛擬實驗教學已經(jīng)實踐了數(shù)年，有效解決了教學實踐的諸多問題，得到廣大教師和學生的認可，分析其原因可歸結(jié)為以下幾點。

1）培訓內(nèi)容科學，充分體現(xiàn)民航特色 教學內(nèi)容是學與教相互作用過程中有意傳遞的主要信息，虛擬教學系統(tǒng)設計的內(nèi)容是作為教學內(nèi)容的一個“載體”，是發(fā)揮實際作用的教學內(nèi)容。中國民航大學飛行器動力工程專業(yè)課程有著鮮明的民航特色，教學內(nèi)容側(cè)重于民航發(fā)動機的科學使用、維護和修理。為滿足學科特點，民航發(fā)動機虛擬維修教學系統(tǒng)以CFM56和V2500為研究對象，有效地填補了現(xiàn)代民航發(fā)動機結(jié)構(gòu)和維護教學素材的空白。同時，系統(tǒng)內(nèi)容以飛機維護手冊和航發(fā)制造商的各種技術文檔為基礎，實現(xiàn)了教學內(nèi)容的規(guī)范化和標準化。虛擬系統(tǒng)培訓內(nèi)容全部是現(xiàn)階段航空公司的主力機型，培訓內(nèi)容規(guī)范和權(quán)威，能滿足企業(yè)實際工程需求，因此得到學生的普遍歡迎。

圖6 航空發(fā)動機構(gòu)造課程近年學生評價Fig.6 Student’s course feedback of Aero-Engine Structure in recent years

2）電子樣機技術先進，滿足課堂教學要求 由于采用新型輕量化設計，3D文件容量大幅減少，實現(xiàn)了教學模型瀏覽刷新速度快，仿真效果好等特點。電子樣機的數(shù)據(jù)量由原來的十幾個G，減少到幾百M，頁面刷新由原來的兩三分鐘，縮短到十幾秒，充分節(jié)省了課堂教學時間，滿足了課堂教學的使用要求。同時，利用虛擬現(xiàn)實技術，可隨著引入的新發(fā)動機，對仿真機型進行升級更新，為教學內(nèi)容緊跟企業(yè)需求奠定了基礎，解決了教學與民航實際脫節(jié)的問題。同時，有效地彌補了教學資源的不足，降低了教學成本。最終實現(xiàn)將發(fā)動機“裝進”教室的目的。

3）交互功能友好，激發(fā)學習興趣 傳統(tǒng)發(fā)動機理論課教學枯燥無味，教學效果不佳。為真正發(fā)揮虛擬實驗的作用，系統(tǒng)的設計汲取前人經(jīng)驗，以學生為中心，而不是以技術為中心，重視使用者的操作體驗，激發(fā)興趣，提高了學員的參與程度。通過采用HTML+ VRML+JAVASCRIPT平臺，設計開發(fā)了交互功能，系統(tǒng)界面以菜單、圖符、窗口為主，從使用者角度考慮捕捉交互意向，提高界面交互的自然性和高效性。與早期的虛擬技術相比，具有卓越的演示能力，不僅能夠?qū)桨l(fā)設備復雜隱蔽區(qū)域進行立體展示，還能模擬關鍵系統(tǒng)的工作原理，更突破了機務培訓實習項目在真機上實施困難的瓶頸，保障人機安全，改善教學效果。

4）教學模式新穎，提高教學效果與質(zhì)量 先進的教學設施，為教學模式創(chuàng)新提供了物質(zhì)基礎。針對工程教育的特點和學生的認知規(guī)律，將抽象的教學內(nèi)容轉(zhuǎn)化為虛擬場景下的仿真演示，實現(xiàn)了情境式課堂教學模式。由于給學生創(chuàng)設了真實學習情境，可以幫助學生獲得示范性的知識，把握概念原理的實質(zhì)。航空發(fā)動機情境式教學模式實現(xiàn)了工程應用與教學的完美結(jié)合，擴大了課堂容量，增加了學生的互動體驗，實現(xiàn)了教學效益最優(yōu)化，完善了教學改革內(nèi)涵。

[1]馬岑睿，嚴 聰，張成濤.火箭發(fā)動機工作過程仿真實驗教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（9）：148-151.

[2]郭美榮，侴愛輝，夏德宏，等.可視化教學法在實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2012，31（11）：128-130.

[3]葛 巖，楊 雪.國內(nèi)虛擬實驗研究的定量分析[J].實驗技術與管理，2012，29（6）：99-102，124.

[4]黃榮懷，鄭蘭琴，程 薇.虛擬實驗及其學習者可信度認知[J].開放教育研究，2012，18（6）：9-15.

[5]蔣耘晨.虛擬實驗室技術[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

（責任編輯：黃 月）

圖2 在控制器（18）下的系統(tǒng)誤差ei1（t），ei2（t）,ei3（t）Fig.2 Synchionization errors ei1（t）,ei2（t）,ei3（t）under updating law(18)

參考文獻：

[1]YANG Y，CAO J.Exponential synchronization of the complex dynamical networks with a coupling delay and impulsive effects[J].Nonlinear Anal Real World Appl，2010（11）：1650-1659.

[2]HE W，CAO J.Generalized synchronization of chaotic systems：The auxiliary system approach via matrix measure[J].Chaos，2009，19（1）：013118-1-013118-10.

[3]GUO W，AUSTIN F，CHEN S，et al.Pinning synchronization of the complex networks with non-delayed and delayed coupling[J].Physical A，2009，373：1565-1572.

[4]LOU K，CUI B，ZHANG X.Adaptive synchronization of two complex networks with delayed and non-delayed coupling[J].Arab J Math，2012（1）：219-226.

[5]BOYD S，ELGHAOUI L，F(xiàn)ERON E，et al.Linear Matrix Inequalities in System and Control Theory[M].Philadelphia：SIAM，1994.

[6]WANG B，GUAN Z.Chaos synchronization in general complex dynamical networks with coupling delays[J].Nonlinear Anal，2010（11）：1925-1932.

[7]WANG G，CAO J，LU J.Outer synchronization between two nonidentical networks with circumstance noise[J].Physica，2010，A389：1480-1488.

（責任編輯：黨亞茹）

Application and reflection of virtual experiment in aero-engine teaching

GUO Qing，ZHAO Hong-li，YAN Guo-hua
（College of Aeronautical Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

Starting from the training aim of Aircraft Dynamic Engineering and problems occurred in experiment teaching, virtual experiment is put forward to promote experiment teaching innovation.The constructing objectives and corresponding solutions of virtual experiment teaching are discussed;meanwhile,some practical instances in professional course teaching are introduced,proving the sound effectiveness of this approach and positive feedbacks from teachers and students.Finally,some reflections about virtual experiment teaching are elaborated in details.

virtual experiment；VRML；aero-engine；informationized education

V23；G43

：A

：1674-5590（2014）06-0060-05

2013-09-01；

：2014-03-14

天津市普通高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革研究計劃項目；中國民航大學教育教學改革研究課題（CAUC-ETRN-2013-12）

郭慶（1976—），男，湖南臨武人，副教授，研究方向為數(shù)字化維修技術.