航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制課程團(tuán)隊(duì)式教學(xué)模式的改革與探索

符江鋒 緱林峰 李華聰 馬靜

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制課程是飛行器動(dòng)力工程核心專業(yè)課程，該課程的教學(xué)效果不僅對(duì)于學(xué)生理解理論知識(shí)具有關(guān)鍵作用，還對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。文章通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)課程的理論教學(xué)進(jìn)行兩結(jié)合一調(diào)整的改革探索，并充分利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)情景演示教學(xué)平臺(tái)與控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性。其次在航空發(fā)動(dòng)機(jī)原有教材的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)科的教學(xué)要求以及近年來(lái)行業(yè)的發(fā)展方向進(jìn)行教材知識(shí)內(nèi)容的更新，最后以教學(xué)團(tuán)隊(duì)模式構(gòu)建更加科學(xué)合理的課程體系和教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行課程體系建設(shè)與改革。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、教材內(nèi)容更新和教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)三個(gè)方面進(jìn)行了有益的改革探索，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制；教學(xué)改革；團(tuán)隊(duì)建設(shè)；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）17-0130-03

Abstract： The Aero-Engine Control is one of the major courses of Aircraft Power Engineering majors. The teaching effect of this course is not only crucial for students to understand theoretical knowledge， but also for cultivating students' practical ability. This thesis adjusts and reforms the theoretical teaching of the Aero-Engine Control， making full use of the aero-engine scenario demonstration teaching platform and the control system rapid prototyping experimental platform to break through the limitations of traditional experimental teaching. Then， based on the original teaching materials of aviation engines， combined with the teaching requirements of the curriculum and the development of the industry in recent years， the teaching materials is updated. Finally， a more scientific and reasonable curriculum system and teaching team is constructed. Through the reform of theory and experiment teaching， the way of updating the teaching content and constructing the teaching team are discussed， which has effectively stimulated students' interest in learning and improved students' comprehensive practical ability and innovative ability.

Keywords： aero-engine control； teaching reform； team building； innovation ability

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)/航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制元件是飛行器動(dòng)力工程專業(yè)本科生高年級(jí)的一門專業(yè)核心課程，該課程涉及“航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理”、“自動(dòng)控制原理”、“計(jì)算機(jī)控制”、“電工電子技術(shù)”及“液壓傳動(dòng)與伺服控制”等諸多課程，是從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作的專業(yè)核心課程[1]。該課程綜合了大量的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有承前啟后的重要作用。相比與其他控制專業(yè)類課程，還具有一些顯著的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)特點(diǎn)。首先，所研究的控制對(duì)象航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一極其復(fù)雜的氣動(dòng)熱力機(jī)械，前期涉及課程較多，基礎(chǔ)知識(shí)涉及面廣，所以學(xué)習(xí)中容易出現(xiàn)前后知識(shí)銜接不暢等問(wèn)題；其次，課程教學(xué)中一項(xiàng)重要內(nèi)容是講解發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理等，在不便于實(shí)物展示的情況下，依靠傳統(tǒng)教學(xué)手段，學(xué)生往往不能直觀深入理解教學(xué)內(nèi)容；再者作為3C之一的控制理論處于迅猛發(fā)展中，新理論新方法層出不窮，其也使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制研究的熱點(diǎn)不斷，原有的教材尚未將最新研究補(bǔ)充和更新，以上因素都增加了課程“教”與“學(xué)”的難度。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的教學(xué)工作在各方面、各領(lǐng)域也在不斷進(jìn)行積極探索并得到了發(fā)展[2]，如虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3，4]、快速原型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[5]以及案例式教學(xué)[6]、混合式教學(xué)理念[7]等多種理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法均取得了良好的教學(xué)效果。此外，針對(duì)專業(yè)核心課程的教學(xué)工作逐漸由教師獨(dú)立講解演變至教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)模式[8]，個(gè)體化的教學(xué)行為朝著體系化的教學(xué)模式去發(fā)展[9]，從而形成一只多方協(xié)作科學(xué)合理的師資隊(duì)伍，能夠構(gòu)建更加科學(xué)合理的課程體系和教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)，保證高質(zhì)量教學(xué)工作。本課程結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的最新理論與成果，在教材內(nèi)容更新上力求課程內(nèi)容系統(tǒng)全面又與時(shí)俱進(jìn)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法的改革和教學(xué)團(tuán)隊(duì)模式的構(gòu)建等方面進(jìn)行有益的改革探索，使學(xué)生能全面地掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制課程的培養(yǎng)要求，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制和進(jìn)入工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高運(yùn)用控制理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

一、課程改革總體建設(shè)規(guī)劃

充分利用已有課程建設(shè)成果和基礎(chǔ)，同時(shí)進(jìn)一步深化課程體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，吸取國(guó)內(nèi)外同類課程教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)不足，采用理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的改革方法進(jìn)行“航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制”課程的建設(shè)。

（一）理論教學(xué)方法改革

課程以講授為主，注重學(xué)生思維能力、動(dòng)手能力和自學(xué)能力的培養(yǎng)。采用的“兩結(jié)合一調(diào)整”的教學(xué)方法和手段，提高理論教學(xué)質(zhì)量。

1. 課堂討論與問(wèn)題探索相結(jié)合

針對(duì)課程中的基礎(chǔ)理論或主要疑難問(wèn)題，在學(xué)生獨(dú)立思考之后，共同進(jìn)行討論、辯論，并將全班學(xué)生分成大組進(jìn)行討論，并組隊(duì)完成相關(guān)文獻(xiàn)查詢、問(wèn)題分析、解決方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等方面的嘗試與實(shí)踐。加深學(xué)生對(duì)基本理論的理解與分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，為今后從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)工作奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)與素養(yǎng)。

2. 課堂教學(xué)與自學(xué)相結(jié)合

在課堂教學(xué)之余為了培養(yǎng)自學(xué)能力，在授課中安排適量的自學(xué)內(nèi)容，并采用答辯的形式對(duì)學(xué)生自學(xué)情況實(shí)現(xiàn)反饋，以對(duì)其知識(shí)掌握程度、學(xué)習(xí)方式、理解問(wèn)題的角度等方面進(jìn)行了解，并給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh與指導(dǎo)。

3. 教與學(xué)的動(dòng)態(tài)調(diào)整

根據(jù)教學(xué)情況及學(xué)生的反饋情況，對(duì)課堂教學(xué)方式和內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，教學(xué)相長(zhǎng)，走出一種有利于學(xué)生掌握知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的教學(xué)方式。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

1. 生動(dòng)形象的演示與身臨其境的實(shí)踐相結(jié)合，突破傳統(tǒng)教學(xué)方式的局限性

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。使學(xué)生從視覺(jué)上對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作狀態(tài)有形象直觀的認(rèn)識(shí)。圖1為航空發(fā)動(dòng)機(jī)情景演示教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)三維交互、視景仿真等手段，使學(xué)生獲得視、聽(tīng)、觸等感知體驗(yàn)，充分的發(fā)揮教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和認(rèn)知實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)，給學(xué)生進(jìn)行實(shí)物或直觀教具/3D模型展示，或者作示范性的實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)實(shí)際觀察獲得感性知識(shí)以說(shuō)明和印證所傳授知識(shí)的方法。在課程中適當(dāng)引入工程實(shí)例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中了解所學(xué)理論在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制中如何應(yīng)用及應(yīng)注意的問(wèn)題，并增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)踐、從現(xiàn)實(shí)中來(lái)到現(xiàn)實(shí)中去的現(xiàn)代科學(xué)觀念。

2. 依托發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，深度理解航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的課程內(nèi)涵

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)正逐步從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”向“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)變，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)主要是在建立較精確的數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的基礎(chǔ)上，把大量的設(shè)計(jì)及修改放到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于快速原型設(shè)計(jì)原理，是一套基于總線模式的小型化接口通用的嵌入式仿真模塊，本質(zhì)上是將航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)細(xì)分為更具體執(zhí)行部件的子模塊模型。最后將各個(gè)子系統(tǒng)集成于一體，進(jìn)行整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能仿真。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度學(xué)習(xí)，從而增強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)性分析與解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。

三、教學(xué)內(nèi)容和教材更新

結(jié)合學(xué)科的教學(xué)要求，以及近年來(lái)行業(yè)的發(fā)展方向，按照從共性到個(gè)例、從細(xì)節(jié)到總體、由點(diǎn)到面的教學(xué)思路，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的教材進(jìn)行更新，使學(xué)生在學(xué)習(xí)教材中能夠觸類旁通，達(dá)到舉一反三的效果。更新教學(xué)內(nèi)容和教材為：

（一）新增部分機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中所用到的基礎(chǔ)理論知識(shí)

如機(jī)械液壓系統(tǒng)中計(jì)量活門計(jì)算常涉及的小孔節(jié)流公式；通過(guò)相似類比的方式，從電路原理引入液壓橋路等基本概念，以及數(shù)學(xué)運(yùn)算如何利用機(jī)械液壓結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)等基礎(chǔ)問(wèn)題。

（二）新增機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的液壓元件的講解內(nèi)容

總結(jié)國(guó)內(nèi)外典型型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械液壓控制裝置或數(shù)字電子控制器的機(jī)械液壓部件，歸納出通用的幾類典型元件或組件，如計(jì)量活門、壓差活門、層板節(jié)流器、節(jié)流嘴、膜盒、凸輪、杠桿等，針對(duì)其共性問(wèn)題進(jìn)行介紹，并對(duì)（一）中所介紹的基礎(chǔ)理論如何應(yīng)用在以上液壓元件計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（三）新增部分機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的組件

包括常見(jiàn)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的組件，如計(jì)量裝置、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換裝置、加減速控制器、起動(dòng)控制器、燃油分配器、導(dǎo)流葉片控制器、靜子葉片控制器、尾噴管面積控制器、加力燃油調(diào)節(jié)器等，對(duì)其工作原理及如何由液壓元件集成進(jìn)行詳細(xì)分析。

（四）新增航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型機(jī)械液壓控制系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)

結(jié)合典型機(jī)械液壓控制系統(tǒng)，如軍用加力混排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)AL-31F、Spey、商用分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56、軍用渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)PT-6C等發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)地介紹機(jī)械液壓控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、需注意的要點(diǎn)以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的考量等問(wèn)題。

（五）以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓控制系統(tǒng)為例，由元件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)建模，進(jìn)行全系統(tǒng)仿真分析。

利用VC++、MATLAB/Simulink、AMESim、ISight、ADAM

S、Motion.Lab等工具，以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓控制系統(tǒng)為例，根據(jù)（一）中所介紹的基礎(chǔ)理論，對(duì)其進(jìn)行從元件→組件→系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模工作。借助所建立的模型，并結(jié)合所介紹的工作原理，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入講解，使教學(xué)的理論與實(shí)際工程應(yīng)用相掛鉤，理論與實(shí)際相結(jié)合。

通過(guò)教材的更新，加入聯(lián)系航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用方面的理論教學(xué)，使學(xué)生能正確掌握典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的基本理論與方法，能完成對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，并為相關(guān)后續(xù)課程以及未來(lái)從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)與改革

根據(jù)專業(yè)定位和特色，以及教學(xué)改革總體思路，確立團(tuán)隊(duì)建設(shè)規(guī)劃，以學(xué)校的優(yōu)勢(shì)特色專業(yè)和精品課程為建設(shè)平臺(tái)，集中精英師資隊(duì)伍，建設(shè)高水平教學(xué)團(tuán)隊(duì)。積極開(kāi)展專業(yè)建設(shè)、課程體系建設(shè)與改革，根據(jù)控制學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展“航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制”團(tuán)隊(duì)建設(shè)，構(gòu)建更加科學(xué)合理的課程體系和教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)。

（一）建立高效協(xié)作的內(nèi)部管理與運(yùn)行機(jī)制，激發(fā)團(tuán)隊(duì)成員的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新能力

教學(xué)團(tuán)隊(duì)的內(nèi)部管理與運(yùn)行機(jī)制對(duì)激發(fā)團(tuán)隊(duì)成員的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力至關(guān)重要。具有強(qiáng)大協(xié)同力的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，應(yīng)構(gòu)筑和諧包容的文化氛圍，鼓勵(lì)學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴，保護(hù)學(xué)術(shù)自由，倡導(dǎo)團(tuán)結(jié)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)共同奮斗。在這樣的文化氛圍下，建立高效協(xié)作的內(nèi)部管理與運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)權(quán)與決策權(quán)共享，使每個(gè)成員享有權(quán)利，承擔(dān)義務(wù)，共同為團(tuán)隊(duì)建設(shè)發(fā)揮自己的獨(dú)特作用。教學(xué)團(tuán)隊(duì)不同于其他類型組織，團(tuán)隊(duì)中的成員都是知識(shí)技能共通互補(bǔ)的教師，他們沒(méi)有等級(jí)劃分，通過(guò)向?qū)W生傳授知識(shí)和技能，為團(tuán)隊(duì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出自己的貢獻(xiàn)。團(tuán)隊(duì)帶頭人雖然在團(tuán)隊(duì)發(fā)展中具有重要作用，但團(tuán)隊(duì)其他成員同樣與其共同享有領(lǐng)導(dǎo)權(quán)和決策權(quán)，團(tuán)隊(duì)的發(fā)展和重大問(wèn)題應(yīng)在充分溝通、彼此信任的基礎(chǔ)上達(dá)成共識(shí)。只有這樣的內(nèi)部管理機(jī)制，才能充分激發(fā)團(tuán)隊(duì)成員的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的和諧發(fā)展。

（二）根據(jù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的人員結(jié)構(gòu)，制定新進(jìn)青年教師的“跟學(xué)、跟練、跟教”培養(yǎng)方案

對(duì)青年教師進(jìn)行教學(xué)技能與方法的指導(dǎo)，實(shí)行“學(xué)與練”、理論結(jié)合實(shí)踐的反饋式教學(xué)方法改進(jìn)策略，推進(jìn)老教師對(duì)新教師的傳幫帶工作。

（三）建立有利于高水平教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)和發(fā)展的評(píng)價(jià)考核機(jī)制

評(píng)價(jià)考核機(jī)制對(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)發(fā)展具有重要影響，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的特性，建立有效的評(píng)價(jià)考核機(jī)制。教學(xué)團(tuán)隊(duì)的重要特征之一，就是團(tuán)隊(duì)成員之間的協(xié)作和集體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?；谶@一特征，對(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的績(jī)效評(píng)價(jià)，應(yīng)改變重個(gè)人業(yè)績(jī)考核為個(gè)人業(yè)績(jī)與團(tuán)隊(duì)業(yè)績(jī)并重的考核機(jī)制，由單純的數(shù)量考核向更加重視質(zhì)量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變。如在教學(xué)質(zhì)量考核方面，更加注重團(tuán)隊(duì)整體的教學(xué)效果，并不針對(duì)團(tuán)隊(duì)成員個(gè)人進(jìn)行考核。團(tuán)隊(duì)成員需要使用教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果時(shí)，也以團(tuán)隊(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果為準(zhǔn)。這樣的評(píng)價(jià)機(jī)制有利于促進(jìn)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部關(guān)系融合，調(diào)動(dòng)教師協(xié)同工作的積極性。

五、結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制是飛行器動(dòng)力工程專業(yè)重要的專業(yè)核心課程，論文通過(guò)理論教學(xué)方法改革、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革、教學(xué)內(nèi)容和教材更新和教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)等措施，將“兩結(jié)合一調(diào)整”及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、快速原型設(shè)計(jì)技術(shù)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)新方法與航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)教學(xué)相結(jié)合，并構(gòu)建更加科學(xué)合理的課程體系和教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)，探索了新時(shí)代下航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)核心課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法。通過(guò)不斷改進(jìn)并探索教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生基本素質(zhì)與綜合能力的培養(yǎng)與發(fā)展，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)以及進(jìn)行后續(xù)課程的學(xué)習(xí)具有重要的作用。

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