航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)的探索與實踐

郭雅楠 王掩剛 牟蕾 閆偉

摘 ?要：航空動力系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行過程常處于高溫、高壓、高危環(huán)境，因此給實驗教學(xué)活動的開展帶來了諸多困難。文章定位于“突出航空動力專業(yè)特色，強調(diào)理論實踐協(xié)調(diào)發(fā)展，虛擬現(xiàn)實相輔相成”，利用虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體等技術(shù)構(gòu)建了適應(yīng)學(xué)科特點的實驗教學(xué)體系。實踐表明，該體系能使學(xué)生不受時間、不受地點通過仿真實驗真實的認(rèn)識航空動力系統(tǒng)，強化相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神，有效的提高了學(xué)生的工程素養(yǎng)，取得了一系列教學(xué)成果。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué);虛擬仿真;教學(xué)體系;航空動力系統(tǒng)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）03-0121-03

Abstract： Aircraft power system because of its complex structure， operation process at high temperature， high pressure， high risk environment， thus to experimental teaching activity has brought many difficulties. This paper located in the outstanding aviation power professional characteristics， emphasize coordinated development theory practice， virtual reality supplement each other， the use of virtual reality， computer network， multimedia and other technical constructed to fit the characteristics of the aircraft power system system， scientific and complete system of experimental teaching. Practice shows that the system can make the student is not affected by time， place， through the simulation experiment for real realize aircraft power system， strengthen the relevant professional practice teaching effect， stimulate the student independent innovation and entrepreneurship， effectively improve the students' engineering quality， a series of teaching achievements.

Keywords： experimental teaching; virtual simulation; teaching system; aircraft power system

一、航空動力系統(tǒng)實驗教學(xué)面臨的困境及虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)的必要性

黨的十八屆五中全會提出：創(chuàng)新的事業(yè)呼喚創(chuàng)新的人才，培育創(chuàng)新人才是人才培養(yǎng)的首要任務(wù)[1]。建設(shè)教育強國是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程，必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，加快教育現(xiàn)代化，辦好人民滿意的教育[2]。實踐教學(xué)是高素質(zhì)工程科技人才培養(yǎng)過程中的重要組成環(huán)節(jié)，是激發(fā)學(xué)生探索未知、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新精神的必要途徑。

航空動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行過程中對電源、液源、氣源等要求嚴(yán)格。以常見的某型軍用發(fā)動機為例，其壓氣機出口壓力為20-30×105Pa，燃燒室出口溫度為1800-2000K，渦輪部件葉尖線速度超音，部分達(dá)到500m/s，部件或整機實驗過程中峰值噪聲達(dá)150dB噪音，實驗過程常處于高溫、高壓、高危環(huán)境，運行環(huán)境之危險，實驗過程之困難可見一斑。鑒于實驗現(xiàn)狀和安全性考慮，學(xué)生只能通過觀看演示性實驗進(jìn)行學(xué)習(xí)，實際動手參與程度低。自主設(shè)計、創(chuàng)新型實驗教學(xué)活動難以開展，未能切實貫徹習(xí)近平總書記提出的“著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力”這一人才培養(yǎng)要求[3]。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命行動影響，必須予以高度重視”[4-5]。通過虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建，不但可以實現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計實驗流程、修改實驗參數(shù)、進(jìn)行實驗配置等實物實驗中不宜開放的高危險、高成本性實驗功能。還可以通過虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合，使學(xué)生在“虛”中了解并掌握復(fù)雜大系統(tǒng)的工作原理與測試方法，在“實”中親自動手調(diào)試這一系統(tǒng)的部分功能單元，促進(jìn)知識的轉(zhuǎn)化與拓展，加深對航空動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理的理解。進(jìn)而，有效的培養(yǎng)學(xué)生自主實驗設(shè)計能力、實驗分析能力、獨立創(chuàng)新能力和“研學(xué)一體化”技能。

綜上所述，建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)體系意義重大，勢在必行。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)體系的特色與創(chuàng)新

虛擬仿真實驗教學(xué)體系的特色與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾點：

（一）強化學(xué)生實踐能力，建立了以解決工程問題為核心的創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式

航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系以培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實、動手能力強、創(chuàng)新能力突出的高素質(zhì)專業(yè)型人才為根本，以適應(yīng)國家航空航天動力、新能源等領(lǐng)域人才需求為目標(biāo)，以遵循學(xué)科發(fā)展規(guī)律為宗旨，進(jìn)行了實驗內(nèi)容和管理模式的改革，如圖1所示。改變了傳統(tǒng)的“一門課程、一門實驗、一人管理”的非系統(tǒng)性實驗方式，建立了新型的“基礎(chǔ)性實驗-綜合性實驗-研究性實驗-創(chuàng)新性實驗”的多層次化、多模塊化實驗教學(xué)體系，形成了適應(yīng)學(xué)科特點及航空發(fā)動機特點的系統(tǒng)、科學(xué)、完整的課程體系。教學(xué)團(tuán)隊不僅通過專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)核心知識的實驗講授來提高學(xué)生工程實踐技能以及發(fā)現(xiàn)問題、綜合分析、解決問題的能力，還邀請行業(yè)內(nèi)科研院所、國內(nèi)大型企業(yè)、世界著名發(fā)動機企業(yè)、國內(nèi)外院校的著名專家學(xué)者參與虛擬仿真線上教學(xué)活動，將最先進(jìn)最前沿的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展情況和企事業(yè)科技發(fā)展需求分析引入教學(xué)，提高學(xué)生創(chuàng)新精神，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情。

（二）以航空發(fā)動機為對象，充分利用科研資源，實驗教學(xué)內(nèi)容豐富

航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系結(jié)合了飛行器動力工程、能源與動力工程、自動化（動力方向）等幾個專業(yè)科研和教學(xué)的需求，始終定位于“突出航空動力專業(yè)特色，強調(diào)理論實踐協(xié)調(diào)發(fā)展”，突出本科生寬口徑、厚基礎(chǔ)、重實踐的培養(yǎng)模式，讓學(xué)生不受時間、不受地點地“通過仿真實驗真實的認(rèn)識發(fā)動機”，并將課堂教學(xué)有效的延伸，建立了“航空發(fā)動機總體及原理”、“航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學(xué)”、“流體力學(xué)/氣體動力學(xué)”、“航空發(fā)動機控制綜合”四個相互交叉、相互支撐的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。其中包含26個實驗教學(xué)模塊，75個實驗項目，實驗教學(xué)內(nèi)容豐富。

（三）注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，立足實踐教學(xué)研究，實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端實驗教學(xué)，效益顯著

航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)團(tuán)隊擁有獨具特色的情景式、多維度、高互動、全開放的虛擬實驗室核心技術(shù)，真正構(gòu)建了“虛實結(jié)合”的教學(xué)新模式。學(xué)生可根據(jù)自身興趣特點和個性化需求，通過使用臺式計算機、平板電腦、手機等實現(xiàn)線上學(xué)習(xí)。即學(xué)生可通過手機等無線終端登陸“教學(xué)平臺”，預(yù)約實驗，教學(xué)團(tuán)隊教師可實時觀測到預(yù)約頁面，通過審核學(xué)生并授權(quán)后，學(xué)生即可進(jìn)入平臺，進(jìn)行多項實驗內(nèi)容，如圖2。

通過開放性實驗和多媒體遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗項目建設(shè)，促進(jìn)了學(xué)生對課堂理論知識的理解;降低了學(xué)生在真實實驗過程中操作誤差的風(fēng)險;避免了昂貴設(shè)備裝置由于操作失誤而發(fā)生的故障;彌補了單一設(shè)備昂貴以至于學(xué)生無法全部參與操作的缺陷;解決了多校區(qū)運行學(xué)生實驗難以開展的困局，使得實驗教學(xué)更具有主動性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性和高效性。

（四）校校、校所、校企合作關(guān)系密切，構(gòu)建了“多學(xué)科交叉、分層次任務(wù)、開放共享式、本研一體化”的實驗教學(xué)新模式

航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系的教學(xué)項目不僅與理論教學(xué)緊密結(jié)合，而且與工程實踐密不可分。一方面，該教學(xué)體系通過“內(nèi)部聯(lián)合”建設(shè)，鼓勵學(xué)生積極參與國家“973”、國家“863”等國家級項目以及其他科研院所合作的項目，以全面培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。同時，教師及時將本學(xué)科（專業(yè)）的科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，更新實驗教學(xué)內(nèi)容，并積極鼓勵學(xué)生參與實驗臺的更新或新建，強化學(xué)生的動手能力和綜合技能。另一方面，該教學(xué)體系通過“外部聯(lián)合”建設(shè)，與沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所、中國航空動力機械研究所、中國燃?xì)鉁u輪研究院、沈陽黎明航空發(fā)動機公司、成都發(fā)動機公司、西安航空發(fā)動機公司等聯(lián)合成立了實踐教學(xué)基地，以全面提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和實踐創(chuàng)新能力。通過上述全方位、多形式的教學(xué)體系建設(shè)，團(tuán)隊已形成了適應(yīng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展，總體布局結(jié)構(gòu)合理，多學(xué)科交叉，實驗功能齊全的高水平、高效益、共享式的實驗教學(xué)新模式。

綜上所述，航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系解決了實驗教學(xué)中普遍存在的“想做做不成”、“能做不愿做”、“只看不能做”等教學(xué)難題，有效的調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升了實驗教學(xué)的質(zhì)量，探索出了一條適用于航空動力系統(tǒng)高端精英人才培養(yǎng)的新途徑。

三、航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)內(nèi)容

如圖3所示，航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)團(tuán)隊按照實驗教學(xué)與課程教學(xué)一體化設(shè)計，建立了科學(xué)、合理、優(yōu)化、具有航空動力特色的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，實現(xiàn)了課程與實驗的緊密結(jié)合。并按照“基礎(chǔ)類”、“專業(yè)類”、“科技成果轉(zhuǎn)化與創(chuàng)新類”三個模塊，建設(shè)、提升和完善各項虛擬仿真實驗教學(xué)項目[6]。教學(xué)團(tuán)隊嚴(yán)格遵循航空發(fā)動機設(shè)計流程進(jìn)行教學(xué)體系構(gòu)建，使學(xué)生從航空發(fā)動機部件、結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計方法等方面入手學(xué)習(xí)，并逐漸過渡到對航空發(fā)動機整機結(jié)構(gòu)和工作原理的學(xué)習(xí)掌握，最終實現(xiàn)了學(xué)生對復(fù)雜物理系統(tǒng)從簡單到復(fù)雜的各個知識點的全面掌握。截止目前，該教學(xué)體系已建設(shè)成4個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，75個虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

（一）航空發(fā)動機總體及原理虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

通過發(fā)動機虛擬結(jié)構(gòu)實驗?zāi)K、流場動態(tài)模擬模塊和模擬試車實驗?zāi)K的建設(shè)，可使學(xué)生對航空動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個部件功能、工作原理有更加清楚和全面的認(rèn)識。同時，學(xué)生可通過自主操作虛擬試車臺，手動調(diào)節(jié)參數(shù)，模擬發(fā)動機試車狀態(tài)等途徑進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（二）航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學(xué)虛擬仿真實驗平臺

該平臺包含三個基本模塊：發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模塊、發(fā)動機振動控制虛實結(jié)合實驗教學(xué)模塊和發(fā)動機故障診斷虛實結(jié)合實驗教學(xué)模塊，為“航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學(xué)與振動”課程提供實驗支撐。同時，基于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)可以讓學(xué)生快速組合動力學(xué)實驗的多種支承結(jié)構(gòu)、阻尼器形式、盤軸關(guān)系、質(zhì)量分布等，構(gòu)成不同的發(fā)動機結(jié)構(gòu)，將耗時長、投入大、危險高的實驗，可以靈活的組合在虛擬狀態(tài)下安全的進(jìn)行。

（三）流體力學(xué)/氣體動力學(xué)遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

綜合航空發(fā)動機流體力學(xué)/氣體動力學(xué)教學(xué)實驗和團(tuán)隊科研實驗資源，通過虛實結(jié)合的半實物仿真技術(shù)，為飛行器動力工程專業(yè)學(xué)生提供遠(yuǎn)程教學(xué)實驗服務(wù)，同時提供遠(yuǎn)程科研觀摩實驗服務(wù)，大大的拓展了現(xiàn)有硬件教學(xué)實驗設(shè)計和科研實驗的使用率和利用率，解決了發(fā)動機流體力學(xué)/氣體動力學(xué)設(shè)備少、實驗準(zhǔn)備耗時長、實驗安全風(fēng)險高的限制。該平臺包含6個實驗?zāi)K：孔口管嘴實驗?zāi)K、文丘里流量計實驗、雷諾實驗、拉伐爾噴管中氣體流動特性實驗?zāi)K、伯努利方程實驗?zāi)K、二元拉伐爾噴管激波系紋影觀測實驗?zāi)K。

（四）航空發(fā)動機控制綜合虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

通過開展航空發(fā)動機控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)方法的探索與改革，航空動力系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)體系建設(shè)團(tuán)隊，根據(jù)航空發(fā)動機控制專業(yè)特點，結(jié)合某型發(fā)動機控制需求，開發(fā)了發(fā)動機液壓控制半物理虛擬仿真實驗平臺、航空燃油泵（柱塞泵、離心泵、齒輪泵）虛擬實驗項目，通過建立一套高集成度的虛擬仿真實驗教學(xué)軟件，使學(xué)生能將課堂教學(xué)中的各種仿真方法方便快捷的開展仿真實驗研究，在提高實驗效率的同時充分激發(fā)了學(xué)生做實驗的積極性，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的綜合能力。

四、航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系教學(xué)水平和成果

虛擬仿真實驗教學(xué)體系含有4個實驗教學(xué)平臺，68門實驗課程，面向全校所有專業(yè)及航空動力相關(guān)企事業(yè)單位開放，年均直接受益人時數(shù)近10800（人·小時）。

近五年來直接從科研成果轉(zhuǎn)化而來的實驗設(shè)備20余套，所開發(fā)的實驗教學(xué)項目30余項。教師團(tuán)隊指導(dǎo)學(xué)生參加大創(chuàng)項目80余項，參與人數(shù)300余人。指導(dǎo)學(xué)生共獲批實用新型專利6項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文四十余篇。學(xué)生獲得國家一等獎8項，二等獎13項，三等獎35項。

依托航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系，教學(xué)團(tuán)隊構(gòu)建航空動力系統(tǒng)虛擬仿真中心。2016年中心獲評為“陜西省虛擬仿真實驗教學(xué)中心”[6]。2017年，航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系獲評“西北工業(yè)大學(xué)教學(xué)成果一等獎”[7]。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國共產(chǎn)黨第十八屆中央委員會第五次全體會議習(xí)近平重要講話[Z].2015，10.

[2]習(xí)近平總書記：優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)[Z].2017.

[3]習(xí)近平考察北京市八一學(xué)校重要講話[Z].2016，9.

[4]中華人民共和國教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）（教技[2012]5號）[Z].2012，3.

[5]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）[Z].2010.

[6]中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].（2012-10-01），[2014-12-19].

[7]西北工業(yè)大學(xué).關(guān)于公布2016-2017學(xué)年校級優(yōu)秀教學(xué)成果獎獲獎項目的通知（校教字〔2017〕267號）[Z].2017，9.