GE-nx發(fā)動機虛擬仿真教學資源建設(shè)與實踐

劉岱 樊智勇 張文林

摘要：針對飛機發(fā)動機類課程的實踐教學資源現(xiàn)狀，如教學設(shè)備、場地、人員、安全等問題受限較多、教學資源不足等，文章基于“以學生為中心”的主導(dǎo)思想，設(shè)計并建設(shè)基于虛擬仿真技術(shù)的實踐教學資源，豐富教學資源，增加教學手段。同時，以電子信息工程專業(yè)飛機發(fā)動機及控制課程為例，通過虛擬仿真技術(shù)研究并建設(shè)教學資源庫。開發(fā)課程教學案例以及應(yīng)用平臺。

關(guān)鍵詞：教學資源;虛擬仿真;發(fā)動機控制

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0140-02

一、引言

高校數(shù)字化教學資源是信息化背景下高等教育教學資源的一種新形式，加快了高等教育從規(guī)模擴張向提升質(zhì)量的轉(zhuǎn)變。教學實踐表明，數(shù)字化教學資源的有效利用，對于提高學生的學習能力、培養(yǎng)問題意識、塑造人文精神具有重要意義，可以激發(fā)學生學習興趣，是培養(yǎng)學生自主學習能力和創(chuàng)新能力的有效途徑[1]。我校是一所培養(yǎng)航空專業(yè)人才的高等學府，對專業(yè)課的教學資源建設(shè)極為重視。本文以電子信息工程專業(yè)課飛機發(fā)動機及控制課程為例，引用虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)飛機發(fā)動機及控制課程數(shù)字化教學資源，深入研究課程教學資源的建設(shè)形式和方法。

二、飛機發(fā)動機及控制課程數(shù)字化教學資源情況

數(shù)字化教學資源是指經(jīng)過數(shù)字化處理，可以在計算機和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行數(shù)字處理與運行的多媒體教學資料。與傳統(tǒng)教學資源相比，數(shù)字化教學資源更加豐富多彩，而且，教學資源環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)知識的共享和傳輸。教學資源建設(shè)開源化，除了教師外，學生還可將自己的資源添加到數(shù)字資源庫中[3]。通過虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的教學資源，是數(shù)字化教學資源的一種，是教學內(nèi)容和教學方法數(shù)字化的產(chǎn)物，對教學媒體物理特征的研究轉(zhuǎn)移到從學生角度出發(fā)對教學資源的研究，以實現(xiàn)包括媒體在內(nèi)的所有教學資源的使用與使用目標的緊密結(jié)合。

飛機發(fā)動機及控制課程主要是培養(yǎng)本科生對民用飛機發(fā)動機的認知和操作控制，為機務(wù)維修工作打下基礎(chǔ)。在理論教學方面，由于商用運輸飛機發(fā)動機的種類具有多樣性，進行知識點設(shè)置時，主要是按照我國現(xiàn)役典型飛機的發(fā)動機進行介紹。隨著新型飛機和發(fā)動機技術(shù)的不斷更新，如波音787和空客380使用的GE-nx與Trent1000等新型高涵道比渦扇發(fā)動機，是目前民航飛機運用的主流發(fā)動機。實踐教學方面，由于條件所限，比重較小，若提供一臺在工作狀態(tài)下的真實發(fā)動機作為實踐課程內(nèi)容，除了人員及設(shè)備安全問題外，實驗成本極高。因此，實踐教學中，場地、設(shè)備、成本等都是受限制因素，教學資源不足是本課程實踐教學的難點。

借助虛擬仿真技術(shù)，將其應(yīng)用于課程實踐教學中，不僅避免了上述問題，還擴展了教學資源，增加了教學手段。它不僅可以演示發(fā)動機結(jié)構(gòu)和工作原理，還可以演示發(fā)動機工作時人所看不到的各種工作狀態(tài)以及故障狀態(tài)。這種教學方法是遵循“以學生為中心”的主導(dǎo)思想，使學生不再是被動地聽和看，單向接受教師傳授的教學內(nèi)容，而是以事件主角的形式參與，達到學習的目的。

三、GE-nx發(fā)動機的數(shù)字化教學資源建設(shè)

依據(jù)飛機發(fā)動機及控制課程教學大綱要求，對課程進行知識點的梳理，完善課程知識結(jié)構(gòu)體系，建設(shè)該課程中的GE-nx發(fā)動機教學資源。

1.構(gòu)建GE-nx發(fā)動機課程教學資源庫。根據(jù)課程大綱設(shè)計關(guān)于GE-nx發(fā)動機的課程內(nèi)容，將需要使用虛擬仿真技術(shù)的內(nèi)容提取出來，分成兩部分：發(fā)動機工作原理演示部分和發(fā)動機附件工作狀態(tài)演示部分。先從AMM手冊、GE-nx發(fā)動機數(shù)字化手冊等資料中獲取發(fā)動機原始數(shù)據(jù)模型，接著根據(jù)發(fā)動機的部件、系統(tǒng)、附件分類整理，建立一整套發(fā)動機初步模型庫。由于從手冊中獲取的模型并不都是完整的，且不能完全滿足教學內(nèi)容，還需要對模型進行重建，彌補缺失。然后，把精細度不高的模型進行優(yōu)化處理，如減少多邊形面數(shù)、重疊圖形合并/刪除、修改模型布線拓撲等。優(yōu)化和重建的對象主要是發(fā)動機核心機和系統(tǒng)附件。最后，根據(jù)教學內(nèi)容，將已優(yōu)化的模型組合成一臺完整的發(fā)動機模型，再逐一制作發(fā)動機的其他系統(tǒng)附件，根據(jù)教學重難點突出所用到的發(fā)動機模型，將非重點內(nèi)容所用到的模型做輕量化處理。

2.構(gòu)建課程教學案例資源。根據(jù)教學大綱內(nèi)容，課程教學案例主要由兩部分組成：教學演示和操作訓(xùn)練。教學演示主要針對飛機發(fā)動機核心機和系統(tǒng)附件做工作原理與故障狀態(tài)的動態(tài)演示，通過利用優(yōu)化處理好的三維模型開發(fā)動態(tài)演示視頻。操作訓(xùn)練主要依據(jù)AMM手冊和發(fā)動機手冊，整理GE-nx發(fā)動機維護、拆裝等流程，開發(fā)訓(xùn)練內(nèi)容。通過虛擬仿真技術(shù)建立虛擬訓(xùn)練環(huán)境，學生可以在該環(huán)境中通過操作手柄完成訓(xùn)練任務(wù)。

3.構(gòu)建教學資源演示平臺。基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的教學資源可應(yīng)用于多種演示平臺，使教學資源得到充分而靈活的應(yīng)用。①臺式PC機目前都是基于Windows操作系統(tǒng)，課堂上教師不僅借助多媒體演示，還可供學生在課余時間反復(fù)演示和進一步開發(fā)。②通過移動互聯(lián)網(wǎng)的在線功能、推送功能、便攜功能，重新定義移動學習方法。移動終端主要是基于iOS/Android系統(tǒng)的手機或平板電腦，一方面，學生可通過三維查看器軟件隨時學習發(fā)動機相關(guān)知識;另一方面，可以從教師所更新發(fā)布的教學資源復(fù)習課堂重難點。這既為學生提供了多元化的學習平臺，又增加了師生的線上線下互動，破解課堂教學局限。③基于VR頭盔的虛擬現(xiàn)實教學，以增強用戶的沉浸感和交互感。將此技術(shù)應(yīng)用于教學，可以有效激發(fā)學生的學習積極性。首先，準備VR虛擬現(xiàn)實設(shè)備，將開發(fā)好的發(fā)動機三維模型導(dǎo)入設(shè)備，并帶領(lǐng)學生進入逼真的發(fā)動機工作場景。其次，通過開發(fā)VR頭盔的配套手柄，既可以看到三維發(fā)動機模型，還可以通過手柄對發(fā)動機進行分解，任意轉(zhuǎn)換發(fā)動機的觀察視角等。借助基于VR設(shè)備的教學平臺，可提供接近真實發(fā)動機的外觀和操作體驗的數(shù)字仿真。通過三維環(huán)境的逼真性和人機交互的方法，可將抽象而又難以理解的知識點，淋漓盡致地展現(xiàn)給學生。

四、教學資源建設(shè)的創(chuàng)新點

飛機發(fā)動機及控制課程虛擬仿真教學資源的建設(shè)，迎合了“以學生為中心”的教育理念，增加了與學生的情感互動，參與和雙向反饋中注重學生的感受。通過虛擬教學環(huán)境，可以引導(dǎo)學生主動投入學習，充分發(fā)揮潛能。GE-nx發(fā)動機是新型高涵道比渦扇發(fā)動機，以其為主的虛擬仿真教學資源，在教學內(nèi)容上緊跟發(fā)動機發(fā)展技術(shù)，在學生學習飛機發(fā)動機新技術(shù)的進度上不遲滯。

五、結(jié)語

本文的重點在于，利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢實現(xiàn)專業(yè)課程實踐教學資源建設(shè)，打破傳統(tǒng)的教與學的模式。利用虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，有利于學生工程維修技能的訓(xùn)練。數(shù)字化教學資源種類豐富且耗損低，但對于飛機發(fā)動機這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)多樣的設(shè)備，須開發(fā)更有深度的大量資源。這都是需要繼續(xù)攻克的難關(guān)。

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