虛擬仿真實驗在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)教學(xué)中的實踐與應(yīng)用

郭霄　劉雨　李勇　張翔

摘要：對航空類課程而言，大部分高校不能滿足該類課程課堂教學(xué)對實驗條件和成本的要求。文章以航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)為例，探討虛擬仿真實驗在該課程中應(yīng)用的可行性，并以典型案例說明虛擬仿真實驗在推進(jìn)課堂教學(xué)改革方面的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗;航空類課程;教學(xué)改革;OBE理念

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0386-02

為改善高校航空航天類課堂教學(xué)條件、改革課堂教學(xué)方法、更新課堂教學(xué)內(nèi)容、提高課堂教學(xué)水平，把線上虛擬仿真實驗引入航空航天類課堂教學(xué)是一種新的探索。虛擬仿真實驗的加入突破了原有課程教學(xué)的界限，將理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合，提出有代表性的、啟發(fā)性的問題，加深學(xué)生對理論教學(xué)中重點(diǎn)、難點(diǎn)問題的理解，激發(fā)創(chuàng)新思維與興趣。虛擬仿真實驗的課堂教學(xué)應(yīng)用可以為學(xué)生的深度學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的條件，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)[1]。

一、航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)課程簡介

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)課程是鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院結(jié)合學(xué)校自身建設(shè)特色、學(xué)生畢業(yè)就業(yè)工作實際流向以及基于OBE理念下“新工科”專業(yè)建設(shè)，為飛行器設(shè)計與工程、飛行器質(zhì)量與可靠性專業(yè)開設(shè)的專業(yè)選修課。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)該門課程在我校制定的培養(yǎng)方案中，課程定位在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)設(shè)計類專業(yè)，例如飛行器動力工程專業(yè)的專業(yè)課程與航空概論課程之間的一個中間層次，其內(nèi)容與體系都有自己的特點(diǎn)。該門課程涉獵內(nèi)容廣泛，其課程內(nèi)容涉及飛行器動力工程專業(yè)—航空發(fā)動機(jī)方向的多門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。這些課程在飛行器動力工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中既是專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是核心課程。而航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)則是糅合了這兩門課程中的核心內(nèi)容，既涉及航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的組合和結(jié)構(gòu)特征，又涉及航空發(fā)動機(jī)的工作特性與原理。課程涉及內(nèi)容豐富，涵蓋知識面廣，牽涉學(xué)科眾多[2]。雖然在課程定位上為專業(yè)選修課，但因為其課程自身所具有的特點(diǎn)，該課程的難度已經(jīng)具備了專業(yè)必修課的定位。以我校已有的該門課程的教學(xué)經(jīng)驗來看，該門課程除了對任課教師提出了較高的要求以外，對于課程教學(xué)方法和課堂教學(xué)設(shè)計也提出了較高的要求。對于飛行器設(shè)計專業(yè)、飛行器質(zhì)量可靠性專業(yè)的學(xué)生而言，在缺乏實物觀摩的情況下，僅借助傳統(tǒng)的多媒體手段，如圖片、動畫、視頻等形式，對于學(xué)生正確認(rèn)知和理解航空發(fā)動機(jī)各個部件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理是極其困難的。為了提升課堂教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，滿足我校基于OBE理念下新的教學(xué)大綱對于學(xué)生能力的培養(yǎng)，因此我校在教學(xué)中引入虛擬仿真實驗。

二、虛擬仿真實驗介紹

自20世紀(jì)90年代以來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)一直是信息領(lǐng)域研究、開發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)方向之一，它在航空航天、交互式GIS、數(shù)字地球、信息可視化和游戲娛樂等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。為改善航空航天類課程實驗教學(xué)條件、改革實驗教學(xué)方法、更新實驗教學(xué)內(nèi)容、提高實驗教學(xué)水平，把虛擬仿真技術(shù)引入航空航天類課程教學(xué)已成為一種趨勢[3]。虛擬仿真實驗為學(xué)生獨(dú)立自主地進(jìn)行學(xué)習(xí)與實踐創(chuàng)造良好的條件，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)。在課堂教學(xué)中引入虛擬仿真實驗具有以下優(yōu)勢[4，5]：（1）打破時間與空間的限制，只要有計算機(jī)就可以隨時隨地進(jìn)行實驗，而不局限于實驗室，使用者可以按照個人愛好、興趣等自主進(jìn)行實驗;（2）提高設(shè)計的直觀性和真實性，可以更形象地獲取知識，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情;（3）不消耗器材，實驗用的元器件和儀器儀表齊全，可以重復(fù)操作，降低實驗和設(shè)計成本;（4）實驗速度快，容易開展設(shè)計性和綜合性實驗，有利于培養(yǎng)使用者的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力;（5）所用實驗技術(shù)先進(jìn)，一般虛擬仿真實驗都會選取現(xiàn)在主流或者領(lǐng)先的實驗技術(shù)進(jìn)行虛擬仿真，因此可在課堂上拓展學(xué)生的視野和知識面;（6）實驗非常安全，可以任意進(jìn)行探索性操作。

三、典型應(yīng)用

在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)實際教學(xué)中，根據(jù)實際教學(xué)需要，以及參考教學(xué)大綱中對于本課程教學(xué)重難點(diǎn)的安排，我校在實驗空間—國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺中對眾多的實驗進(jìn)行了挑選，選擇了能源動力類中的超聲速噴管壓力測量及紋影觀測實驗。該實驗對應(yīng)于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)課程中的排氣系統(tǒng)部分中超聲速噴管工作狀態(tài)這一知識點(diǎn)的教學(xué)。以往在該知識點(diǎn)教學(xué)中，由于面向的學(xué)生并沒有學(xué)習(xí)過氣體動力學(xué)這一飛行器動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，只能采用強(qiáng)制記憶的方式進(jìn)行理解。但是超聲速噴管的工作狀態(tài)多，不同狀態(tài)之間流場現(xiàn)象差異大，決定狀態(tài)的主要參數(shù)變化劇烈，這種教學(xué)方式不僅不利于課堂上對學(xué)生進(jìn)行講述，也不利于學(xué)生對超聲速噴管多種變化規(guī)律建立直觀的印象與理解。超聲速噴管壓力測量及紋影觀測實驗針對二元超聲速噴管不同工況下的典型流動特征，開展紋影觀測實驗。通過這種觀測型實驗，一方面可以在課堂教學(xué)中向?qū)W生普及光學(xué)測量技術(shù)在航空測量領(lǐng)域的應(yīng)用，熟悉紋影儀這種比較先進(jìn)的光學(xué)測量儀器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，另一方面可以熟悉典型工況下超聲速收擴(kuò)噴管管道內(nèi)流動特征，對收擴(kuò)噴管的激波結(jié)構(gòu)與形態(tài)建立直觀的感知。在超聲速噴管工作狀態(tài)的課堂教學(xué)中，引入該虛擬仿真實驗后，與之前的教學(xué)形式相比，教學(xué)效果又顯著提升，主要體現(xiàn)在以下方面。

第一，實現(xiàn)了理論教學(xué)與實驗教學(xué)的相互融合。在以往的教學(xué)中，教學(xué)與實驗是相互隔離的，這主要是因為對于傳統(tǒng)實驗教學(xué)而言，需要的硬件條件比較苛刻，例如專用的實驗設(shè)備、實驗場地等，除了一些簡單的演示性實驗，大多數(shù)的實驗無法在課堂教學(xué)中現(xiàn)場演繹。而在進(jìn)行實驗教學(xué)時，仍需要對學(xué)生的理論知識進(jìn)行復(fù)習(xí)教學(xué)。虛擬仿真實驗的出現(xiàn)，打破了這種隔離。在理論教學(xué)時，亦可同步進(jìn)行實驗教學(xué)，使得學(xué)生可以在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，實踐動手能力也能得到提高。虛擬仿真實驗教學(xué)提升實踐與理論的融合度，進(jìn)而滿足“OBE”教學(xué)理念下對于學(xué)生能力的培養(yǎng)的需求。

第二，虛擬仿真實驗是對多媒體教學(xué)形式的有效補(bǔ)充。在如今的大學(xué)課堂中，使用課件進(jìn)行教學(xué)已經(jīng)成為教學(xué)的主流方式，在課件中，教師可以通過使用圖片、視頻等多媒體形式對課堂教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充。但是隨著時代的發(fā)展，學(xué)生獲取信息的能力越來越強(qiáng)，傳統(tǒng)的圖片、視頻等多媒體形式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代教學(xué)的需要，急需全新的形式對課堂形式進(jìn)行改變。虛擬仿真實驗利用多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等多種技術(shù)手段，為學(xué)生構(gòu)件了生動逼真的三維場景，建立了邏輯關(guān)系并實現(xiàn)人機(jī)交互作用。這種基于交互式的教學(xué)情景應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)課件多媒體教學(xué)單一方向傳授的格局，實現(xiàn)了教學(xué)的雙向溝通與交流。

第三，虛擬仿真實驗的現(xiàn)場展示更加有利于學(xué)生對理論知識點(diǎn)的理解。以超聲速噴管壓力測量和紋影觀測實驗為例。在課堂上以本實驗為輔助手段對學(xué)生進(jìn)行超聲速噴管七種工作狀態(tài)的知識點(diǎn)教學(xué)時，可以通過實驗中的操作改變噴管出口背壓，直接向?qū)W生呈現(xiàn)超聲速噴管內(nèi)部的流動狀態(tài)以及氣流流過激波前后的變化;學(xué)生可以通過實驗中實時變化的流場對超聲速噴管的七種工作狀態(tài)建立直觀的印象，并與課本上的文字描述進(jìn)行對應(yīng)，加深了學(xué)生對決定超聲速噴管七種工作狀態(tài)的壓力變化條件的認(rèn)知與理解。

最后，虛擬仿真實驗在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，有助于學(xué)生緊跟學(xué)科發(fā)展前沿，了解先進(jìn)實驗設(shè)備的原理，進(jìn)而拓寬學(xué)生的知識面和視野。以超聲速噴管的壓力測量與紋影觀測實驗為例，在目前的流體力學(xué)實驗當(dāng)中，流動顯示技術(shù)是較為熱門的實驗手段之一，而紋影顯示技術(shù)又是流動顯示技術(shù)中較為先進(jìn)的手段。借助虛擬仿真實驗，學(xué)生可以直接動手操作昂貴的紋影儀，進(jìn)而加深對紋影儀的光學(xué)顯示原理的理解。

四、結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)引入航空渦輪發(fā)動機(jī)課程教學(xué)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)形式的不足，不但豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，而且使學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生分析問題的能力、設(shè)計電路的能力和電子產(chǎn)品的設(shè)計效率。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，也會不斷推進(jìn)實驗室的發(fā)展和實驗教學(xué)改革。

參考文獻(xiàn)：

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Practice and Application of Virtual Simulation Experiment in the Teaching of Aviation Gas Turbine Engine

GUO Xiaoa，LIU Yub，LI Yonga，ZHANG Xianga

（a.School of Aeronautical Engineer;b.School of International Education，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou， Henan 450046，China）

Abstract：However，it was difficult to meet the experimental conditions and cost requirements of offline teaching in the aviation courses.A typical case is introduced to explain the superiority of virtual simulation experiment in promoting classroom teaching reform.

Key words：virtual simulation experiment;aviation courses;teaching reform;OBE