論虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)中的重要性

俞凱凱　徐驚雷　葛建輝

摘? 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)事關(guān)國(guó)家政治、國(guó)防以及經(jīng)濟(jì)等，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)。由于我國(guó)航空事業(yè)起步晚，盡管經(jīng)過多年的發(fā)展，我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)仍落后于歐美國(guó)家，其中航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才培養(yǎng)是制約著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸之一。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)成本高、難度大、污染高等原因，高校針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)的教學(xué)仍局限于理論課本教學(xué)，無法讓學(xué)生切身掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，極大地影響了專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)是教育部2018年提出的教育建設(shè)工程，可以有效地解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)中遇到的各類難點(diǎn)。文章以南京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例，闡述了虛擬仿真的必要性和組成結(jié)構(gòu)，論述了虛擬仿真技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)的重要性。虛擬仿真技術(shù)可以進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才的培養(yǎng)，助力我國(guó)航空工業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理;實(shí)驗(yàn);教學(xué);虛擬仿真

中圖分類號(hào)：G642? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）16-0083-05

Abstract： Aeroengines affects the development of the nation politics， defense and economy， which represent the comprehensive national strength. After years of development， the aeroengines technology in China is lagging far behind that in the developed countries due to the late start of the aviation industry in China， which is mainly caused by the personnel training in aeroengine. Because of the high cost， serious pollution and great difficulty， the aeroengine education in high school still focuses on the theorical book teaching instead of the aeroengine experiments. Thus， the students cannot fully understand the working principle of the aeroengine， which will affect the quality of the professional training of aeroengine. Virtual simulation technology is an educational construction project proposed by the Ministry of education in 2018， which can effectively solve the difficulties in the aerogene experiment educations. Based on the virtual simulation experimental platform for Aeroengine principle established in Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， the paper presents the necessity and composition， demonstrating the importance of the virtual simulation to the education. In a word， the visual simulation can improve the education quality of the aerogene and boost the development of the aviation industry in China.

Keywords： Aeroengine principle; experiments; education; virtual simulation

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，是飛行器的主要?jiǎng)恿π问?，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的皇冠。由于其涉及到現(xiàn)代科學(xué)的各個(gè)方面，氣動(dòng)熱力、材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、熱防護(hù)以及加工等諸多領(lǐng)域，能夠制造出高性能、高可靠性的航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展、工業(yè)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)水平的重要標(biāo)志。航空發(fā)動(dòng)機(jī)除了技術(shù)本身難度大，還需要大量的資金投入，國(guó)際上著名航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制商如GE、PW、RR等每年投入經(jīng)費(fèi)達(dá)10億美金。更為重要的是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期十分長(zhǎng)，如著名的F119發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期長(zhǎng)達(dá)23年，而且還存在失敗風(fēng)險(xiǎn)。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的高難度、高投入、長(zhǎng)周期、高風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的入門難度巨大。目前，能夠獨(dú)立研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家僅僅只有美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、俄羅斯以及中國(guó)五個(gè)國(guó)家[1-2]。由于中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制起步晚，工業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，所以遠(yuǎn)落后于其他四個(gè)國(guó)家。因此，國(guó)家在2015年開始實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)“兩機(jī)”專項(xiàng)，并列為百項(xiàng)重大工程之首[3]，可以看出高素質(zhì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)已經(jīng)迫在眉睫[4-5]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)剖面圖，如1圖所示。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)的困點(diǎn)

從目前的教學(xué)現(xiàn)狀來看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的教學(xué)仍局限于課本理論教育，缺乏必要的實(shí)驗(yàn)教育，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)特性實(shí)驗(yàn)方面，這不利于培養(yǎng)全方位的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)人才。因此，作為“三航”院校，如何培養(yǎng)高素質(zhì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才已經(jīng)成為“三航”院校的難題。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的教學(xué)受制于各類原因局限在課本教育，培養(yǎng)的人才缺乏對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總體認(rèn)知，實(shí)踐能力不夠，遠(yuǎn)達(dá)不到航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)對(duì)專業(yè)人才的需求。無法進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)實(shí)驗(yàn)主要是由如下幾個(gè)原因造成的：

（一）航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)不可見

流動(dòng)的可視化一直是流體力學(xué)教學(xué)的主要難點(diǎn)，將不可見/不可感受的速度、壓力、密度以及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，利用相關(guān)方法進(jìn)行流場(chǎng)可見是流場(chǎng)測(cè)量的難點(diǎn)。一般來說，主要有以下幾種流場(chǎng)顯示方法，如油流/油膜法、紋影法、示蹤粒子法等等，這在簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下得到了大量運(yùn)用。但航空發(fā)動(dòng)機(jī)其本身結(jié)構(gòu)精密，具有旋轉(zhuǎn)速度快、流道模型復(fù)雜等特點(diǎn)，無法使用傳統(tǒng)的流場(chǎng)顯示法將流場(chǎng)進(jìn)行顯示，限制了學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

（二）航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)不可摸

航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)種類繁多，如總壓恢復(fù)系數(shù)、速度三角形、推力系數(shù)、燃油消耗率、穩(wěn)定性裕度、共同工作點(diǎn)、進(jìn)氣畸變等，這些參數(shù)的理論教學(xué)抽象，學(xué)生無法充分理解這些性能參數(shù)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的影響規(guī)律，亦不能認(rèn)識(shí)到這些性能參數(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的重要性。學(xué)生僅僅從書本上獲取參數(shù)的定義無法建立具體的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程。

（三）航空發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)實(shí)驗(yàn)成本高昂

普通軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命在幾千小時(shí)，而價(jià)格高達(dá)幾千萬左右，每小時(shí)運(yùn)行成本十分昂貴，單次實(shí)驗(yàn)成本在幾十萬左右，普通高校在進(jìn)行本科教學(xué)時(shí)根本無力承擔(dān)如此高昂的費(fèi)用，所以在教學(xué)過程進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理的整機(jī)實(shí)驗(yàn)是不可行的。而僅僅進(jìn)行理論上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，終究是紙上談兵，不利于學(xué)生全面認(rèn)識(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理的相關(guān)知識(shí)。

（四）航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理實(shí)驗(yàn)難度大

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、渦輪以及噴管內(nèi)部溫度最高達(dá)1600K以上。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)安全存在較多隱患，一不注意會(huì)給學(xué)生帶來非常嚴(yán)重的傷害。此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在非正常運(yùn)行情況下，存在著失速、喘振等極端現(xiàn)象，且很難精確復(fù)現(xiàn)，這些現(xiàn)象對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)是極其致命的，操作不當(dāng)會(huì)直接報(bào)廢航空發(fā)動(dòng)機(jī)，造成不可估量的損失，因此一般不會(huì)做這種風(fēng)險(xiǎn)極大的實(shí)驗(yàn)，因此加大了學(xué)生對(duì)于這些典型流動(dòng)特征的理解難度。

（五）航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)污染嚴(yán)重

利用實(shí)物發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)勢(shì)必會(huì)消耗大量燃油，產(chǎn)生大量尾氣，進(jìn)而造成對(duì)環(huán)境的污染，此外噪聲大也會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，所以在學(xué)校，特別是在人員聚集的地方無法進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)。

二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（一）項(xiàng)目簡(jiǎn)介

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制長(zhǎng)期落后于西方國(guó)家，很大一部分原因在于航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才培養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)教育的不足。盡管近年來國(guó)家對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才培養(yǎng)越發(fā)重視，但目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的教學(xué)仍然局限于課堂教育。被譽(yù)為工業(yè)皇冠的航空發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅以課堂教學(xué)無法給學(xué)生建立系統(tǒng)性的航空發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)理論體系，更無從談起培養(yǎng)高層次全方位的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)人才。雖然各航空專業(yè)高校在國(guó)家資金以及各航空發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)所硬件的支持下都配備幾臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)，但這些航空發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)大多數(shù)都是使用壽命到頭的淘汰機(jī)，或者僅僅是模型樣機(jī)，基本無法開展整機(jī)原理試驗(yàn)。即使少數(shù)幾臺(tái)能進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)，也無法滿足每學(xué)期眾多學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求。加之前文所述的五大局限，在高校中進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理整機(jī)特性實(shí)驗(yàn)的難度可想而知，幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。

2018年5月30日，為學(xué)習(xí)貫徹黨的十九大精神，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》。通知指出“國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措?！盵6]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的落實(shí)，將信息技術(shù)融入到了傳統(tǒng)教學(xué)方法中，改變課堂教學(xué)的單一知識(shí)獲取方式，讓學(xué)生能更好地融入到學(xué)習(xí)中，身臨其境探索課本上無法切身體會(huì)的知識(shí)點(diǎn)，有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真的出現(xiàn)可有效解決上述航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困點(diǎn)和難點(diǎn)，可以極大促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的教學(xué)，可以讓學(xué)生們將理論與實(shí)際相結(jié)合，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理的認(rèn)識(shí)[7]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理是飛行器動(dòng)力工程人才培養(yǎng)方案中一門非常關(guān)鍵的專業(yè)課，系統(tǒng)性地讓學(xué)生建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總體概念，為培養(yǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才起到承前啟后的核心作用[8]。因此，本課程理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量直接關(guān)乎航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才的科研素質(zhì)，對(duì)于培養(yǎng)一流人才起著舉足輕重的作用。此外，從我校飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中可以看出，該課程還服務(wù)于飛行器動(dòng)力工程的4門核心主干課和2門專業(yè)導(dǎo)論課，包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)、航空航天概論、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化引論等?？梢钥闯?，航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程除了本身對(duì)人才培養(yǎng)非常重要外，還與其他課程有著緊密聯(lián)系。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常關(guān)鍵的，直接關(guān)乎學(xué)生的綜合科研素養(yǎng)，必須加大在該課程上的教學(xué)投入力度，特別是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面。

據(jù)此南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院徐驚雷教授團(tuán)隊(duì)用時(shí)多年，結(jié)合多位長(zhǎng)期在一線從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)教師的經(jīng)驗(yàn)，基于恒點(diǎn)虛擬仿真平臺(tái)打造了航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。項(xiàng)目總共設(shè)計(jì)了四個(gè)環(huán)節(jié)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空推進(jìn)原理認(rèn)知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件特性剖析，航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的集成匹配探索以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)特性實(shí)驗(yàn)。圖2是四個(gè)模塊的邏輯關(guān)系圖，以“自我認(rèn)知、富于探索”為主旨、航空發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)原理認(rèn)知為核心，展開對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件特性的剖析認(rèn)知。部件特性剖析模塊包含了進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管五大航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件，可以便于學(xué)生在一次實(shí)驗(yàn)中完成五個(gè)子實(shí)驗(yàn)，了解各部件的工作原理和特性。在充分了解航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件工作特性的基礎(chǔ)之上，學(xué)生可進(jìn)行關(guān)鍵部件的集成探索，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行匹配集成，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的認(rèn)識(shí)，助力學(xué)生建立對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體的認(rèn)知。最后模塊為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)特性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作特性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體觀。

（二）項(xiàng)目特點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真項(xiàng)目主要包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)各主要部件工作特性以及總體工作原理，具有基礎(chǔ)知識(shí)面廣、工程實(shí)踐性強(qiáng)、內(nèi)容結(jié)構(gòu)復(fù)雜、知識(shí)體系深而廣的特點(diǎn)。為了充分發(fā)揮航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，本實(shí)驗(yàn)主要利用了講授法、問題探究法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、自主學(xué)習(xí)法、演示法等教學(xué)方法將各專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)分解并融入航空發(fā)動(dòng)機(jī)“推進(jìn)原理認(rèn)知、部件特性剖析、關(guān)鍵部件的集成匹配探索、整機(jī)特性實(shí)驗(yàn)”四個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)，服務(wù)于學(xué)生“基本原理學(xué)習(xí)、綜合能力訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的實(shí)踐學(xué)習(xí)過程，體現(xiàn)了“分層次、交互式、重探索、多樣性”的特征，著重培養(yǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)學(xué)生的自我認(rèn)知與探索能力，助力航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)。

1. 利用演示法和自主學(xué)習(xí)法掌握推進(jìn)原理和主要組成部件認(rèn)知

本環(huán)節(jié)以航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)理論為核心，著重于提升學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)概論以及飛發(fā)一體化導(dǎo)論課程中基礎(chǔ)理論知識(shí)的認(rèn)知水平以及掌握程度，讓學(xué)生直觀了解到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功能、基本組成以及工作原理。項(xiàng)目利用視頻、動(dòng)畫等技術(shù)深層次展現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及原理，學(xué)生進(jìn)行交互式操作和全方位觀察。此外，學(xué)生通過虛擬按鈕課對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行拆卸，深入觀察各部件構(gòu)成和基本功能。配合航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力的分布和性能參數(shù)的實(shí)時(shí)變化圖，可以使得學(xué)生有效建立對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)原理以及各部件作用系統(tǒng)的全面認(rèn)知和理解，為后續(xù)環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

2. 利用講授法、演示法和問題探究法完成部件特性剖析

通過講授、引導(dǎo)和自主探索等教學(xué)模式，讓學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的典型部件以及內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律建立概念。隨之，提出航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件如何保持高效工作等問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行部件剖析環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，可有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思維。在本環(huán)節(jié)內(nèi)，首先利用演示法給學(xué)生展示航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件，幫助學(xué)生鞏固航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的結(jié)構(gòu)，復(fù)習(xí)相應(yīng)理論知識(shí)。其次學(xué)生通過交互界面利用已掌握的理論知識(shí)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲取航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的性能參數(shù)變化規(guī)律。通過這種交互式操作，所見所得，學(xué)生可清楚地認(rèn)識(shí)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作原理，摸清工作參數(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的影響規(guī)律，加深學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室原理等課程中基礎(chǔ)知識(shí)的理解。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可對(duì)先前問題進(jìn)行求解，保證部件的高效工作，可有效激發(fā)學(xué)生對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的學(xué)習(xí)熱情。

3. 利用問題探究法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法及自主學(xué)習(xí)法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)部件集成探索

探索性實(shí)驗(yàn)可充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加深學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理解，有助于培養(yǎng)具有獨(dú)立思維及創(chuàng)新能力的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)人才。本環(huán)節(jié)主要是指學(xué)生通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行匹配探索，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、來流狀態(tài)進(jìn)行掌握。進(jìn)一步地，讓學(xué)生根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，完成其部件以及燃油的控制優(yōu)化工作。本環(huán)節(jié)內(nèi)容主要涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管調(diào)節(jié)、共同工作特性、加速路徑設(shè)置以及喘振等，主要是為了引導(dǎo)學(xué)生自主、開放性地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)規(guī)律和控制參數(shù)進(jìn)行控制，并能夠根據(jù)需要相應(yīng)地改變上述各種相關(guān)參數(shù)。通過虛擬仿真發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可視化效果，學(xué)生可以不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)規(guī)律和控制參數(shù)，保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)順利工作，避免進(jìn)入喘振、失速等狀態(tài)[9]。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠全面認(rèn)識(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作、調(diào)節(jié)規(guī)律以及控制參數(shù)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的性能影響，通過自主設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)規(guī)律，從而有效保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，進(jìn)一步提升學(xué)生探索與創(chuàng)新實(shí)踐能力。虛擬仿真形式的航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)有效避免學(xué)生誤操作對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的損害，可以給學(xué)生充分探索航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作特征、原理和性能的學(xué)習(xí)空間。

4. 綜合利用各種教學(xué)方法進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)特性實(shí)驗(yàn)

本環(huán)節(jié)主要是讓學(xué)生“親身”參與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程，了解航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程，從整體上掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提升學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析、處理復(fù)雜問題的能力。因此，要求學(xué)生不僅要掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的工作原理和工作性能參數(shù)變化規(guī)律，還需要掌握進(jìn)氣道與壓氣機(jī)的匹配特性、壓氣機(jī)與渦輪的共同工作特性以及噴管部件調(diào)節(jié)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作裕度的影響等。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在虛擬試車臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)整機(jī)實(shí)驗(yàn)，獲得標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)天氣下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿、飛行高度、飛行速度的改變，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、各部件的性能參數(shù)和各部件的狀態(tài)參數(shù)，理解發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)工作特性以及工作性能變化。本認(rèn)知模塊側(cè)重點(diǎn)在于學(xué)生可以通過交互界面來改變來流狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)油門等參數(shù)，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，從而在整體上更加深入、全面地了解航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。

通過四個(gè)環(huán)節(jié)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本工作原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件工作特性、航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件匹配特性以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)特性試驗(yàn)，讓學(xué)生深入掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理的基礎(chǔ)知識(shí)。

（三）項(xiàng)目實(shí)施過程

為了讓學(xué)生能夠充分地使用航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理虛擬仿真平臺(tái)，高效利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)施過程中注重以下三個(gè)部分內(nèi)容的建設(shè)：

1. 通過自主學(xué)習(xí)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)課程中的講授法相互結(jié)合，在推進(jìn)原理認(rèn)知和部件特性實(shí)驗(yàn)兩個(gè)模塊中布置了較多的需要學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容。學(xué)生通過本項(xiàng)目的引導(dǎo)視頻以及布置自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以初步建立對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理的認(rèn)知，了解本仿真項(xiàng)目的主要目標(biāo)。

2. 利用問題探究法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法在虛擬仿真項(xiàng)目的部件特性剖析、集成匹配探索環(huán)節(jié)設(shè)置了問題（了解航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件工作方式，并高效工作）和對(duì)應(yīng)的任務(wù)（對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行匹配，避免發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)）。學(xué)生可以通過在虛擬平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)過程，完成建立問題-解決問題的核心過程，自主建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作循環(huán)。通過虛擬仿真平臺(tái)布置集成匹配的任務(wù)，學(xué)生通過在前期建立起來的航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)來完成相應(yīng)的任務(wù)，最終形成航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件匹配的知識(shí)體系。

3. 將教授法和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)法深入融合，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)形式和問題探究形式進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能虛擬仿真項(xiàng)目的建設(shè)，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)操作過程，并在屏幕上通過彈框提示一步一步完成操作，這樣能夠使得學(xué)生在問題和任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，在完成前三個(gè)環(huán)節(jié)后能高質(zhì)量完成最后一個(gè)環(huán)節(jié)。

通過綜合采用上述各種方法，學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理相關(guān)課程的重要知識(shí)點(diǎn)，形成了一個(gè)由淺入深、由易到難、由概貌到細(xì)節(jié)、由部件到整機(jī)的綜合性、系統(tǒng)化的知識(shí)架構(gòu)，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐和探索能力的培養(yǎng)。

（四）項(xiàng)目實(shí)施效果

本項(xiàng)目的網(wǎng)址是aeroengine-lab.nuaa.edu.cn。項(xiàng)目實(shí)施開始后到目前為止，已經(jīng)有7300多人進(jìn)入系統(tǒng)瀏覽過本項(xiàng)目，本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)評(píng)分滿分為5分。其中有1200多人已經(jīng)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，在這1200多位實(shí)驗(yàn)人員中有898人達(dá)到優(yōu)秀，達(dá)標(biāo)人數(shù)為135人，不達(dá)標(biāo)人數(shù)為179人，整體通過率為85.2%。從參與實(shí)驗(yàn)人員的反饋中，可以看出“加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體及部件的理解”是大多數(shù)學(xué)員給出的評(píng)價(jià)，也達(dá)到了本虛擬仿真項(xiàng)目的最初目的。本項(xiàng)目在2019年被認(rèn)定為江蘇省省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，后續(xù)將持續(xù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)人才培養(yǎng)服務(wù)。

三、結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)事關(guān)國(guó)家政治、軍事及經(jīng)濟(jì)地位，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的象征，因此培養(yǎng)高素質(zhì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)人才的重要性不言而喻。受制于實(shí)驗(yàn)成本、場(chǎng)地、環(huán)境以及技術(shù)，目前絕大數(shù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理教學(xué)都是基于理論教授，學(xué)生缺乏實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)專業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)人才。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真的出現(xiàn)可有效解決此類問題，同時(shí)也解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整車實(shí)驗(yàn)成本高、難度大等一些突出問題。此外，虛擬仿真給予學(xué)生充分的探索空間，讓學(xué)生完成在許多真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)上無法進(jìn)行的參數(shù)調(diào)節(jié)、部件匹配、航空發(fā)動(dòng)機(jī)喘振等實(shí)驗(yàn)，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性?？偠灾娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)原理虛擬仿真項(xiàng)目為培養(yǎng)高素質(zhì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)人才提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，提升了航空發(fā)動(dòng)機(jī)從業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)，進(jìn)一步助力我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展。

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