虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究
——以飛行器環(huán)控課程實(shí)驗(yàn)為例

李 可，張興娟，楊春信，林貴平

（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)代大學(xué)的重要標(biāo)志與三大支柱之一，是教學(xué)與科研創(chuàng)新的重要基地，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和提高實(shí)踐能力的重要場地，對(duì)培養(yǎng)具有實(shí)踐和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才有著重要的作用。長期以來，傳統(tǒng)儀器是實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)資源，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)所依托的基本方式與手段，但也存在明顯不足。然而隨著航空與宇航科學(xué)技術(shù)專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)種類的增多，對(duì)實(shí)驗(yàn)測量與控制設(shè)備的要求也進(jìn)一步提高。對(duì)于非電類專業(yè)的學(xué)生如何使用簡單、通用、安全、易于上手的計(jì)算機(jī)測控實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行專業(yè)試驗(yàn)是發(fā)揮實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備功效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量亟待解決的問題?，F(xiàn)今傳統(tǒng)儀器設(shè)備已不能適應(yīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)乃至培養(yǎng)現(xiàn)代化人才的需要[1]。隨著低成本高性能計(jì)算機(jī)資源的大力普及運(yùn)用，為在測控領(lǐng)域廣泛采用虛擬仿真構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本方式和未來發(fā)展趨勢。虛擬仿真技術(shù)可克服傳統(tǒng)儀器的弊端，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和靈活的軟件技術(shù)，在有限的硬件基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)符合要求的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)的測量儀器實(shí)驗(yàn)相比，能夠使學(xué)生沉浸式投入實(shí)驗(yàn)、有效提高實(shí)驗(yàn)效率[2]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依據(jù)教學(xué)需求，設(shè)計(jì)包含網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩部分，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的門戶，用于對(duì)用戶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，并作為用戶間日常溝通交流與經(jīng)驗(yàn)分享的平臺(tái)；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用全3D場景仿真實(shí)驗(yàn)方法，達(dá)到教學(xué)中的多任務(wù)、多科目的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練及考核目的。其中網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)包含如下幾個(gè)模塊：

（1）平臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊作為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與其它模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互及處理，并與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通信發(fā)送與接收用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（2）用戶數(shù)據(jù)庫，該模塊存儲(chǔ)用戶的登錄信息、實(shí)驗(yàn)記錄及其他個(gè)性化數(shù)據(jù)；

（3）前端顯示交互模塊，該模塊作為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的人機(jī)交互界面，提供用戶訪問各個(gè)內(nèi)容的入口；

（4）網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)模塊，該模塊遵循通信協(xié)議，提供網(wǎng)絡(luò)信息的收發(fā)處理功能；

（5）數(shù)據(jù)安全保障模塊，該模塊用戶保護(hù)用戶信息的安全性。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含：

（1）任務(wù)總控模塊，為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理核心，是各個(gè)模塊的信息交匯點(diǎn)；

（2）賬號(hào)管理模塊，該模塊負(fù)責(zé)管理用戶的實(shí)驗(yàn)信息，與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)直接通信；

（3）模型資源庫，存儲(chǔ)三維場景中的可視化模型；

（4）效果資源庫，存儲(chǔ)用于可視化顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化效果資源；

（5）環(huán)境控制模塊，提供對(duì)實(shí)驗(yàn)整體邊界條件的控制功能；

（6）行為邏輯控制模塊，承擔(dān)實(shí)驗(yàn)中的邏輯判斷及物理模擬功能；

（7）任務(wù)流程管理模塊，決定任務(wù)中的進(jìn)展順序和進(jìn)度狀態(tài)；

（8）三維可視化顯示模塊，用于三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可視化渲染；

（9）人機(jī)交互模塊，用于提供體驗(yàn)良好的人機(jī)交互界面，引導(dǎo)用戶完成實(shí)驗(yàn)并顯示關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)信息。

飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持飛機(jī)駕駛艙與座艙內(nèi)安全舒適的壓力和溫度等環(huán)境參數(shù)，保障飛行員與乘客的身體健康。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)飛行器的安全性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性有很大影響。在該領(lǐng)域培養(yǎng)知識(shí)全面，專業(yè)扎實(shí)，勇于創(chuàng)新的高素質(zhì)人才，是我國大型民用客機(jī)、先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)、載人航天等“大國利器”重大研發(fā)項(xiàng)目的迫切需求。載人飛機(jī)的核心是人，而性能優(yōu)良的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)對(duì)軍用飛機(jī)而言是戰(zhàn)斗力的堅(jiān)實(shí)保障，對(duì)民用飛機(jī)而言，是提升飛機(jī)舒適性的關(guān)鍵，而防除冰系統(tǒng)對(duì)于飛行器而言，是關(guān)乎飛行安全的重要部分。隨著近些年來我國航空工業(yè)迅速發(fā)展，尤其是以C919、CR929為代表的大型商用飛機(jī)的研發(fā)，人機(jī)環(huán)領(lǐng)域航空人才培養(yǎng)對(duì)于未來我國航空工業(yè)的發(fā)展將起到極為重要的作用。然而，飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)涉及復(fù)雜的系統(tǒng)流程、熱力設(shè)備及管路設(shè)計(jì)問題。傳統(tǒng)書本教學(xué)方法無法詳細(xì)展示設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行情況，高危及大能耗實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)又不能允許學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作及探究性實(shí)驗(yàn)研究。采用虛擬仿真的方式進(jìn)行教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，成了一種可行的方案，采用此種方式進(jìn)行教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，可破除場地、時(shí)間、成本的限制，并且表現(xiàn)方式直觀、生動(dòng)，同時(shí)具備極強(qiáng)的可拓展性，在各類教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮出了極高的價(jià)值，因此，建立一套飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)和防除冰系統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)該領(lǐng)域人才的培養(yǎng)，具有積極的意義。

北京航空航天大學(xué)人機(jī)工效與環(huán)境控制實(shí)驗(yàn)室擔(dān)負(fù)著本科生和研究生人機(jī)環(huán)境測控實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科學(xué)研究任務(wù)，為適應(yīng)培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需要，在實(shí)驗(yàn)室已有資源的基礎(chǔ)上積極開發(fā)虛擬儀器用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并取得了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)向數(shù)字化、虛擬化、集成化發(fā)展和人才培養(yǎng)雙贏好效果。以飛行器環(huán)控課程實(shí)驗(yàn)為例的虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用案例：

（1）以某型旅客機(jī)為例，采用虛擬3D技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了由發(fā)動(dòng)機(jī)引氣、環(huán)境控制系統(tǒng)及座艙空氣分配系統(tǒng)的機(jī)載布局的生動(dòng)展示、學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)在電腦終端操作實(shí)驗(yàn)。認(rèn)知原理實(shí)驗(yàn)可分為兩個(gè)部分，第一部分為制冷系統(tǒng)部件組成認(rèn)知；第二部分為空氣分配系統(tǒng)及溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

（2）在體積固定的座艙內(nèi)，壓力的變化主要與進(jìn)出座艙的凈流量相關(guān)。座艙的進(jìn)氣流量來自發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，出氣流量是在座艙與飛行高度環(huán)境之間的壓差下流經(jīng)排氣活門的流量。座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)按照座艙壓力反饋，通過調(diào)節(jié)排氣活門的流通面積來改變出氣量，進(jìn)而控制座艙壓力及其變化率，實(shí)現(xiàn)座艙壓力制度?；谧搲毫φ{(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理和過程，設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：①模擬三種典型的壓力制度。②通過仿真模擬座艙體積、進(jìn)氣流量、排氣活門最大流通面積等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)壓力調(diào)節(jié)效果的影響。③通過仿真模擬不同PID控制參數(shù)對(duì)壓力調(diào)節(jié)效果的影響。

（3）飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基于三輪升壓式空氣循環(huán)系統(tǒng)，參考某型飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)實(shí)物圖，搭建仿真模型。將實(shí)驗(yàn)測得的部件參數(shù)輸入到仿真模型中，運(yùn)行系統(tǒng)仿真后獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生能夠直觀看到從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣到座艙空調(diào)噴口的完整氣體流動(dòng)過程，也可通過手動(dòng)設(shè)置引氣參數(shù)、換熱器面積和渦輪效率，研究其對(duì)渦輪出口溫度的影響。

三部分內(nèi)容包含多種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)員實(shí)驗(yàn)中，能夠模擬數(shù)十種條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，生動(dòng)形象體現(xiàn)飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的工作原理和流程。系統(tǒng)支持在網(wǎng)頁端、PC端和平板電腦上運(yùn)行，具備靈活的平臺(tái)適配性。

以下對(duì)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)流程及分項(xiàng)進(jìn)行說明：

學(xué)員進(jìn)入系統(tǒng)后，將進(jìn)入第一部分飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)部分。

飛機(jī)ECS環(huán)境控制系統(tǒng)布局實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)布局實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分，第一部分為制冷系統(tǒng)部件組成，通過該部分的學(xué)習(xí)，學(xué)員能夠掌握飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)中制冷系統(tǒng)的主要組成部分以及結(jié)構(gòu)分布區(qū)域，并對(duì)每一部分的作用進(jìn)行總體的了解，第二部分為管道流向與溫度分布認(rèn)識(shí)，該實(shí)驗(yàn)中，學(xué)員通過學(xué)習(xí)了解飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)中制冷系統(tǒng)的各部件氣流溫度分布和氣流流向，完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行原理的直觀認(rèn)知，遍布全機(jī)的制冷系統(tǒng)閉環(huán)可使學(xué)員對(duì)環(huán)控系統(tǒng)的復(fù)雜性產(chǎn)生清晰的理解。

實(shí)驗(yàn)步驟：

進(jìn)入該部分后，首先以文字、圖片等方式對(duì)飛機(jī)ECS環(huán)境控制系統(tǒng)的概念、作用等概述性內(nèi)容進(jìn)行簡介，學(xué)員學(xué)習(xí)完成后，點(diǎn)擊按鍵進(jìn)入第一個(gè)交互式學(xué)習(xí)模塊，即大型客機(jī)環(huán)控系統(tǒng)組成、管道布局教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

制冷系統(tǒng)部件組成。

該模塊以C919大型客機(jī)外觀及環(huán)控系統(tǒng)和管路三維模型為展示核心，采用透視的表現(xiàn)形式展現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)和管路可分割為多個(gè)子系統(tǒng)和部件，每一個(gè)子系統(tǒng)和部件設(shè)置單獨(dú)的熱點(diǎn)可用于點(diǎn)擊交互，當(dāng)選擇某一子系統(tǒng)或部件時(shí)，將會(huì)采用特寫鏡頭對(duì)該熱點(diǎn)進(jìn)行觀察。

在此模塊中，視角可根據(jù)學(xué)員操作進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便進(jìn)行多角度的觀察。在學(xué)員完成全部子系統(tǒng)和部件學(xué)習(xí)后，可激活按鈕進(jìn)入下一模塊。

管道流向與溫度分布實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

該模塊顯示基本模式與上一模塊相同，采用透視顯示效果進(jìn)行飛機(jī)及內(nèi)部顯示，同時(shí)采用紅藍(lán)色差體現(xiàn)座艙內(nèi)壓力分布和流量分布管道

在學(xué)員完成座艙壓力分布、流量分布管道內(nèi)容后，可激活按鍵進(jìn)入下一教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

飛行器環(huán)控系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總體采用“逐層進(jìn)階”的設(shè)計(jì)思路，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中掌握環(huán)控系統(tǒng)的原理和調(diào)節(jié)規(guī)律。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生充分掌握相關(guān)知識(shí)，采用自主式學(xué)習(xí)、互動(dòng)式、問題探索、現(xiàn)場式等多種教學(xué)方法的結(jié)合，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。

1 自主式學(xué)習(xí)教學(xué)方法

自主式教學(xué)方法的教學(xué)方法目的是訓(xùn)練學(xué)生對(duì)課程大綱要求“掌握飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)組成、機(jī)上布局,通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握飛機(jī)座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成、壓力制度與調(diào)壓系統(tǒng)工作原理,掌握飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)原理”等知識(shí)內(nèi)容。相對(duì)于專業(yè)知識(shí)本身，該教學(xué)方法更加注重讓學(xué)生探索知識(shí)的來源。

2 互動(dòng)式學(xué)習(xí)教學(xué)方法

該教學(xué)方法貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，包括原理學(xué)習(xí)探究、設(shè)計(jì)分析等層次。學(xué)生首先開展原理學(xué)習(xí)探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生依次完成環(huán)控系統(tǒng)基本原理、環(huán)控系統(tǒng)關(guān)鍵部件技術(shù)、系統(tǒng)整體測試等3個(gè)階段的原理探究實(shí)驗(yàn)，之后學(xué)生開始設(shè)計(jì)分析層次的實(shí)驗(yàn)。教學(xué)系統(tǒng)中提供了“有問必答”及“經(jīng)驗(yàn)分享”等模塊，幫助老師和學(xué)生實(shí)現(xiàn)在線答疑、討論與學(xué)術(shù)交流，并與平時(shí)成績關(guān)聯(lián)，有效提高了師生互動(dòng)的效果。讓學(xué)生從設(shè)計(jì)過程中研究不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，加深學(xué)生對(duì)不同參數(shù)的了解和認(rèn)識(shí)，改變傳統(tǒng)教學(xué)中“重理論講授、輕過程分析”的不足。

3 問題探究式教學(xué)方法

問題探究式教學(xué)方法的目的是引導(dǎo)學(xué)生自主、開放性提出飛行器環(huán)境控制設(shè)計(jì)的方法和要求，同時(shí)讓學(xué)生掌握優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置了“1套系統(tǒng)、2個(gè)層次、3個(gè)實(shí)驗(yàn)”，即一套可多終端運(yùn)行的虛擬仿真系統(tǒng)，飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)認(rèn)知探究、飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析兩個(gè)層次，飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)三個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（1）按照“能實(shí)不虛”的原則，環(huán)控系統(tǒng)部件實(shí)驗(yàn)如換熱器、渦輪冷卻器等的特性實(shí)驗(yàn)采用實(shí)物仿真試驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要解決系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)條件不足、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高的問題。

（2）從學(xué)生能力培養(yǎng)的角度，由淺入深設(shè)計(jì)了沉浸式認(rèn)知實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。沉浸式認(rèn)知實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生了解環(huán)控系統(tǒng)在機(jī)上的安裝布局、從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣到座艙入口空調(diào)器的完整氣體流動(dòng)過程。壓力調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)是飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的主要功能，研究型實(shí)驗(yàn)主要設(shè)計(jì)了座艙壓力調(diào)節(jié)和空氣制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室工作對(duì)任何一所大學(xué)都是十分重要的。因此，必須注重實(shí)驗(yàn)技術(shù)的更新提高。就實(shí)驗(yàn)技術(shù)而言，引進(jìn)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以很大程度上節(jié)省人力和物力的浪費(fèi)，極大地提高實(shí)驗(yàn)效率。同時(shí)也可以使學(xué)生緊跟技術(shù)前沿，適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，虛擬儀器技術(shù)顯著的優(yōu)勢代表了實(shí)驗(yàn)室向數(shù)字化、虛擬化、集成化的發(fā)展方向和趨勢。虛擬技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，無疑將對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才發(fā)揮重要作用[3]。