淺談《航空推進原理》課程教學改革與實踐

楊亞晶，雷 蔣，薛 瑞，陽倦成

（西安交通大學航天學院空天工程系，陜西 西安 710049）

0 引言

航空發(fā)動機以化石燃料作為能源，將化學能轉(zhuǎn)化為機械能、為飛行器提供動力，是飛機的心臟和動力之源，更是整個航空工業(yè)的動力之源。因其高度的技術(shù)難度和復雜性，被稱為“工業(yè)皇冠上的明珠”和“工業(yè)之花”。

近年來，隨著國家對航空工業(yè)的投入逐漸加大，航空工業(yè)蓬勃發(fā)展，與此同時，航科院、所、廠對高校航空動力相關(guān)專業(yè)的本科生培養(yǎng)也提出了更高的要求及期許?！逗娇胀七M原理》課程在航空類專業(yè)人才培養(yǎng)計劃中占有非常重要的地位，很多院校都開設該門課程，各有側(cè)重。作為我校飛行器動力工程、飛行器設計與工程本科生的專業(yè)核心課程，如何結(jié)合國家戰(zhàn)略設定課程的特色和重點；如何優(yōu)化升華內(nèi)容，體現(xiàn)與時俱進；如何提高教學效率和效果，活躍課堂；如何避免照本宣科，引發(fā)學生深度思考等等，都是本門課需要重新梳理的問題。[1]

1 我國航空發(fā)動機行業(yè)的戰(zhàn)略背景

我國航空發(fā)動機行業(yè)起步偏晚、道路曲折，目前先進型號依賴進口，特別是大涵道比渦輪風扇發(fā)動機的研制方面還存在諸多障礙和困難。2005年，國產(chǎn)第一型三代大推力軍用渦扇發(fā)動機渦扇-10通過了定型審查，并在隨后的使用中不斷提高其可靠性和穩(wěn)定性，直到最終趨于成熟，這一步在中國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史中意義巨大。目前渦扇-10及其改進型號可用于裝備殲-10等中國當代主力三代戰(zhàn)斗機，盡管如此，渦扇-10發(fā)動機晚于美國F110約30年，而用于四代戰(zhàn)機的美國F-119發(fā)動機首裝于1997年，我國相對應的發(fā)動機已落后至少20年以上。民用領域，我國尚無用于商業(yè)航線的大涵道比渦輪風扇發(fā)動機成熟型號，若假設中國航發(fā)商發(fā)正在研制的長江-1000A發(fā)動機于2025年～2030年之間研制成功，則至少落后于國際先進水平CFM國際公司的Leap發(fā)動機約15～20年。

基于此現(xiàn)狀，國家在2017年啟動了兩機專項，在國家充足資源的保障下，我國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)新型號的研發(fā)呈現(xiàn)出了多點開花的局面，基本形成“軍民并舉、完整覆蓋”的態(tài)勢，未來的5～10年內(nèi)，我國航空發(fā)動機整個產(chǎn)業(yè)將迎來一個高速增長的黃金時期。這意味著我國已經(jīng)開始走上了先進渦扇發(fā)動機的自主研制的快車道，面對當前的大好形勢和攻關(guān)難點，筆者所擔任的《航空推進原理》課程對于航空動力專業(yè)的本科生來說顯得尤為重要，掌握先進航空推進原理意義深遠。

2 課程內(nèi)容及教學方法的改革與實踐

未來航空發(fā)動機會不斷向智能化、高速化、高效化、一體化、新質(zhì)化方向發(fā)展，需要先進渦輪風扇發(fā)動機原理的支撐。而目前航空推進的相關(guān)教材多是航空燃氣輪機發(fā)動機本身的工作原理和性能的概述，缺少發(fā)動機和飛機性能匹配的內(nèi)容；另外，多是講述發(fā)動機的設計性能，缺少發(fā)動機在使用中的性能變化和健康管理的內(nèi)容；再者，多是以軍機為主，對民用發(fā)動機關(guān)注不夠。另外，該門課程理論知識點繁多，內(nèi)容分散抽象，理論授課與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，嚴重阻礙了學生深入學習的動力和興趣。課程將基于國家戰(zhàn)略，從內(nèi)容構(gòu)架、教學方法及課程思政三方面進行改革與創(chuàng)新，課程的先修課程涉及流體力學、工程熱力學、傳熱學、燃燒學、葉片機原理等，因此在課程內(nèi)容設置上將弱化先修課程的鋪墊內(nèi)容，略去不必要的復習重申過程，重點放在對先進渦扇發(fā)動機的整體認知上，包括總的工作過程、部件的共同工作及整機特性，穿插講授發(fā)動機的使用性能、飛發(fā)一體等概念。[2-3]基于此，筆者對《航空推進原理》課程教學有了如下改革舉措：

2.1 基于國家發(fā)展大飛機戰(zhàn)略目標，優(yōu)化系統(tǒng)先進的教案和課件

教材及課件在落實學生培養(yǎng)方案的過程中尤為重要，需要選擇適合本專業(yè)特色的、內(nèi)容先進的、與先修課程銜接較好的教材作為課程載體，完成課程定位的把握。在課程改革的過程中，筆者參考了多本教材，根據(jù)我校飛行器動力工程專業(yè)的本科生培養(yǎng)方案及專業(yè)特色，最終遴選出了大飛機出版工程教材《航空燃氣渦輪發(fā)動機工作原理及性能》一書。該教材極好地契合了國家在航空發(fā)動機方面的發(fā)展戰(zhàn)略，以渦輪風扇發(fā)動機為主，梳理出了“總―分―總”的教學思路，使學生始終站在比較高的維度上，從課程一開始就樹立學生的總體意識，緊扣飛發(fā)一體化特征，輕松掌握渦扇發(fā)動機的相關(guān)內(nèi)容。

2.2 課程思政融合國家戰(zhàn)略，實踐觀摩夯實理論知識

筆者根據(jù)不同章節(jié)的內(nèi)容特點及知識重點，整理了相關(guān)的課程視頻內(nèi)容，讓學生抽離枯燥的公式、參數(shù)、專業(yè)術(shù)語等，有效彌補了課程知識點分散、內(nèi)容抽象等對學生的困擾，同時理論授課與實物展示同步進行，更好地理論聯(lián)系實際，拉近學生與航空發(fā)動機這一復雜熱力機械之間的距離。[4]通過視頻，帶領學生走進國際最先進的航空發(fā)動機研制中心，直觀感受發(fā)動機部件的核心工作原理、整機裝配過程、各種試驗項目等，近距離感受工業(yè)之花之美，看到我國與國際先進航空工業(yè)的差距。同時課程思政穩(wěn)步推進，通過講授具體發(fā)動機型號的研制歷程使學生了解國家對航空發(fā)動機行業(yè)的大力支持與最新發(fā)展動態(tài)，激勵學生扎實掌握課程內(nèi)容，增強學生作為新一代航發(fā)人的責任感與使命感。視頻動畫展示在不同的章節(jié)里各有側(cè)重，與此同時，航空發(fā)動機的縮比模型也豐富了課上內(nèi)容，與學生一起探討部件裝配和協(xié)同工作的奧秘，目前已呈現(xiàn)初步效果，師生互動得以增強，學生的學習興趣得到極大提高，對課程內(nèi)容的理解程度也得以加深。

同時，課程依托發(fā)動機虛擬仿真平臺，針對小型大涵道比分排渦扇發(fā)動機DGEN380的工作過程開展課程實踐內(nèi)容，帶領學生觀摩發(fā)動機在不同的飛行狀態(tài)及使用狀態(tài)下各部件的熱力學參數(shù)變化、循環(huán)過程、共同工作線及工作點的變化規(guī)律，結(jié)合課上理論知識的講授，學生深刻掌握渦扇發(fā)動機各部件的共同工作特征及整體工作特性。遵從理論與實際相結(jié)合的思路，指導學生自行編制發(fā)動機實際工作模型，明確各個部件的工作過程，將性能計算結(jié)果與虛擬平臺軟試車結(jié)果進行比較分析，真正把課堂理論知識進行升維。[5]

2.3 討論正反饋，實例深剖析

如果說教學內(nèi)容是一門課程的軀體，那么，教學方法便是靈魂，老師的任務不是“灌滿一桶水”，而是“點燃一把火”，對此，筆者深有體會。授課過程中，教師拋出相關(guān)章節(jié)問題，或給出發(fā)動機實際案例，鼓勵學生由“問題導引”向“創(chuàng)新解決”方向深入，結(jié)合先修課程知識，學生課堂上進行計算分析完成正反饋，及時發(fā)現(xiàn)學生的理解痛點。在發(fā)動機案例的實際分析過程中，學生可探索實現(xiàn)發(fā)動機工作條件的邊界捕捉，深刻領悟發(fā)動機作為一個有機整體的工作模式，理解“牽一發(fā)動全身”的部件之間的協(xié)調(diào)與制約。

3 結(jié)語

《航空推進原理》課程經(jīng)過一年的課程實踐與改革，總―分―總模塊式的教學內(nèi)容及實踐案例的教學模式初見成效，初步踐行了“品行養(yǎng)成、知識傳授、能力培養(yǎng)、思維創(chuàng)新”四位一體的育人模式，在航空工業(yè)戰(zhàn)略大背景下，培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責任心，富有創(chuàng)新精神和實踐能力的優(yōu)秀本科生，同時不斷提高航空推進原理課程的專業(yè)核心價值。