《航空發動機結構分析》教學改革研究

鄭龍席 賈勝錫 李勍 馬躍陽

摘要：《航空發動機結構分析》是飛行器動力工程專業本科生的必修課程。針對該課程教學中存在的內容缺乏主線、教材表達不夠清楚等問題，文章提出了從教學內容、教學方法、實踐環節和考核環節四個方面對現有教學過程進行改革。初步實踐表明，改革之后教學手段更加豐富，學生的積極性和參與感更高，顯著提升了教學效果。

關鍵詞：航空發動機;結構分析;教學改革;實踐

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）12-0128-02

《航空發動機結構分析》這門課程以國內外典型發動機為例，系統介紹各主要部件的功能、設計要求、結構分析方法以及具體典型結構，是我校飛行器動力工程本科生的專業必修課程。學習該課程的時候，學生們會同時學習《工程熱力學》《氣體動力學》《航空發動機原理》等專業課程，這些課程從循環、氣動、原理等方面闡述航空發動機的相關特征，而《航空發動機結構分析》從具體結構、傳力、定位的角度分析航空發動機的整機特征和零部件特征，直接幫助學生們從宏觀上認識航空發動機，掌握航空發動機結構設計的基本原則、結構分析的基本方法。

一、教學內容改革

《航空發動機結構分析》課程的教學內容可以分為四部分：第一部分是緒論和典型發動機，主要介紹航空發動機的發展歷程、類型、設計指標和特點、典型渦噴、渦扇、渦軸、渦槳發動機的結構特征和工作過程。第二部分是壓氣機、渦輪、主燃燒室三大核心部件的結構分析以及總體結構相關知識。第三部分是加力燃燒室、排氣裝置、附件傳動裝置和減速器的結構分析。最后一部分是航空發動機的工作系統、數據系統和航機他用。第二部分內容是本課程的核心和重點，必須通過透徹地講解，使學生能夠領悟航空發動機的結構分析方法和設計規律。現有的教材在表現手法上均采用橫向展開的方法——對某一零部件，全面介紹其不同的結構方式。這種表現手法只是對現有結構進行平鋪直敘式的分析介紹，缺乏設計理念的牽引，使得學生在學習時很難把握住學習的主線。但是鑒于國內航空發動機的研制水平現狀，還無法進行完整的航空發動機結構設計流程，在教學中更不可能以發動機結構設計流程為主線來進行結構分析。為了解決這一問題，有必要對現有課程體系和教學內容進行調整。

另外，隨著設計理念、材料和制造等技術的發展，不斷涌現出新的航空發動機結構，例如整體葉盤、整體葉環、多幅板輪盤、刷式封嚴、復合層板冷卻等，在教學內容方面，應該將這些新的知識補充進來。

二、教學方法改革

在教學方法方面，應該充分發揮多媒體技術和3D打印技術。針對教材中學生難以理解的結構部件二維圖，借助三維造型技術建立其三維虛擬模型，在授課時，可以向學生展示三維虛擬模型。另外，對于裝配或工作過程比較復雜的結構，在三維虛擬模型的基礎上制作教學動畫，以動畫的形式來反映安裝、定位、傳力、氣流流動路線等傳統二維圖難以表現的內容。教材方面，所制作的三維虛擬模型可以替換原有的二維圖，教學動畫可以通過二維碼鏈接到對應的知識點處。三維模型通過3D打印可以制作成三維實體模型，用于課堂演示，或在三維模型上貼上與其對應的教學動畫的二維碼鏈接，供學生參觀自學。最后，以三維模型和教學動畫為主要素材，再補充該課程相關的教學ppt、習題庫等資料制作教學網站，供學生線上自學。

下圖所示為折流燃燒室的教材配圖以及對應的三維虛擬模型、實體模型和教學動畫截圖。教材配圖為手工繪制的截面圖，截取的是燃燒室中間剖面部分，且僅有上半部分。該部分知識點要求借助該圖講解折流燃燒室的零/部件組成、工作過程和氣流流動過程。教師在授課時，往往需要通過很多講解才能讓學生掌握這一知識點。制作了三維實體模型后，可以一目了然地呈現該燃燒室的結構，教師在講解這一知識點時，可以同時向學生展示實體模型，并輔助以教學動畫。

三、實踐環節改革

《航空發動機結構分析》課程配套有專門的教學實踐環節，傳統的實踐教學中通常是教師指導學生對某一發動機的部件進行工程圖繪制。但由于航空發動機的結構比較復雜，教學實踐的時間為兩星期，學生實踐后期需要投入大量的時間完成手工繪圖工作，這種單純繪圖過程并不利于充分利用教學實踐的時間，學生對某一結構部件的理解容易流于表面，教學效果并不理想。結合3D打印技術，實踐環節可以改為“設計+繪圖+打印”三個過程。“設計”過程是讓學生自主選擇某一發動機的結構部件，理解其功能、工作過程、安裝和定位等結構特征;“繪圖”過程是讓學生按照自己的理解，利用三維造型技術繪制該結構部件的三維模型;“打印”過程是讓學生將自己繪制的三維模型用3D打印機打印成實體模型。通過“設計+繪圖+打印”這樣的實踐環節，讓學生初步感受到發動機結構從設計到加工制造的完整過程，形成了閉環的實踐過程，提升了趣味性，有利于提高學生的創新能力。

四、考核環節改革

根據筆者的教學經驗來看，部分學生在學習該門課程時存在浮躁心理，靠考前突擊來應付考試，考前寄希望于教師畫的重點，并企圖多做幾套歷年考題能通過考試。這種做法即使能夠通過考試，但并沒有達到本課程的教學目的，學生對發動機這一研究對象還是沒有形成系統的認識，非常不利于他們后續的學習和研究。為了杜絕這種現象，應該建立本課程專門的題庫，增加每一章節對應的習題量，匯總形成題庫。期末考試時，不再由教師出題，而是從題庫中隨機抽取若干題目作為考題。

五、結語

針對《航空發動機結構分析》這門課程教學中存在的問題，筆者結合多年教學經驗和先進的教學理念、方法等，提出了從教學內容、教學方法、實踐環節和考核環節四個方面對現有教學過程進行改革。目前，筆者正在進行教學內容和教學方法方面的改革實踐。在教學過程中加入了更多的新結構，同時逐步將三維模型、教學動畫和實體模型融入傳統教學中，明顯感覺到學生學習的積極性提高了，課程效果有了顯著的提升。后續將繼續踐行這些改革的理念，讓學生更加輕松地學習，更加從容地應對考試，更快地掌握航空發動機結構的相關知識。

參考文獻：

[1]趙明，鄧明，劉長福.航空發動機結構分析第2版[M].西北工業大學，2016.

[2]徐穎.小議《航空發動機強度計算》的多媒體教學[J].教育教學論壇，2016，（16）：257-258.