虛擬仿真實驗在航空燃氣渦輪發動機教學中的實踐與應用

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對實驗條件和成本的要求。文章以航空燃氣渦輪發動機為例，探討虛擬仿真實驗在該課程中應用的可行性，并以典型案例說明虛擬仿真實驗在推進課堂教學改革方面的優越性。

關鍵詞：虛擬仿真實驗;航空類課程;教學改革;OBE理念

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：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條件、改革課堂教學方法、更新課堂教學內容、提高課堂教學水平，把線上虛擬仿真實驗引入航空航天類課堂教學是一種新的探索。虛擬仿真實驗的加入突破了原有課程教學的界限，將理論教學與實驗教學相結合，提出有代表性的、啟發性的問題，加深學生對理論教學中重點、難點問題的理解，激發創新思維與興趣。虛擬仿真實驗的課堂教學應用可以為學生的深度學習創造良好的條件，更有利于培養學生的實際應用能力和綜合素質[1]。

一、航空燃氣渦輪發動機課程簡介

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

二、虛擬仿真實驗介紹

自20世紀90年代以來，虛擬現實技術一直是信息領域研究、開發和應用的熱點方向之一，它在航空航天、交互式GIS、數字地球、信息可視化和游戲娛樂等領域得到廣泛的應用。為改善航空航天類課程實驗教學條件、改革實驗教學方法、更新實驗教學內容、提高實驗教學水平，把虛擬仿真技術引入航空航天類課程教學已成為一種趨勢[3]。虛擬仿真實驗為學生獨立自主地進行學習與實踐創造良好的條件，更有利于培養學生的實際應用能力和綜合素質。在課堂教學中引入虛擬仿真實驗具有以下優勢[4，5]：（1）打破時間與空間的限制，只要有計算機就可以隨時隨地進行實驗，而不局限于實驗室，使用者可以按照個人愛好、興趣等自主進行實驗;（2）提高設計的直觀性和真實性，可以更形象地獲取知識，激發學習熱情;（3）不消耗器材，實驗用的元器件和儀器儀表齊全，可以重復操作，降低實驗和設計成本;（4）實驗速度快，容易開展設計性和綜合性實驗，有利于培養使用者的創新意識和創新能力;（5）所用實驗技術先進，一般虛擬仿真實驗都會選取現在主流或者領先的實驗技術進行虛擬仿真，因此可在課堂上拓展學生的視野和知識面;（6）實驗非常安全，可以任意進行探索性操作。

三、典型應用

在航空燃氣渦輪發動機實際教學中，根據實際教學需要，以及參考教學大綱中對于本課程教學重難點的安排，我校在實驗空間—國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺中對眾多的實驗進行了挑選，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。該實驗對應于航空燃氣渦輪發動機課程中的排氣系統部分中超聲速噴管工作狀態這一知識點的教學。以往在該知識點教學中，由于面向的學生并沒有學習過氣體動力學這一飛行器動力工程專業的專業基礎課，只能采用強制記憶的方式進行理解。但是超聲速噴管的工作狀態多，不同狀態之間流場現象差異大，決定狀態的主要參數變化劇烈，這種教學方式不僅不利于課堂上對學生進行講述，也不利于學生對超聲速噴管多種變化規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中向學生普及光學測量技術在航空測量領域的應用，熟悉紋影儀這種比較先進的光學測量儀器的基本結構和工作原理，另一方面可以熟悉典型工況下超聲速收擴噴管管道內流動特征，對收擴噴管的激波結構與形態建立直觀的感知。在超聲速噴管工作狀態的課堂教學中，引入該虛擬仿真實驗后，與之前的教學形式相比，教學效果又顯著提升，主要體現在以下方面。

第一，實現了理論教學與實驗教學的相互融合。在以往的教學中，教學與實驗是相互隔離的，這主要是因為對于傳統實驗教學而言，需要的硬件條件比較苛刻，例如專用的實驗設備、實驗場地等，除了一些簡單的演示性實驗，大多數的實驗無法在課堂教學中現場演繹。而在進行實驗教學時，仍需要對學生的理論知識進行復習教學。虛擬仿真實驗的出現，打破了這種隔離。在理論教學時，亦可同步進行實驗教學，使得學生可以在理論學習的基礎上，實踐動手能力也能得到提高。虛擬仿真實驗教學提升實踐與理論的融合度，進而滿足“OBE”教學理念下對于學生能力的培養的需求。

第二，虛擬仿真實驗是對多媒體教學形式的有效補充。在如今的大學課堂中，使用課件進行教學已經成為教學的主流方式，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進行補充。但是隨著時代的發展，學生獲取信息的能力越來越強，傳統的圖片、視頻等多媒體形式已經無法滿足現代教學的需要，急需全新的形式對課堂形式進行改變。虛擬仿真實驗利用多媒體技術、人機交互技術、可視化技術、仿真技術、虛擬現實技術等多種技術手段，為學生構件了生動逼真的三維場景，建立了邏輯關系并實現人機交互作用。這種基于交互式的教學情景應用，打破了傳統課件多媒體教學單一方向傳授的格局，實現了教學的雙向溝通與交流。

第三，虛擬仿真實驗的現場展示更加有利于學生對理論知識點的理解。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生進行超聲速噴管七種工作狀態的知識點教學時，可以通過實驗中的操作改變噴管出口背壓，直接向學生呈現超聲速噴管內部的流動狀態以及氣流流過激波前后的變化;學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建立直觀的印象，并與課本上的文字描述進行對應，加深了學生對決定超聲速噴管七種工作狀態的壓力變化條件的認知與理解。

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

四、結語

將虛擬仿真技術引入航空渦輪發動機課程教學中，彌補了傳統教學形式的不足，不但豐富了課堂教學內容，而且使學生變被動學習為主動學習，提高了學生分析問題的能力、設計電路的能力和電子產品的設計效率。隨著虛擬仿真技術的不斷發展，也會不斷推進實驗室的發展和實驗教學改革。

參考文獻：

[1]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34（05）：214-219.

[2]鄧明.航空燃氣渦輪發動機原理與構造[M].北京，國防工業出版社，2008.

[3]趙寧，杜劭峰，趙文軍，等.虛擬現實仿真技術研究與應用[J].新技術新工藝，2018，368（08）：72-76.

[4]張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2013，（12）：101-104.

[5]李小波，董芳芬，宋文芳，等.虛擬現實技術在放療技術教學中的應用[J].中華放射腫瘤學雜志，2018，27（12）：1093-1096.

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