“航空發動機總體設計”實踐教學改革探索研究

薛 瑞，初 哲，楊亞晶

（西安交通大學 航天航空學院 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

0 引言

作為航空工業的核心技術，航空發動機是典型的高新技術密集型產品。航空發動機被譽為工業皇冠上的明珠，無論是其制造技術還是材料技術，均代表該時期科技發展的頂尖水平。基于航空發動機在保障國家安全和戰略利益的重大意義，我國在“十三五”規劃列出的100 個重大工程中，航空發動機位居榜首，《中國制造2025》等戰略性規劃文件中也多次提及。同時，隨著“兩機”專項的實施，航空發動機產業發展的許多實質性工作也將逐步落地啟動。

因此，為支撐與回應國家對“兩機”專項，特別是航空發動機研制的重大需求，迫切需要高校及相關研究單位積極培養發動機相關設計人才，從而為我國航空發動機研制提供有力的人才儲備。為此，基于我國高等教育現狀，西安交通大學航天航空學院于2018年開設“航空發動機總體設計”這一面向大學四年級飛行器動力工程專業本科核心課程。這是一門綜合性課程，其先修課程為“工程熱力學”“航空航天推進原理”“航空葉片機原理”等，涵蓋力學、熱力學、燃燒學、氣體動力學、機械原理、自動控制理論與技術等學科。該課程通過對航空燃氣輪機設計點性能設計分析、部件匹配、非設計點設計分析以及瞬態性能設計分析等方面進行系統講授，引導學生融合工程熱力學、燃燒學、氣體動力學、傳熱學、材料力學和控制學等基礎課程，系統掌握航空發動機的工作過程及性能分析，扎實掌握發動機總體性能變化計算流程及分析，以此為基礎，開展航空發動機關鍵部件概念設計。通過這樣的課程內容設置與系統講授，可為學生畢業后從事航空發動機的設計、性能優化及相關領域的工作打下堅實的專業基礎，可輔助培養大批從事航空發動機研制的科研人員，為我國航空發動機的自主研制提供人才儲備。

1 目前教學中存在的主要問題

“航空發動機總體設計”課程在西安交通大學授課以來，受到了學生的一致好評，極大促進了學生對航空宇航學科的熱愛，許多學子已立志將來要為國家的發動機研制做出自己的貢獻。同時，在實際教學中也發現了一些亟需改進的問題：

（1）航空發動機總體設計課程內容龐雜，概念繁多，且計算繁瑣復雜，若學生在學習過程中某個環節沒有很好理解，會使其較難跟上后面的學習，從而逐漸失去學習熱情。故如何在課程內容上進行一定的改革是該課程改革需要首先考慮的內容。

（2）通過調研我們發現，目前大多數高校在發動機相關課程設置上對發動機總體性能及部件相關設計課程設置較少，且已有設計課程內容在當前大數據及互聯網時代下不能滿足新時期優秀工程設計人才培養的需求，從而不能滿足我國當前對高素質、創新型航空發動機設計人才的需求。

（3）在實際工程設計中，要涉及多學科融合，并需采用計算機輔助設計的方法和理念，需結合多種工程計算與設計軟件的相互配合與支撐，如果僅僅了解課本的概念和計算方法，就會使學生不能廣泛了解當今先進的設計工具和手段。目前學校普遍采用的PPT+板書教學手段，利于工程設計課程的有效傳授，這就需要改變目前教學手段，采用多種教學手段對學生進行培養。

因此，針對“航空發動機總體設計”課程講授實際，從教學內容、教學模式和方法以及課程考核方法三個主要方面著手開展相應的課程改革實踐，以提高學生對各學科知識的綜合運用能力，增加學生對實際發動機工程設計的了解，并改進學生以往對抽象理論與設計模型的把握能力。

2 “卓工計劃”現狀與趨勢

為貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020）》，教育部提出了“卓越工程師教育培養計劃”（卓工計劃）的重大改革項目。“卓工計劃”實施以來，全國已有200 多所高校參與其中，圍繞工程人才培養展開探索與實踐。孫穎等對首批61 所試點學校在第一年的推進工作進行了分析總結，并得出致使“卓工計劃”推進受阻的原因主要來自于企業、師資、學生三方面[1]。李繼懷、王力軍對卓越工程師的品質特征及培養體系構建、培養環節把握，以及培養過程中的角色定位等問題進行了探討，并指出每一所工科院校都應該以培養卓越工程師為己任，在工程教育的大變革中有所作為[2]。陸國棟等通過深度分析，得出卓越工科人才培養必須堅持“內外政策保障下校企深度聯動”的實施路徑[3]。

西安交通大學作為高層次人才培養出口的國內主要高等院校，更要基于目前“卓工計劃”培養要求，重新梳理工科核心培養課程目前存在的現狀和問題，為相應的課程改革提供支撐。

3 教學改革探索

為了培養出滿足新時期實際工程研制單位需要的高質量航空發動機專業設計人才，作者所在課程組從以下三個方面開展了相應的教學改革。

3.1 教學內容改革

從以學生為本和培養優秀工程設計人才的角度出發，結合“卓工計劃”理念，與工程設計單位專家一起，從工程設計教學全局出發，緊密結合工程設計需要，注重不同學科之間的聯系性和交叉性，設計出符合工程設計學科要求的航空發動機總體性能分析與概念設計課程結構與人才培養方案，優化教學內容，形成完整的課程體系。本課程教學內容總體分成兩大部分：航空燃氣輪機性能分析、實際發動機設計設計流程，總學時按3 : 1 分配。課程主要講授內容為：首先，從熱力循環角度整體介紹航空燃氣輪機的工作原理，分析熱效率、推進效率及耗油率等關鍵性能評價參數；隨后，詳細講授航空發動機及燃氣輪機設計點性能、非設計點性能與瞬態性能計算分析流程，并介紹不同因素影響下發動機性能變化規律；接著，分解介紹進氣道、壓氣機、燃燒室等部件的特征與基本設計流程。

在課程教學中，圍繞課程建設目標，對教學內容進行優化，使學生能扎實掌握核心基礎知識，又能提高其拓展分析問題能力。如原課程講述中發動機設計點性能與非設計點性能分析是分開講授的，是按照從易到難的順序安排的，這樣的教學安排使學生較難把握非設計點計算時校驗的測試點參數來源。而通過將設計點計算分析嵌入到非設計點計算分析流程中，使學生更好地對設計點與非設計點的關系，工程設計流程化思維模式有更好的領悟。

同時，為了能讓學生更好地跟蹤航空發動機技術的新進展，結合課程團隊成員各自的研究方向，在基礎內容的講授過程中，拓展講授先進的進氣道氣動布局設計、低排放燃燒室設計技術等內容，這些內容代表了航空發動機技術方面的新發展、新目標、新任務，使學生對課程內容產生濃厚興趣，并培養其獨立思考、大膽創新的思維，最終實現理論應用于實際。

3.2 教學模式和方法改革

（1）引入混合式教學方法。采用如翻轉課堂、PBL基于學習問題學習教學法、研討法和在線學習等混合教學方法，充分鍛煉學生自主查找資料、尋找解決方案的能力。例如，在講授航空發動機設計點性能分析時，由于所涉及的知識主要為前期所學的工程熱力學，采用翻轉課堂的形式，讓學生在課下將基礎知識及性能分析基本流程學完，上課則針對具體的實際例子，開展性能計算課程討論。

（2）采用理論講授與虛擬實驗相結合教學方法。為避免單純講述理論而帶來的課程過于抽象化，從而使得學生無法有效理解的困難，同時為使學生更加直觀地對發動機總體與部件設計進行了解，在部件設計環節講授中，將學生帶入實驗室，在真實發動機前講授部件設計方法與流程，從而使抽象的教學內容變得更為直觀，加深學生對設計的理解和掌握。

同時，為了能更形象的展示發動機不同影響因素對發動機性能及設計影響，增加學生對課程及專業興趣，并促進學生對所學知識的掌握，基于西交大航天航空學院購買的WESTT CS/BV 渦扇發動機虛擬實驗臺（圖1），開設航空發動機虛擬實驗內容，讓學生在虛擬環境下對發動機進行實際模擬，通過圖像及視頻化的顯示方式，使學生更能體會各相關參數之間的相互作用及變化關系，從而更有利于學生對所學抽象理論的把握。

圖1 航空發動機虛擬實驗臺

（3）采用校企聯合的課程講授方式。由于本課程有很強的工程應用背景，為了使學生能夠通過本課程學習，掌握實際發動機的基本設計流程。在課程講授中還邀請了中國商用發動機集團、星河動力、中航工業618 研究所等相關研究單位專家、總師來校對本課程進行聯合授課。通過專家的講授，一方面使學生能夠了解工程單位實際發動機設計流程；另一方面，通過專家講授能夠有效調動學生的學習熱忱和積極性，使學生在整個學習過程中有新鮮感，不會感到乏味，并增進其對課程內容的理解，從而有利于本課程授課目標的達成。其教學效果受到了學生的一致好評，極大促進了學生對航空宇航學科的熱愛，許多學子已立志將來要為國家的發動機研制做出自己的貢獻。

4 結語

在國家設立“兩機”專項，舉全國之力攻克航空發動機自主研制背景下，急需一大批具有較強工程設計思維和實踐能力、能夠為我國航空發動機自主研制和推動整個航空航天產業發展做出貢獻的高素質、復合型人才。如何在高校本科學習期間有效培養學生的工程分析能力與工程設計思維、促進學生掌握專業知識技能，使教學目的和社會需求緊密結合是我們設置“航空發動機總體設計”課程與進行相應的教學改革的關鍵。通過前期授課并對該課程特點的詳細分析，找到了該課程目前教學中存在的主要問題，基于“新工科”“卓工計劃”等培養理念，從教學內容與教學方法上開展創新改革，采用圖形啟發、混合式教學方法，促進了學生對專業知識技能的掌握；增加了虛擬實驗環節，培養了學生興趣，有利于學生更為形象化把握知識內涵；采用校企協同育人模式，邀請工程研究院所與商業航天科研一線專家共同授課，將發動機工程設計理念和方法引入課堂之中，推動學生實踐能力的提升和創新精神的培養，體現實踐育人特色，對整個工程學科培養模式更新、教學方法改進等方面具有很強的推廣價值，可有效促進教學整體水平的提升。