虛擬仿真實驗教學方法研究
——以飛行器環控課程實驗為例

李 可，張興娟，楊春信，林貴平

（北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100083）

實驗室是現代大學的重要標志與三大支柱之一，是教學與科研創新的重要基地，是培養學生創新能力和提高實踐能力的重要場地，對培養具有實踐和創新能力的高素質人才有著重要的作用。長期以來，傳統儀器是實驗室的基礎資源，在實驗教學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技術專業教學實驗種類的增多，對實驗測量與控制設備的要求也進一步提高。對于非電類專業的學生如何使用簡單、通用、安全、易于上手的計算機測控實驗設備進行專業試驗是發揮實驗儀器設備功效提高實驗教學質量亟待解決的問題。現今傳統儀器設備已不能適應科學實驗教學乃至培養現代化人才的需要[1]。隨著低成本高性能計算機資源的大力普及運用，為在測控領域廣泛采用虛擬仿真構建實驗平臺的基本方式和未來發展趨勢。虛擬仿真技術可克服傳統儀器的弊端，利用計算機強大的計算能力和靈活的軟件技術，在有限的硬件基礎上，實現符合要求的虛擬仿真實驗。與傳統的測量儀器實驗相比，能夠使學生沉浸式投入實驗、有效提高實驗效率[2]。

虛擬仿真實驗平臺依據教學需求，設計包含網絡平臺系統及虛擬實驗系統兩部分，網絡平臺系統作為實驗平臺的門戶，用于對用戶的實驗數據進行存儲和管理，并作為用戶間日常溝通交流與經驗分享的平臺；虛擬實驗系統采用全3D場景仿真實驗方法，達到教學中的多任務、多科目的實驗訓練及考核目的。其中網絡平臺系統包含如下幾個模塊：

（1）平臺數據處理模塊，該模塊作為網絡平臺系統的中心節點，負責與其它模塊進行數據交互及處理，并與虛擬實驗系統通信發送與接收用戶實驗數據；

（2）用戶數據庫，該模塊存儲用戶的登錄信息、實驗記錄及其他個性化數據；

（3）前端顯示交互模塊，該模塊作為網絡平臺的人機交互界面，提供用戶訪問各個內容的入口；

（4）網絡信息服務模塊，該模塊遵循通信協議，提供網絡信息的收發處理功能；

（5）數據安全保障模塊，該模塊用戶保護用戶信息的安全性。

虛擬實驗系統包含：

（1）任務總控模塊，為虛擬實驗系統的數據管理核心，是各個模塊的信息交匯點；

（2）賬號管理模塊，該模塊負責管理用戶的實驗信息，與網絡平臺系統直接通信；

（3）模型資源庫，存儲三維場景中的可視化模型；

（4）效果資源庫，存儲用于可視化顯示實驗數據的可視化效果資源；

（5）環境控制模塊，提供對實驗整體邊界條件的控制功能；

（6）行為邏輯控制模塊，承擔實驗中的邏輯判斷及物理模擬功能；

（7）任務流程管理模塊，決定任務中的進展順序和進度狀態；

（8）三維可視化顯示模塊，用于三維實驗環境的可視化渲染；

（9）人機交互模塊，用于提供體驗良好的人機交互界面，引導用戶完成實驗并顯示關鍵實驗信息。

飛行器環境控制系統負責維持飛機駕駛艙與座艙內安全舒適的壓力和溫度等環境參數，保障飛行員與乘客的身體健康。該系統設計的好壞對飛行器的安全性、經濟性及舒適性有很大影響。在該領域培養知識全面，專業扎實，勇于創新的高素質人才，是我國大型民用客機、先進戰斗機、載人航天等“大國利器”重大研發項目的迫切需求。載人飛機的核心是人，而性能優良的飛機環境控制系統對軍用飛機而言是戰斗力的堅實保障，對民用飛機而言，是提升飛機舒適性的關鍵，而防除冰系統對于飛行器而言，是關乎飛行安全的重要部分。隨著近些年來我國航空工業迅速發展，尤其是以C919、CR929為代表的大型商用飛機的研發，人機環領域航空人才培養對于未來我國航空工業的發展將起到極為重要的作用。然而，飛行器環境控制系統涉及復雜的系統流程、熱力設備及管路設計問題。傳統書本教學方法無法詳細展示設備內部結構及運行情況，高危及大能耗實驗特點又不能允許學生進行實際操作及探究性實驗研究。采用虛擬仿真的方式進行教學和實驗，成了一種可行的方案，采用此種方式進行教學和實驗，可破除場地、時間、成本的限制，并且表現方式直觀、生動，同時具備極強的可拓展性，在各類教學和實驗中發揮出了極高的價值，因此，建立一套飛機環境控制系統和防除冰系統的虛擬仿真教學和實驗課程，對該領域人才的培養，具有積極的意義。

北京航空航天大學人機工效與環境控制實驗室擔負著本科生和研究生人機環境測控實驗教學及科學研究任務，為適應培養高素質創新型人才的需要，在實驗室已有資源的基礎上積極開發虛擬儀器用于實驗教學，并取得了實驗室建設向數字化、虛擬化、集成化發展和人才培養雙贏好效果。以飛行器環控課程實驗為例的虛擬實驗應用案例：

（1）以某型旅客機為例，采用虛擬3D技術，實現了由發動機引氣、環境控制系統及座艙空氣分配系統的機載布局的生動展示、學生可以通過網絡在電腦終端操作實驗。認知原理實驗可分為兩個部分，第一部分為制冷系統部件組成認知；第二部分為空氣分配系統及溫度調節系統的認識。

（2）在體積固定的座艙內，壓力的變化主要與進出座艙的凈流量相關。座艙的進氣流量來自發動機引氣，出氣流量是在座艙與飛行高度環境之間的壓差下流經排氣活門的流量。座艙壓力調節系統按照座艙壓力反饋，通過調節排氣活門的流通面積來改變出氣量，進而控制座艙壓力及其變化率，實現座艙壓力制度。基于座艙壓力調節系統的工作原理和過程，設計的仿真實驗內容包括：①模擬三種典型的壓力制度。②通過仿真模擬座艙體積、進氣流量、排氣活門最大流通面積等系統參數對壓力調節效果的影響。③通過仿真模擬不同PID控制參數對壓力調節效果的影響。

（3）飛機空氣循環制冷系統實驗基于三輪升壓式空氣循環系統，參考某型飛機環控系統實物圖，搭建仿真模型。將實驗測得的部件參數輸入到仿真模型中，運行系統仿真后獲得實驗結果。在實驗操作過程中，學生能夠直觀看到從發動機引氣到座艙空調噴口的完整氣體流動過程，也可通過手動設置引氣參數、換熱器面積和渦輪效率，研究其對渦輪出口溫度的影響。

三部分內容包含多種實驗內容和數十個實驗操作步驟，學員實驗中，能夠模擬數十種條件下的實驗結果，生動形象體現飛機相關系統的工作原理和流程。系統支持在網頁端、PC端和平板電腦上運行，具備靈活的平臺適配性。

以下對課程教學實驗流程及分項進行說明：

學員進入系統后，將進入第一部分飛機環境控制系統教學實驗部分。

飛機ECS環境控制系統布局實驗。

實驗目的：

飛行器環境控制系統布局實驗分為兩個部分，第一部分為制冷系統部件組成，通過該部分的學習，學員能夠掌握飛行器環境控制系統中制冷系統的主要組成部分以及結構分布區域，并對每一部分的作用進行總體的了解，第二部分為管道流向與溫度分布認識，該實驗中，學員通過學習了解飛行器環境控制系統中制冷系統的各部件氣流溫度分布和氣流流向，完成對系統運行原理的直觀認知，遍布全機的制冷系統閉環可使學員對環控系統的復雜性產生清晰的理解。

實驗步驟：

進入該部分后，首先以文字、圖片等方式對飛機ECS環境控制系統的概念、作用等概述性內容進行簡介，學員學習完成后，點擊按鍵進入第一個交互式學習模塊，即大型客機環控系統組成、管道布局教學實驗模塊。

制冷系統部件組成。

該模塊以C919大型客機外觀及環控系統和管路三維模型為展示核心，采用透視的表現形式展現內部結構，飛機環控系統和管路可分割為多個子系統和部件，每一個子系統和部件設置單獨的熱點可用于點擊交互，當選擇某一子系統或部件時，將會采用特寫鏡頭對該熱點進行觀察。

在此模塊中，視角可根據學員操作進行旋轉，以便進行多角度的觀察。在學員完成全部子系統和部件學習后，可激活按鈕進入下一模塊。

管道流向與溫度分布實驗模塊。

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行飛機及內部顯示，同時采用紅藍色差體現座艙內壓力分布和流量分布管道

在學員完成座艙壓力分布、流量分布管道內容后，可激活按鍵進入下一教學實驗模塊。

飛行器環控系統虛擬仿真實驗項目總體采用“逐層進階”的設計思路，讓學生在虛擬實驗環境中掌握環控系統的原理和調節規律。為實現教學目標，讓學生充分掌握相關知識，采用自主式學習、互動式、問題探索、現場式等多種教學方法的結合，體現了以學生為中心的實驗教學理念。

1 自主式學習教學方法

自主式教學方法的教學方法目的是訓練學生對課程大綱要求“掌握飛機環境控制系統組成、機上布局,通過虛擬仿真實驗使學生掌握飛機座艙壓力調節系統的組成、壓力制度與調壓系統工作原理,掌握飛機空氣循環制冷系統原理”等知識內容。相對于專業知識本身，該教學方法更加注重讓學生探索知識的來源。

2 互動式學習教學方法

該教學方法貫穿整個實驗過程，包括原理學習探究、設計分析等層次。學生首先開展原理學習探究實驗，學生依次完成環控系統基本原理、環控系統關鍵部件技術、系統整體測試等3個階段的原理探究實驗，之后學生開始設計分析層次的實驗。教學系統中提供了“有問必答”及“經驗分享”等模塊，幫助老師和學生實現在線答疑、討論與學術交流，并與平時成績關聯，有效提高了師生互動的效果。讓學生從設計過程中研究不同參數對系統的影響，加深學生對不同參數的了解和認識，改變傳統教學中“重理論講授、輕過程分析”的不足。

3 問題探究式教學方法

問題探究式教學方法的目的是引導學生自主、開放性提出飛行器環境控制設計的方法和要求，同時讓學生掌握優化設計方法。

飛行器環境控制系統虛擬仿真實驗設置了“1套系統、2個層次、3個實驗”，即一套可多終端運行的虛擬仿真系統，飛行器環境控制系統認知探究、飛行器環境控制系統設計分析兩個層次，飛行器環境控制系統認知實驗、座艙壓力調節系統實驗、空氣循環制冷系統實驗三個實驗。

（1）按照“能實不虛”的原則，環控系統部件實驗如換熱器、渦輪冷卻器等的特性實驗采用實物仿真試驗，虛擬仿真實驗主要解決系統級實驗條件不足、風險大、成本高的問題。

（2）從學生能力培養的角度，由淺入深設計了沉浸式認知實驗和研究型實驗兩個部分。沉浸式認知實驗主要是讓學生了解環控系統在機上的安裝布局、從發動機引氣到座艙入口空調器的完整氣體流動過程。壓力調節和溫度調節是飛機環控系統的主要功能，研究型實驗主要設計了座艙壓力調節和空氣制冷循環實驗。

實驗室工作對任何一所大學都是十分重要的。因此，必須注重實驗技術的更新提高。就實驗技術而言，引進先進的實驗技術可以很大程度上節省人力和物力的浪費，極大地提高實驗效率。同時也可以使學生緊跟技術前沿，適應科學技術的發展。在實驗室建設中，虛擬儀器技術顯著的優勢代表了實驗室向數字化、虛擬化、集成化的發展方向和趨勢。虛擬技術的開發與應用，無疑將對培養高素質創新型人才發揮重要作用[3]。