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摘要：高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育教學(xué)非常重要的組成內(nèi)容。隨著現(xiàn)代教育理念的不斷深化，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的補(bǔ)充逐漸受到各高校的重視。項(xiàng)目組根據(jù)自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)了以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)裝調(diào)試車虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目以通過(guò)智能交互、虛擬仿真為設(shè)計(jì)思路，以實(shí)現(xiàn)工科學(xué)生綜合能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以發(fā)動(dòng)機(jī)裝配調(diào)試和測(cè)試分析為主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以題目測(cè)試、過(guò)程實(shí)操、和數(shù)據(jù)分析為考核，以較低成本實(shí)現(xiàn)較高的學(xué)生培養(yǎng)效果。

關(guān)鍵詞：微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；裝配調(diào)試；數(shù)據(jù)分析

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育教學(xué)非常重要的組成內(nèi)容[1]?！笆奈濉币?guī)劃的100項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目中航空發(fā)動(dòng)機(jī)名列首位，從中可以看出國(guó)家大力發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)的決心。因此，培養(yǎng)什么樣的人才成為飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的重要課題。飛行器動(dòng)力工程專業(yè)作為典型的工科專業(yè)，在“百年未有之大變局”的當(dāng)下，必須以“新工科”建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)助力我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略升級(jí)。該項(xiàng)目組在傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)理論課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合教師科研、學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)了基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的“微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)裝調(diào)與試車虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以培養(yǎng)學(xué)生基本理論知識(shí)能力、實(shí)踐能力以及數(shù)據(jù)分析能力為主要目標(biāo)，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的形式為載體容納微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的零件裝配、調(diào)試，以及試車測(cè)試全過(guò)程，既在安全的環(huán)境中開(kāi)展了沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)，又可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化和規(guī)律。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和目標(biāo)

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的培養(yǎng)對(duì)象為飛行器動(dòng)力工程專業(yè)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)定位為綜合虛擬仿真實(shí)踐項(xiàng)目，旨在面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造、維修等相關(guān)行業(yè)，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、設(shè)計(jì)能力突出、實(shí)踐操作熟練的綜合性、創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的迫切需求，依據(jù)我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)智能交互、計(jì)算機(jī)仿真等新型教學(xué)方式，以理論知識(shí)為基礎(chǔ)，以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為依據(jù)，綜合運(yùn)用“基礎(chǔ)知識(shí)、綜合分析、創(chuàng)新能力”這3個(gè)層面的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，構(gòu)建從認(rèn)知→實(shí)操→分析的遞進(jìn)式的教學(xué)體系，對(duì)飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的知識(shí)進(jìn)行全面強(qiáng)化和創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練，使學(xué)生循序漸進(jìn)地開(kāi)展從“基本原理學(xué)習(xí)”到“綜合能力訓(xùn)練”，再到“創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的實(shí)踐學(xué)習(xí)過(guò)程。該項(xiàng)目選擇微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為代表性實(shí)驗(yàn)對(duì)象，具體如圖1所示。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)與常見(jiàn)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理基本相同但其仍存在自身的特殊性[3]，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：壓氣機(jī)通常采用單機(jī)離心式、燃燒室為環(huán)形蒸發(fā)管式、渦輪為單機(jī)軸流式、尾噴管為簡(jiǎn)單收斂式；結(jié)構(gòu)通常非常緊湊，無(wú)論和壓氣機(jī)為同軸，無(wú)獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)；可選擇不同中點(diǎn)火和起動(dòng)方式；通常轉(zhuǎn)子系統(tǒng)尺寸小，因此需要具有較高的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速來(lái)完成做工[4]。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕牵海?）解決復(fù)雜機(jī)械在裝配實(shí)驗(yàn)方面存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易理解、成本高、安全系數(shù)低、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、探索空間不足、創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足等問(wèn)題，達(dá)到安全性高、成本低、創(chuàng)新性好的教學(xué)效果；（2）培養(yǎng)學(xué)生強(qiáng)化設(shè)計(jì)、加工、裝配、測(cè)試全流程的理論知識(shí)，掌握基本的裝配、測(cè)試操作技能，綜合運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)原理、構(gòu)造、裝配調(diào)試、測(cè)試分析等知識(shí)，探索并解決復(fù)雜機(jī)械工程技術(shù)問(wèn)題，體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)能解決復(fù)雜工程問(wèn)題的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。

2實(shí)驗(yàn)原理

該實(shí)驗(yàn)圍繞飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的核心專業(yè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，基于項(xiàng)目組自研微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，具體見(jiàn)圖2，重點(diǎn)開(kāi)展微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)“裝調(diào)”和“試車”兩個(gè)主要
模塊的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生全面認(rèn)知發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)?？傮w結(jié)構(gòu)是微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)頂層設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，包括轉(zhuǎn)子支承方案、承力系統(tǒng)及傳力路線安排。發(fā)動(dòng)機(jī)裝調(diào)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件裝配順序、裝配中的細(xì)節(jié)調(diào)試操作等內(nèi)容。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)試車是檢驗(yàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造及裝配正確性的有效方法。將微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)裝配與試車實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，既可以通過(guò)試車實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)裝配實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的典型問(wèn)題進(jìn)行再現(xiàn)，加深學(xué)生對(duì)總體結(jié)構(gòu)和裝配過(guò)程的理解，還可使學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車測(cè)試系統(tǒng)的原理等建立更為深刻的認(rèn)識(shí)[5]。

3實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

3.1總體結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采取講解、演示、引導(dǎo)的模式與學(xué)生進(jìn)行交互式操作，幫助學(xué)生建立對(duì)總體結(jié)構(gòu)和零部件的全面認(rèn)知和理解，為下一步整機(jī)裝配實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。主要內(nèi)容包括：了解微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件、功能、零件組成、工作機(jī)制；分析微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案、軸承承力方向、推力分布等特點(diǎn)。該環(huán)節(jié)允許學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中完成發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的透視、縮放、角度變換等操作，配合相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)分析，克服傳統(tǒng)教學(xué)“重理論講授、輕實(shí)物分析”的不足。

3.2裝調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采取自主操作的模式使學(xué)生開(kāi)展微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)裝配實(shí)驗(yàn)，旨在幫助學(xué)生了解微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配過(guò)程和順序，進(jìn)一步加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理解，所有零件均基于項(xiàng)目組自研微信渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，具體見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子連接結(jié)構(gòu)裝配擰緊力矩控制和轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡這兩個(gè)影響發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量的虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并對(duì)其核心概念進(jìn)行考察，考察結(jié)果與自主裝配實(shí)驗(yàn)操作將一同納入實(shí)驗(yàn)的結(jié)果評(píng)價(jià)中。

3.3試車實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)試車是重要的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，能夠使學(xué)生對(duì)裝配后的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察和分析。同時(shí)，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行操作，增加學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車測(cè)試系統(tǒng)和過(guò)程的理解。該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)基于項(xiàng)目組自研數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)建立，具體見(jiàn)圖4。在該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中如傳感器、信號(hào)變送器、數(shù)據(jù)采集卡等主要元件的認(rèn)知和信號(hào)連接關(guān)系的學(xué)習(xí)，完成試車系統(tǒng)的安裝調(diào)試步驟。之后，學(xué)生通過(guò)操縱油門(mén)桿進(jìn)入試車環(huán)節(jié)。在試車環(huán)節(jié)中通過(guò)試車實(shí)驗(yàn)要求完成不同工作狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試項(xiàng)目，并記錄測(cè)試過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)。最后，學(xué)生可獲得試車系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合。

3.4實(shí)驗(yàn)考核設(shè)計(jì)

高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)不但包含實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的合理安排和教學(xué)過(guò)程的有效組織，還包括恰如其分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核體系，即如何評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，如何評(píng)估學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)所達(dá)到的學(xué)習(xí)效果，合理的考核評(píng)價(jià)制度能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的導(dǎo)向作用，是達(dá)到實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)的有力保障[6]。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了兩個(gè)考核環(huán)節(jié)，針對(duì)認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用題庫(kù)測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為題目?jī)?nèi)容考核學(xué)生的認(rèn)知效果，針對(duì)實(shí)操性內(nèi)容，采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)操內(nèi)容，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容，考核學(xué)生的操作和分析能力培養(yǎng)的效果，具體如表1所示。

4結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)將仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和數(shù)據(jù)的“虛實(shí)結(jié)合”，基于項(xiàng)目組自行研制的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)及配套試車臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建的，掌握全部測(cè)試數(shù)據(jù)，克服了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物教具難以展視其內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不足，有效地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車教學(xué)實(shí)驗(yàn)成本高、學(xué)生受眾面小、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性大等難題。提高了實(shí)驗(yàn)探索性，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，顯著加深學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)與性能的理解，使自主動(dòng)手能力能得到明顯提高。其該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后期開(kāi)發(fā)潛力大，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理可加入隨機(jī)性變化，避免了學(xué)生在“唯一正確”的參數(shù)下開(kāi)展重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，后期還可在上游增加如“零件制造”、下游增加如“發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)”等方面的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可以進(jìn)一步豐富內(nèi)容和增加創(chuàng)新性。

參考文獻(xiàn)

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作者:王炫 于軍力 張青 付宇 單位:中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院