航空發動機控制課程團隊式教學模式的改革與探索

符江鋒 緱林峰 李華聰 馬靜

摘 要：航空發動機控制課程是飛行器動力工程核心專業課程，該課程的教學效果不僅對于學生理解理論知識具有關鍵作用，還對學生實踐創新能力的培養至關重要。文章通過對航空發動機控制專業課程的理論教學進行兩結合一調整的改革探索，并充分利用航空發動機情景演示教學平臺與控制系統快速原型設計實驗平臺，以突破傳統實驗教學的局限性。其次在航空發動機原有教材的基礎上，結合學科的教學要求以及近年來行業的發展方向進行教材知識內容的更新，最后以教學團隊模式構建更加科學合理的課程體系和教學團隊結構，進行課程體系建設與改革。通過理論與實驗教學改革、教材內容更新和教學團隊建設三個方面進行了有益的改革探索，有效激發了學生的學習興趣，提高了學生的綜合實踐能力和創新能力。

關鍵詞：航空發動機控制；教學改革；團隊建設；創新能力

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2018）17-0130-03

Abstract： The Aero-Engine Control is one of the major courses of Aircraft Power Engineering majors. The teaching effect of this course is not only crucial for students to understand theoretical knowledge， but also for cultivating students' practical ability. This thesis adjusts and reforms the theoretical teaching of the Aero-Engine Control， making full use of the aero-engine scenario demonstration teaching platform and the control system rapid prototyping experimental platform to break through the limitations of traditional experimental teaching. Then， based on the original teaching materials of aviation engines， combined with the teaching requirements of the curriculum and the development of the industry in recent years， the teaching materials is updated. Finally， a more scientific and reasonable curriculum system and teaching team is constructed. Through the reform of theory and experiment teaching， the way of updating the teaching content and constructing the teaching team are discussed， which has effectively stimulated students' interest in learning and improved students' comprehensive practical ability and innovative ability.

Keywords： aero-engine control； teaching reform； team building； innovation ability

航空發動機控制系統/航空發動機控制元件是飛行器動力工程專業本科生高年級的一門專業核心課程，該課程涉及“航空發動機原理”、“自動控制原理”、“計算機控制”、“電工電子技術”及“液壓傳動與伺服控制”等諸多課程，是從事航空發動機控制系統設計與實現工作的專業核心課程[1]。該課程綜合了大量的專業基礎課程，具有承前啟后的重要作用。相比與其他控制專業類課程，還具有一些顯著的航空發動機專業特點。首先，所研究的控制對象航空發動機是一極其復雜的氣動熱力機械，前期涉及課程較多，基礎知識涉及面廣，所以學習中容易出現前后知識銜接不暢等問題；其次，課程教學中一項重要內容是講解發動機控制系統的結構、工作原理等，在不便于實物展示的情況下，依靠傳統教學手段，學生往往不能直觀深入理解教學內容；再者作為3C之一的控制理論處于迅猛發展中，新理論新方法層出不窮，其也使得航空發動機控制研究的熱點不斷，原有的教材尚未將最新研究補充和更新，以上因素都增加了課程“教”與“學”的難度。

隨著航空發動機相關技術的不斷發展，航空發動機控制的教學工作在各方面、各領域也在不斷進行積極探索并得到了發展[2]，如虛擬教學實驗系統[3，4]、快速原型實驗教學平臺[5]以及案例式教學[6]、混合式教學理念[7]等多種理論與實驗教學方法均取得了良好的教學效果。此外，針對專業核心課程的教學工作逐漸由教師獨立講解演變至教學創新團隊模式[8]，個體化的教學行為朝著體系化的教學模式去發展[9]，從而形成一只多方協作科學合理的師資隊伍，能夠構建更加科學合理的課程體系和教學團隊結構，保證高質量教學工作。本課程結合近年來國內外航空發動機控制技術發展的最新理論與成果，在教材內容更新上力求課程內容系統全面又與時俱進，在此基礎上通過理論與實驗教學新方法的改革和教學團隊模式的構建等方面進行有益的改革探索，使學生能全面地掌握航空發動機控制課程的培養要求，為今后進一步學習航空發動機控制和進入工作崗位打下堅實的基礎，提高運用控制理論解決實際問題的能力。

一、課程改革總體建設規劃

充分利用已有課程建設成果和基礎，同時進一步深化課程體系、教學內容和教學方法的改革，吸取國內外同類課程教學的優點，改進不足，采用理論與實驗教學相結合的改革方法進行“航空發動機控制”課程的建設。

（一）理論教學方法改革

課程以講授為主，注重學生思維能力、動手能力和自學能力的培養。采用的“兩結合一調整”的教學方法和手段，提高理論教學質量。

1. 課堂討論與問題探索相結合

針對課程中的基礎理論或主要疑難問題，在學生獨立思考之后，共同進行討論、辯論，并將全班學生分成大組進行討論，并組隊完成相關文獻查詢、問題分析、解決方案設計與實現等方面的嘗試與實踐。加深學生對基本理論的理解與分析問題、解決問題能力的培養，為今后從事控制系統設計相關工作奠定必要的技術基礎與素養。

2. 課堂教學與自學相結合

在課堂教學之余為了培養自學能力，在授課中安排適量的自學內容，并采用答辯的形式對學生自學情況實現反饋，以對其知識掌握程度、學習方式、理解問題的角度等方面進行了解，并給出適當的建議與指導。

3. 教與學的動態調整

根據教學情況及學生的反饋情況，對課堂教學方式和內容進行動態調整，教學相長，走出一種有利于學生掌握知識和應用知識的教學方式。

（二）實驗教學方法改革

1. 生動形象的演示與身臨其境的實踐相結合，突破傳統教學方式的局限性

將虛擬現實技術與發動機課程實驗教學相結合。使學生從視覺上對航空發動機內部工作狀態有形象直觀的認識。圖1為航空發動機情景演示教學平臺，通過三維交互、視景仿真等手段，使學生獲得視、聽、觸等感知體驗，充分的發揮教學實驗室和認知實習等環節，給學生進行實物或直觀教具/3D模型展示，或者作示范性的實驗。

通過實際觀察獲得感性知識以說明和印證所傳授知識的方法。在課程中適當引入工程實例，使學生在學習的過程中了解所學理論在航空發動機控制中如何應用及應注意的問題，并增強理論聯系實踐、從現實中來到現實中去的現代科學觀念。

2. 依托發動機控制系統快速原型設計實驗平臺，深度理解航空發動機控制的課程內涵

目前航空發動機設計正逐步從“傳統設計”向“預測設計”轉變，預測設計主要是在建立較精確的數學模型、優化設計和虛擬現實仿真的基礎上，把大量的設計及修改放到計算機上進行。

圖2為發動機控制系統仿真實驗平臺原理框圖。該實驗平臺基于快速原型設計原理，是一套基于總線模式的小型化接口通用的嵌入式仿真模塊，本質上是將航空發動機控制系統細分為更具體執行部件的子模塊模型。最后將各個子系統集成于一體，進行整個發動機控制系統的綜合性能仿真。通過實驗教學的深度學習，從而增強學生系統性分析與解決實際問題的能力，提高學生的專業素質。

三、教學內容和教材更新

結合學科的教學要求，以及近年來行業的發展方向，按照從共性到個例、從細節到總體、由點到面的教學思路，對航空發動機控制系統的教材進行更新，使學生在學習教材中能夠觸類旁通，達到舉一反三的效果。更新教學內容和教材為：

（一）新增部分機械液壓控制系統中所用到的基礎理論知識

如機械液壓系統中計量活門計算常涉及的小孔節流公式；通過相似類比的方式，從電路原理引入液壓橋路等基本概念，以及數學運算如何利用機械液壓結構來實現等基礎問題。

（二）新增機械液壓控制系統中常見的液壓元件的講解內容

總結國內外典型型號航空發動機的機械液壓控制裝置或數字電子控制器的機械液壓部件，歸納出通用的幾類典型元件或組件，如計量活門、壓差活門、層板節流器、節流嘴、膜盒、凸輪、杠桿等，針對其共性問題進行介紹，并對（一）中所介紹的基礎理論如何應用在以上液壓元件計算進行詳細介紹。

（三）新增部分機械液壓控制系統中常見的組件

包括常見航空渦扇發動機機械液壓控制系統中常見的組件，如計量裝置、轉速轉換裝置、加減速控制器、起動控制器、燃油分配器、導流葉片控制器、靜子葉片控制器、尾噴管面積控制器、加力燃油調節器等，對其工作原理及如何由液壓元件集成進行詳細分析。

（四）新增航空發動機典型機械液壓控制系統的原理與結構

結合典型機械液壓控制系統，如軍用加力混排渦扇發動機AL-31F、Spey、商用分排渦扇發動機CFM56、軍用渦輪軸發動機PT-6C等發動機的控制系統，系統地介紹機械液壓控制系統的整體結構、需注意的要點以及設計過程中的考量等問題。

（五）以某型航空發動機機械液壓控制系統為例，由元件級到系統級建模，進行全系統仿真分析。

利用VC++、MATLAB/Simulink、AMESim、ISight、ADAM

S、Motion.Lab等工具，以某型航空發動機機械液壓控制系統為例，根據（一）中所介紹的基礎理論，對其進行從元件→組件→系統的數學建模工作。借助所建立的模型，并結合所介紹的工作原理，對控制系統進行深入講解，使教學的理論與實際工程應用相掛鉤，理論與實際相結合。

通過教材的更新，加入聯系航空發動機控制系統實際應用方面的理論教學，使學生能正確掌握典型航空發動機控制系統的基本理論與方法，能完成對航空發動機控制系統的分析與設計，并為相關后續課程以及未來從事控制系統設計工作奠定堅實的基礎。

四、教學團隊建設與改革

根據專業定位和特色，以及教學改革總體思路，確立團隊建設規劃，以學校的優勢特色專業和精品課程為建設平臺，集中精英師資隊伍，建設高水平教學團隊。積極開展專業建設、課程體系建設與改革，根據控制學科的發展趨勢，開展“航空發動機控制”團隊建設，構建更加科學合理的課程體系和教學團隊結構。

（一）建立高效協作的內部管理與運行機制，激發團隊成員的主觀能動性和創新能力

教學團隊的內部管理與運行機制對激發團隊成員的主觀能動性和創造力至關重要。具有強大協同力的教學團隊，應構筑和諧包容的文化氛圍，鼓勵學術爭鳴，保護學術自由，倡導團結協作，實現共同奮斗。在這樣的文化氛圍下，建立高效協作的內部管理與運行機制，實現領導權與決策權共享，使每個成員享有權利，承擔義務，共同為團隊建設發揮自己的獨特作用。教學團隊不同于其他類型組織，團隊中的成員都是知識技能共通互補的教師，他們沒有等級劃分，通過向學生傳授知識和技能，為團隊目標的實現做出自己的貢獻。團隊帶頭人雖然在團隊發展中具有重要作用，但團隊其他成員同樣與其共同享有領導權和決策權，團隊的發展和重大問題應在充分溝通、彼此信任的基礎上達成共識。只有這樣的內部管理機制，才能充分激發團隊成員的主觀能動性和創造力，實現教學團隊的和諧發展。

（二）根據教學團隊的人員結構，制定新進青年教師的“跟學、跟練、跟教”培養方案

對青年教師進行教學技能與方法的指導，實行“學與練”、理論結合實踐的反饋式教學方法改進策略，推進老教師對新教師的傳幫帶工作。

（三）建立有利于高水平教學團隊建設和發展的評價考核機制

評價考核機制對教學團隊的建設發展具有重要影響，應充分認識教學團隊的特性，建立有效的評價考核機制。教學團隊的重要特征之一，就是團隊成員之間的協作和集體目標的實現。基于這一特征，對教學團隊的績效評價，應改變重個人業績考核為個人業績與團隊業績并重的考核機制，由單純的數量考核向更加重視質量評價轉變。如在教學質量考核方面，更加注重團隊整體的教學效果，并不針對團隊成員個人進行考核。團隊成員需要使用教學質量評價結果時，也以團隊評價結果為準。這樣的評價機制有利于促進團隊內部關系融合，調動教師協同工作的積極性。

五、結束語

航空發動機控制是飛行器動力工程專業重要的專業核心課程，論文通過理論教學方法改革、實驗教學方法改革、教學內容和教材更新和教學團隊的建設等措施，將“兩結合一調整”及虛擬現實技術、快速原型設計技術等實驗技術新方法與航空發動機專業教學相結合，并構建更加科學合理的課程體系和教學團隊結構，探索了新時代下航空發動機專業核心課程的理論與實驗教學新方法。通過不斷改進并探索教學方法，促進學生基本素質與綜合能力的培養與發展，對培養學生學習興趣、夯實學生基礎知識以及進行后續課程的學習具有重要的作用。

參考文獻：

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