GE-nx發動機虛擬仿真教學資源建設與實踐

劉岱 樊智勇 張文林

摘要：針對飛機發動機類課程的實踐教學資源現狀，如教學設備、場地、人員、安全等問題受限較多、教學資源不足等，文章基于“以學生為中心”的主導思想，設計并建設基于虛擬仿真技術的實踐教學資源，豐富教學資源，增加教學手段。同時，以電子信息工程專業飛機發動機及控制課程為例，通過虛擬仿真技術研究并建設教學資源庫。開發課程教學案例以及應用平臺。

關鍵詞：教學資源;虛擬仿真;發動機控制

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0140-02

一、引言

高校數字化教學資源是信息化背景下高等教育教學資源的一種新形式，加快了高等教育從規模擴張向提升質量的轉變。教學實踐表明，數字化教學資源的有效利用，對于提高學生的學習能力、培養問題意識、塑造人文精神具有重要意義，可以激發學生學習興趣，是培養學生自主學習能力和創新能力的有效途徑[1]。我校是一所培養航空專業人才的高等學府，對專業課的教學資源建設極為重視。本文以電子信息工程專業課飛機發動機及控制課程為例，引用虛擬仿真技術，建設飛機發動機及控制課程數字化教學資源，深入研究課程教學資源的建設形式和方法。

二、飛機發動機及控制課程數字化教學資源情況

數字化教學資源是指經過數字化處理，可以在計算機和網絡環境中進行數字處理與運行的多媒體教學資料。與傳統教學資源相比，數字化教學資源更加豐富多彩，而且，教學資源環境的網絡化實現知識的共享和傳輸。教學資源建設開源化，除了教師外，學生還可將自己的資源添加到數字資源庫中[3]。通過虛擬仿真技術開發的教學資源，是數字化教學資源的一種，是教學內容和教學方法數字化的產物，對教學媒體物理特征的研究轉移到從學生角度出發對教學資源的研究，以實現包括媒體在內的所有教學資源的使用與使用目標的緊密結合。

飛機發動機及控制課程主要是培養本科生對民用飛機發動機的認知和操作控制，為機務維修工作打下基礎。在理論教學方面，由于商用運輸飛機發動機的種類具有多樣性，進行知識點設置時，主要是按照我國現役典型飛機的發動機進行介紹。隨著新型飛機和發動機技術的不斷更新，如波音787和空客380使用的GE-nx與Trent1000等新型高涵道比渦扇發動機，是目前民航飛機運用的主流發動機。實踐教學方面，由于條件所限，比重較小，若提供一臺在工作狀態下的真實發動機作為實踐課程內容，除了人員及設備安全問題外，實驗成本極高。因此，實踐教學中，場地、設備、成本等都是受限制因素，教學資源不足是本課程實踐教學的難點。

借助虛擬仿真技術，將其應用于課程實踐教學中，不僅避免了上述問題，還擴展了教學資源，增加了教學手段。它不僅可以演示發動機結構和工作原理，還可以演示發動機工作時人所看不到的各種工作狀態以及故障狀態。這種教學方法是遵循“以學生為中心”的主導思想，使學生不再是被動地聽和看，單向接受教師傳授的教學內容，而是以事件主角的形式參與，達到學習的目的。

三、GE-nx發動機的數字化教學資源建設

依據飛機發動機及控制課程教學大綱要求，對課程進行知識點的梳理，完善課程知識結構體系，建設該課程中的GE-nx發動機教學資源。

1.構建GE-nx發動機課程教學資源庫。根據課程大綱設計關于GE-nx發動機的課程內容，將需要使用虛擬仿真技術的內容提取出來，分成兩部分：發動機工作原理演示部分和發動機附件工作狀態演示部分。先從AMM手冊、GE-nx發動機數字化手冊等資料中獲取發動機原始數據模型，接著根據發動機的部件、系統、附件分類整理，建立一整套發動機初步模型庫。由于從手冊中獲取的模型并不都是完整的，且不能完全滿足教學內容，還需要對模型進行重建，彌補缺失。然后，把精細度不高的模型進行優化處理，如減少多邊形面數、重疊圖形合并/刪除、修改模型布線拓撲等。優化和重建的對象主要是發動機核心機和系統附件。最后，根據教學內容，將已優化的模型組合成一臺完整的發動機模型，再逐一制作發動機的其他系統附件，根據教學重難點突出所用到的發動機模型，將非重點內容所用到的模型做輕量化處理。

2.構建課程教學案例資源。根據教學大綱內容，課程教學案例主要由兩部分組成：教學演示和操作訓練。教學演示主要針對飛機發動機核心機和系統附件做工作原理與故障狀態的動態演示，通過利用優化處理好的三維模型開發動態演示視頻。操作訓練主要依據AMM手冊和發動機手冊，整理GE-nx發動機維護、拆裝等流程，開發訓練內容。通過虛擬仿真技術建立虛擬訓練環境，學生可以在該環境中通過操作手柄完成訓練任務。

3.構建教學資源演示平臺。基于虛擬仿真技術開發的教學資源可應用于多種演示平臺，使教學資源得到充分而靈活的應用。①臺式PC機目前都是基于Windows操作系統，課堂上教師不僅借助多媒體演示，還可供學生在課余時間反復演示和進一步開發。②通過移動互聯網的在線功能、推送功能、便攜功能，重新定義移動學習方法。移動終端主要是基于iOS/Android系統的手機或平板電腦，一方面，學生可通過三維查看器軟件隨時學習發動機相關知識;另一方面，可以從教師所更新發布的教學資源復習課堂重難點。這既為學生提供了多元化的學習平臺，又增加了師生的線上線下互動，破解課堂教學局限。③基于VR頭盔的虛擬現實教學，以增強用戶的沉浸感和交互感。將此技術應用于教學，可以有效激發學生的學習積極性。首先，準備VR虛擬現實設備，將開發好的發動機三維模型導入設備，并帶領學生進入逼真的發動機工作場景。其次，通過開發VR頭盔的配套手柄，既可以看到三維發動機模型，還可以通過手柄對發動機進行分解，任意轉換發動機的觀察視角等。借助基于VR設備的教學平臺，可提供接近真實發動機的外觀和操作體驗的數字仿真。通過三維環境的逼真性和人機交互的方法，可將抽象而又難以理解的知識點，淋漓盡致地展現給學生。

四、教學資源建設的創新點

飛機發動機及控制課程虛擬仿真教學資源的建設，迎合了“以學生為中心”的教育理念，增加了與學生的情感互動，參與和雙向反饋中注重學生的感受。通過虛擬教學環境，可以引導學生主動投入學習，充分發揮潛能。GE-nx發動機是新型高涵道比渦扇發動機，以其為主的虛擬仿真教學資源，在教學內容上緊跟發動機發展技術，在學生學習飛機發動機新技術的進度上不遲滯。

五、結語

本文的重點在于，利用虛擬仿真技術的優勢實現專業課程實踐教學資源建設，打破傳統的教與學的模式。利用虛擬現實的沉浸性和交互性，有利于學生工程維修技能的訓練。數字化教學資源種類豐富且耗損低，但對于飛機發動機這樣結構復雜、系統多樣的設備，須開發更有深度的大量資源。這都是需要繼續攻克的難關。

參考文獻：

[1]劉懷金，聶勁松，吳易雄，高校數字化教學資源建設：思路、戰略與路徑——基于教育信息化的視角[J].現代教育管理，2015，（9）：89-94.

[2]李茜，李瑩，VR技術在工程管理專業教學中的應用研究[J].智庫時代，2017：82-83.

[3]劉亞豐，蘇莉，吳元喜，余龍江，虛擬仿真教學資源建設原則與標準[J].實驗技術與管理，2017，34（5）：8-10.

[4]蒙俊健.基于現代信息化的職業學校仿真教學應用研究及實踐[J].中國職業技術教育，2018，（2）：71-74.

[5]羅昊，張曉東.虛擬仿真實驗教學中心開放共享模式的探索[J].實驗技術與管理，2016，33（10）：232-236.