“飛機動力裝置”虛擬仿真實驗教學改革探索

邢達，魏琛，郝紅勛★，張博

（中國民航大學 飛行分校，天津 300300）

0 引言

在高校專業課教學中，實驗教學是培養高水平工科專業技術人才的重要支撐手段。然而，由于場地條件的限制、成本的約束以及教學安全等多方面的考慮，傳統的實驗教學難以達到理想的實驗條件，使得整體實驗教學水平受限，學生參與感較低。因此為打破傳統實驗教學中時間和空間的限制，降低整體實驗成本，實現實驗過程的快速再循環利用，提升學生實驗過程中的參與感和體驗感，將虛擬仿真實驗引入到專業課實驗教學中已經成為了一種趨勢。

虛擬仿真實驗是以計算機技術為核心，通過邏輯編程、模型構建、云計算平臺等信息化手段，突破了傳統實驗中時間和空間的限制，實驗過程安全可靠，同時也兼顧了成本的因素，結合可視化技術和虛擬現實等技術手段可以大幅提升學生的實驗參與感。

因此在虛擬仿真技術不斷發展的背景下，如何提升實驗教學水平，改善實驗條件，使理論教學與虛擬仿真實驗教學在協同中形成合力，加深學生對于重難點知識的理解就成為至關重要的問題。本文針對傳統實驗的局限性，結合《飛機動力裝置》課程自身特點以及教學目標要求，整合教學資源，豐富教學內容，創新實驗方法，努力提升學生對《飛機動力裝置》課程知識的掌握，以實現專業知識傳授、實驗能力提升、思想價值引領的協同育人模式。

1 《飛機動力裝置》課程特點與傳統實驗局限性分析

飛機動力裝置課程主要介紹航空活塞式發動機和航空燃氣渦輪發動機的分類情況、主要部件、結構特點、工作原理、輔助系統、工作特性以及螺旋槳相關的知識內容。該課程以航空發動機為核心進行講授，航空發動機作為工業皇冠上的明珠，其系統結構精密且復雜，是目前我國正在著力攻關突破的“卡脖子”問題。該課程作為飛行技術專業的核心專業課程，面向的學生主要是未來的民航飛行員，課程內容設計與飛機機型以及學生畢業后的工作崗位要求聯系緊密，因此飛機動力裝置課程的教學在未來民航人才的培養中起著至關重要的作用。

從課程所涉及的內容出發，飛機動力裝置課程包含的知識廣泛，從材料學、熱力學、空氣動力學、結構力學到系統控制理論，涉及到多學科的交叉聯動，與飛機機體結構和駕駛艙內重要儀表參數聯系緊密[1-2]。如果僅依靠紙質版教材和傳統的多媒體教學手段，例如PPT、圖片、視頻等形式對航空發動機的知識進行講解，由于缺乏動態的視覺信息交互以及觸覺的感受，對于一些重難點知識學生難以直觀地理解，也難以滿足學生的求知欲。

從傳統實驗條件制約的角度出發，一臺航空燃氣渦輪發動機占地面積大，成本極高，其結構由上萬個精密零部件組成，很容易受到場地、資金的制約。如果想動態觀察航空發動機的工作運轉過程，由于其開車后存在危險區，實驗長處于高溫、高壓、高速的運行環境中。基于安全性的考慮，學生們只能在教師的講解下進行靜態的觀察，整體實驗過程學生參與感低，缺少互動性。以上種種原因，限制了傳統實驗室實驗教學水平的提升。

2 虛擬仿真實驗特點及優勢分析

針對飛機動力裝置課程涉及知識面廣、工程實踐性強等特點，以及受場地、經費、環境、安全等因素限制，為改善實驗條件，提升實驗效果，激發學習興趣，提升民航高水平人才培養質量，將虛擬仿真實驗逐步地引入到實驗教學中已經勢在必行。虛擬仿真實驗以計算機為核心，通過編程語言、模型構建和可視化技術的應用，搭建出一個完善的虛擬場景。通過連接相應的外部設備，例如鼠標、VR眼鏡、油門操縱桿或人體外骨骼等設備，讓使用者可以和構建出的虛擬場景進行視覺、聽覺、觸覺的動態交互。目前虛擬仿真實驗教學已經在多個領域展開應用，其包括建筑結構設計、煤礦管路施工、汽車虛擬維修仿真，航空發動機試車等領域[3-5]。

虛擬仿真實驗與傳統實驗相比具有以下幾個優勢：（1）虛擬仿真實驗突破了時間與空間的限制，時間和空間的靈活度高，學生通過計算機就可以登陸虛擬仿真云平臺進行學習，通過設置參數來模擬自己想要的實驗條件，也可以隨時回顧重難點的知識解析。（2）整個實驗過程都是在計算機內部仿真完成的，實驗過程安全可靠，回避了重型實驗設備帶來的危險性。（3）整個實驗過程可重復性高，不消耗實際物品，節約成本，通過編程的設置可以使系統迅速復位，節省了實驗重置的時間，對于知識掌握不牢固的學生可以在虛擬仿真實驗中重復練習。（4）虛擬仿真實驗可擴展性高，通過增加、刪減或者修改計算機中的程序代碼就能完成實驗場景的變換或者實驗條件的修改，對于虛擬仿真實驗室技術的更新迭代十分有利。（5）虛擬仿真實驗往往結合了計算機領域最先進的技術，例如人體外骨骼、增強現實等技術，有利于激發學生學習興趣、開拓學生的創新思維。

3 虛擬仿真實驗探索應用

目前我校在多門航空類課程中均逐步開展虛擬仿真教學實驗，包括飛行模擬操縱實驗教學，基于unity3D的航空發動機虛擬維修仿真實驗等，飛機動力裝置課程也在逐步探索使用虛擬現實技術和虛擬仿真技術對燃氣渦輪發動機總體結構認知部分和發動機起動開車過程進行實驗教學[6]。其他高校的航空航天類課程也在逐步推廣使用虛擬仿真實驗技術，鄭州航空工業管理學院選擇了超聲速噴管壓力測量及紋影觀測實驗，借助光學測量手段可以對收擴噴管的激波結構與形態進行觀察，南京航空航天大學搭建了微型燃氣發動機虛擬試車平臺，通過該平臺可以了解航空發動機的運行過程特點，實現發動機控制參數的優化[7]。

航空發動機類課程的虛擬仿真實驗基于真實的燃氣渦輪發動機構建，實驗中所構建的虛擬場景能較為真實地反應發動機結構元件的特點，同時學生可以在虛擬仿真環境中進行交互式操作，能夠實現全方位多角度地觀察內部各部件的運作機理。虛擬仿真實驗與傳統實驗相比在教學效果上產生了顯著的提升，具體體現在以下幾個方面：

（1）虛擬仿真實驗促進了理論學習和實驗教學的深度融合。在以往理論教學的過程中，教師很難攜帶沉重的教學實驗設備進入課堂，在課堂中僅能進行一些簡單的演示性實驗，而在實驗教學過程中，往往要先花費時間去進行理論知識的回顧，這就導致理論學習和實驗教學過程相割裂，虛擬仿真實驗平臺的建立則很好地解決了這個問題。學生在理論學習的過程中可以通過虛擬仿真實驗平臺自主地進行實驗模擬，同樣的，學生在進行虛擬仿真實驗的時候往往伴隨著重難點知識的講解，學生可以根據自己知識掌握的不同程度來進行知識回顧，滿足學生自主性學習需求。

（2）虛擬仿真實驗將之前學生的靜態被動式接受學習變為了動態靈活的主動探索式學習。學生可以根據自己想觀察的實驗情況來設定實驗參數，也可以通過鼠標或VR眼鏡等外設對結構元件進行縮放或多角度觀察，同時也能按需求暫停實驗過程進行原理分析。鑒于虛擬仿真實驗高度的靈活性和自主性，既激發了學生的學習興趣，又增強了學生分析問題解決問題的能力。

（3）虛擬仿真實驗能夠將教材中生硬晦澀的文字講解變為計算機屏幕上生動直觀的畫面，借助虛擬現實和增強現實等新興技術手段，能夠形成連續動態的視覺效果，實驗生動逼真，同時對于實驗過程中參數超限或操作失誤等情況，系統也能及時給予提示和反饋，更有利于加強學生對于重難點知識的理解和掌握。

4 結論

飛機動力裝置課程與航空工業制造、飛行安全、民航業發展以及國家的重點攻關項目息息相關，擔負著培養共和國未來高水平民航人才的重任。但由于場地、時間、經費等因素的制約，導致飛機動力裝置課程的實驗教學難以高效地開展，實驗教學水平受到限制。虛擬仿真實驗技術的出現很好地解決了傳統實驗資源緊張，實驗過程危險，實驗設備更新緩慢的問題，體現出動態靈活、實時逼真、安全環保、可進行擴展的優勢特點，從而推動高校實驗教學水平不斷提升。