虛擬仿真實驗教學體系建設探索

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摘要：航空動力系統由于結構復雜，運行過程常處于高溫、高壓、高危環境，因此給實驗教學活動的開展帶來了諸多困難。文章定位于“突出航空動力專業特色，強調理論實踐協調發展，虛擬現實相輔相成”，利用虛擬現實、計算機網絡、多媒體等技術構建了適應學科特點的實驗教學體系。實踐表明，該體系能使學生不受時間、不受地點通過仿真實驗真實的認識航空動力系統，強化相關專業實踐教學效果，激發學生自主創新和創業精神，有效的提高了學生的工程素養，取得了一系列教學成果。

關鍵詞：實驗教學；虛擬仿真；教學體系；航空動力系統

一、航空動力系統實驗教學面臨的困境及虛擬仿真實

驗教學體系建設的必要性黨的十八屆五中全會提出：創新的事業呼喚創新的人才，培育創新人才是人才培養的首要任務[1]。建設教育強國是中華民族偉大復興的基礎工程，必須把教育事業放在優先位置，加快教育現代化，辦好人民滿意的教育[2]。實踐教學是高素質工程科技人才培養過程中的重要組成環節，是激發學生探索未知、培養學生實踐能力與創新精神的必要途徑。航空動力系統結構復雜，運行過程中對電源、液源、氣源等要求嚴格。以常見的某型軍用發動機為例，其壓氣機出口壓力為20-30×105Pa，燃燒室出口溫度為1800-2000K，渦輪部件葉尖線速度超音，部分達到500m/s，部件或整機實驗過程中峰值噪聲達150dB噪音，實驗過程常處于高溫、高壓、高危環境，運行環境之危險，實驗過程之困難可見一斑。鑒于實驗現狀和安全性考慮，學生只能通過觀看演示性實驗進行學習，實際動手參與程度低。自主設計、創新型實驗教學活動難以開展，未能切實貫徹提出的“著力培養學生的創新精神和實踐能力”這一人才培養要求[3]。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》指出：“信息技術對教育發展具有革命行動影響，必須予以高度重視”[4-5]。通過虛擬仿真實驗教學體系的構建，不但可以實現學生自主設計實驗流程、修改實驗參數、進行實驗配置等實物實驗中不宜開放的高危險、高成本性實驗功能。還可以通過虛擬實驗和真實實驗相結合，使學生在“虛”中了解并掌握復雜大系統的工作原理與測試方法，在“實”中親自動手調試這一系統的部分功能單元，促進知識的轉化與拓展，加深對航空動力系統結構及工作原理的理解。進而，有效的培養學生自主實驗設計能力、實驗分析能力、獨立創新能力和“研學一體化”技能。綜上所述，建設虛擬仿真實驗教學體系意義重大，勢在必行。

二、虛擬仿真實驗教學體系的特色與創新

虛擬仿真實驗教學體系的特色與創新主要體現在以下幾點：（一）強化學生實踐能力，建立了以解決工程問題為核心的創新人才培養新模式。航空動力系統虛擬仿真實驗教學體系以培養基礎理論扎實、動手能力強、創新能力突出的高素質專業型人才為根本，以適應國家航空航天動力、新能源等領域人才需求為目標，以遵循學科發展規律為宗旨，進行了實驗內容和管理模式的改革，如圖1所示。改變了傳統的“一門課程、一門實驗、一人管理”的非系統性實驗方式，建立了新型的“基礎性實驗-綜合性實驗-研究性實驗-創新性實驗”的多層次化、多模塊化實驗教學體系，形成了適應學科特點及航空發動機特點的系統、科學、完整的課程體系。教學團隊不僅通過專業基礎和專業核心知識的實驗講授來提高學生工程實踐技能以及發現問題、綜合分析、解決問題的能力，還邀請行業內科研院所、國內大型企業、世界著名發動機企業、國內外院校的著名專家學者參與虛擬仿真線上教學活動，將最先進最前沿的科學技術進展情況和企事業科技發展需求分析引入教學，提高學生創新精神，激發學生創新創業熱情。（二）以航空發動機為對象，充分利用科研資源，實驗教學內容豐富。航空動力系統虛擬仿真實驗教學體系結合了飛行器動力工程、能源與動力工程、自動化（動力方向）等幾個專業科研和教學的需求，始終定位于“突出航空動力專業特色，強調理論實踐協調發展”，突出本科生寬口徑、厚基礎、重實踐的培養模式，讓學生不受時間、不受地點地“通過仿真實驗真實的認識發動機”，并將課堂教學有效的延伸，建立了“航空發動機總體及原理”、“航空發動機結構動力學”、“流體力學/氣體動力學”、“航空發動機控制綜合”四個相互交叉、相互支撐的虛擬仿真實驗教學平臺。其中包含26個實驗教學模塊，75個實驗項目，實驗教學內容豐富。（三）注重學生創新能力培養，立足實踐教學研究，實現遠程終端實驗教學，效益顯著。航空動力系統虛擬仿真實驗教學團隊擁有獨具特色的情景式、多維度、高互動、全開放的虛擬實驗室核心技術，真正構建了“虛實結合”的教學新模式。學生可根據自身興趣特點和個性化需求，通過使用臺式計算機、平板電腦、手機等實現線上學習。即學生可通過手機等無線終端登陸“教學平臺”，預約實驗，教學團隊教師可實時觀測到預約頁面，通過審核學生并授權后，學生即可進入平臺，進行多項實驗內容，如圖2。通過開放性實驗和多媒體遠程虛擬仿真實驗項目建設，促進了學生對課堂理論知識的理解；降低了學生在真實實驗過程中操作誤差的風險；避免了昂貴設備裝置由于操作失誤而發生的故障；彌補了單一設備昂貴以至于學生無法全部參與操作的缺陷；解決了多校區運行學生實驗難以開展的困局，使得實驗教學更具有主動性、創新性、系統性和高效性。（四）校校、校所、校企合作關系密切，構建了“多學科交叉、分層次任務、開放共享式、本研一體化”的實驗教學新模式航空動力系統虛擬仿真實驗教學體系的教學項目不僅與理論教學緊密結合，而且與工程實踐密不可分。一方面，該教學體系通過“內部聯合”建設，鼓勵學生積極參與國家“973”、國家“863”等國家級項目以及其他科研院所合作的項目，以全面培養學生的科研能力。同時，教師及時將本學科（專業）的科研成果進行轉化，更新實驗教學內容，并積極鼓勵學生參與實驗臺的更新或新建，強化學生的動手能力和綜合技能。另一方面，該教學體系通過“外部聯合”建設，與沈陽發動機設計研究所、中國航空動力機械研究所、中國燃氣渦輪研究院、沈陽黎明航空發動機公司、成都發動機公司、西安航空發動機公司等聯合成立了實踐教學基地，以全面提升學生的創新創業精神和實踐創新能力。通過上述全方位、多形式的教學體系建設，團隊已形成了適應行業技術發展，總體布局結構合理，多學科交叉，實驗功能齊全的高水平、高效益、共享式的實驗教學新模式。綜上所述，航空動力系統虛擬仿真實驗教學體系解決了實驗教學中普遍存在的“想做做不成”、“能做不愿做”、“只看不能做”等教學難題，有效的調動了學生學習的積極性，提升了實驗教學的質量，探索出了一條適用于航空動力系統高端精英人才培養的新途徑。

三、航空動力系統虛擬仿真實驗教學體系建設內容

如圖3所示，航空動力系統虛擬仿真實驗教學團隊按照實驗教學與課程教學一體化設計，建立了科學、合理、優化、具有航空動力特色的虛擬仿真實驗教學體系，實現了課程與實驗的緊密結合。并按照“基礎類”、“專業類”、“科技成果轉化與創新類”三個模塊，建設、提升和完善各項虛擬仿真實驗教學項目[6]。教學團隊嚴格遵循航空發動機設計流程進行教學體系構建，使學生從航空發動機部件、結構、工作原理、設計方法等方面入手學習，并逐漸過渡到對航空發動機整機結構和工作原理的學習掌握，最終實現了學生對復雜物理系統從簡單到復雜的各個知識點的全面掌握。截止目前，該教學體系已建設成4個虛擬仿真實驗教學平臺，75個虛擬仿真實驗教學項目。（一）航空發動機總體及原理虛擬仿真實驗教學平臺。通過發動機虛擬結構實驗模塊、流場動態模擬模塊和模擬試車實驗模塊的建設，可使學生對航空動力系統結構和各個部件功能、工作原理有更加清楚和全面的認識。同時，學生可通過自主操作虛擬試車臺，手動調節參數，模擬發動機試車狀態等途徑進行學習。（二）航空發動機結構動力學虛擬仿真實驗平臺。該平臺包含三個基本模塊：發動機結構動力學設計虛實結合的實驗教學模塊、發動機振動控制虛實結合實驗教學模塊和發動機故障診斷虛實結合實驗教學模塊，為“航空發動機結構動力學與振動”課程提供實驗支撐。同時，基于網絡的發動機結構動力學虛擬實驗系統可以讓學生快速組合動力學實驗的多種支承結構、阻尼器形式、盤軸關系、質量分布等，構成不同的發動機結構，將耗時長、投入大、危險高的實驗，可以靈活的組合在虛擬狀態下安全的進行。（三）流體力學/氣體動力學遠程虛擬仿真實驗教學平臺。綜合航空發動機流體力學/氣體動力學教學實驗和團隊科研實驗資源，通過虛實結合的半實物仿真技術，為飛行器動力工程專業學生提供遠程教學實驗服務，同時提供遠程科研觀摩實驗服務，大大的拓展了現有硬件教學實驗設計和科研實驗的使用率和利用率，解決了發動機流體力學/氣體動力學設備少、實驗準備耗時長、實驗安全風險高的限制。該平臺包含6個實驗模塊：孔口管嘴實驗模塊、文丘里流量計實驗、雷諾實驗、拉伐爾噴管中氣體流動特性實驗模塊、伯努利方程實驗模塊、二元拉伐爾噴管激波系紋影觀測實驗模塊。（四）航空發動機控制綜合虛擬仿真實驗教學平臺。通過開展航空發動機控制系統仿真課程教學方法的探索與改革，航空動力系統虛擬仿真教學體系建設團隊，根據航空發動機控制專業特點，結合某型發動機控制需求，開發了發動機液壓控制半物理虛擬仿真實驗平臺、航空燃油泵（柱塞泵、離心泵、齒輪泵）虛擬實驗項目，通過建立一套高集成度的虛擬仿真實驗教學軟件，使學生能將課堂教學中的各種仿真方法方便快捷的開展仿真實驗研究，在提高實驗效率的同時充分激發了學生做實驗的積極性，培養和鍛煉了學生的綜合能力。

四、航空動力系統虛擬仿真實驗教學體系教學水平和成果

虛擬仿真實驗教學體系含有4個實驗教學平臺，68門實驗課程，面向全校所有專業及航空動力相關企事業單位開放，年均直接受益人時數近10800（人•小時）。近五年來直接從科研成果轉化而來的實驗設備20余套，所開發的實驗教學項目30余項。教師團隊指導學生參加大創項目80余項，參與人數300余人。指導學生共獲批實用新型專利6項，發表學術論文四十余篇。學生獲得國家一等獎8項，二等獎13項，三等獎35項。依托航空動力系統虛擬仿真實驗教學體系，教學團隊構建航空動力系統虛擬仿真中心。2016年中心獲評為“陜西省虛擬仿真實驗教學中心”[6]。2017年，航空動力系統虛擬仿真實驗教學體系獲評“西北工業大學教學成果一等獎”[7]。

參考文獻：

[1]中國共產黨第十八屆中央委員會第五次全體會議重要講話[Z].2015，10.

[2]：優先發展教育事業[Z].2017.[3]考察北京市八一學校重要講話[Z].2016，9.

[4]中華人民共和國教育部．教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）（教技[2012]5號）[Z].2012，3.

[5]國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作小組辦公室．國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[Z].2010．

[6]中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].（2012-10-01），[2014-12-19].

[7]西北工業大學.關于公布2016-2017學年校級優秀教學成果獎獲獎項目的通知（校教字〔2017〕267號）[Z].2017，9.

作者:郭雅楠 王掩剛 牟 蕾 閆 偉 單位:西北工業大學