虚拟仿真实验教学体系建设探索

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摘要：航空动力系统由于结构复杂，运行过程常处于高温、高压、高危环境，因此给实验教学活动的开展带来了诸多困难。文章定位于“突出航空动力专业特色，强调理论实践协调发展，虚拟现实相辅相成”，利用虚拟现实、计算机网络、多媒体等技术构建了适应学科特点的实验教学体系。实践表明，该体系能使学生不受时间、不受地点通过仿真实验真实的认识航空动力系统，强化相关专业实践教学效果，激发学生自主创新和创业精神，有效的提高了学生的工程素养，取得了一系列教学成果。

关键词：实验教学；虚拟仿真；教学体系；航空动力系统

一、航空动力系统实验教学面临的困境及虚拟仿真实

验教学体系建设的必要性党的十八届五中全会提出：创新的事业呼唤创新的人才，培育创新人才是人才培养的首要任务[1]。建设教育强国是中华民族伟大复兴的基础工程，必须把教育事业放在优先位置，加快教育现代化，办好人民满意的教育[2]。实践教学是高素质工程科技人才培养过程中的重要组成环节，是激发学生探索未知、培养学生实践能力与创新精神的必要途径。航空动力系统结构复杂，运行过程中对电源、液源、气源等要求严格。以常见的某型军用发动机为例，其压气机出口压力为20-30×105Pa，燃烧室出口温度为1800-2000K，涡轮部件叶尖线速度超音，部分达到500m/s，部件或整机实验过程中峰值噪声达150dB噪音，实验过程常处于高温、高压、高危环境，运行环境之危险，实验过程之困难可见一斑。鉴于实验现状和安全性考虑，学生只能通过观看演示性实验进行学习，实际动手参与程度低。自主设计、创新型实验教学活动难以开展，未能切实贯彻提出的“着力培养学生的创新精神和实践能力”这一人才培养要求[3]。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》指出：“信息技术对教育发展具有革命行动影响，必须予以高度重视”[4-5]。通过虚拟仿真实验教学体系的构建，不但可以实现学生自主设计实验流程、修改实验参数、进行实验配置等实物实验中不宜开放的高危险、高成本性实验功能。还可以通过虚拟实验和真实实验相结合，使学生在“虚”中了解并掌握复杂大系统的工作原理与测试方法，在“实”中亲自动手调试这一系统的部分功能单元，促进知识的转化与拓展，加深对航空动力系统结构及工作原理的理解。进而，有效的培养学生自主实验设计能力、实验分析能力、独立创新能力和“研学一体化”技能。综上所述，建设虚拟仿真实验教学体系意义重大，势在必行。

二、虚拟仿真实验教学体系的特色与创新

虚拟仿真实验教学体系的特色与创新主要体现在以下几点：（一）强化学生实践能力，建立了以解决工程问题为核心的创新人才培养新模式。航空动力系统虚拟仿真实验教学体系以培养基础理论扎实、动手能力强、创新能力突出的高素质专业型人才为根本，以适应国家航空航天动力、新能源等领域人才需求为目标，以遵循学科发展规律为宗旨，进行了实验内容和管理模式的改革，如图1所示。改变了传统的“一门课程、一门实验、一人管理”的非系统性实验方式，建立了新型的“基础性实验-综合性实验-研究性实验-创新性实验”的多层次化、多模块化实验教学体系，形成了适应学科特点及航空发动机特点的系统、科学、完整的课程体系。教学团队不仅通过专业基础和专业核心知识的实验讲授来提高学生工程实践技能以及发现问题、综合分析、解决问题的能力，还邀请行业内科研院所、国内大型企业、世界著名发动机企业、国内外院校的著名专家学者参与虚拟仿真线上教学活动，将最先进最前沿的科学技术进展情况和企事业科技发展需求分析引入教学，提高学生创新精神，激发学生创新创业热情。（二）以航空发动机为对象，充分利用科研资源，实验教学内容丰富。航空动力系统虚拟仿真实验教学体系结合了飞行器动力工程、能源与动力工程、自动化（动力方向）等几个专业科研和教学的需求，始终定位于“突出航空动力专业特色，强调理论实践协调发展”，突出本科生宽口径、厚基础、重实践的培养模式，让学生不受时间、不受地点地“通过仿真实验真实的认识发动机”，并将课堂教学有效的延伸，建立了“航空发动机总体及原理”、“航空发动机结构动力学”、“流体力学/气体动力学”、“航空发动机控制综合”四个相互交叉、相互支撑的虚拟仿真实验教学平台。其中包含26个实验教学模块，75个实验项目，实验教学内容丰富。（三）注重学生创新能力培养，立足实践教学研究，实现远程终端实验教学，效益显著。航空动力系统虚拟仿真实验教学团队拥有独具特色的情景式、多维度、高互动、全开放的虚拟实验室核心技术，真正构建了“虚实结合”的教学新模式。学生可根据自身兴趣特点和个性化需求，通过使用台式计算机、平板电脑、手机等实现线上学习。即学生可通过手机等无线终端登陆“教学平台”，预约实验，教学团队教师可实时观测到预约页面，通过审核学生并授权后，学生即可进入平台，进行多项实验内容，如图2。通过开放性实验和多媒体远程虚拟仿真实验项目建设，促进了学生对课堂理论知识的理解；降低了学生在真实实验过程中操作误差的风险；避免了昂贵设备装置由于操作失误而发生的故障；弥补了单一设备昂贵以至于学生无法全部参与操作的缺陷；解决了多校区运行学生实验难以开展的困局，使得实验教学更具有主动性、创新性、系统性和高效性。（四）校校、校所、校企合作关系密切，构建了“多学科交叉、分层次任务、开放共享式、本研一体化”的实验教学新模式航空动力系统虚拟仿真实验教学体系的教学项目不仅与理论教学紧密结合，而且与工程实践密不可分。一方面，该教学体系通过“内部联合”建设，鼓励学生积极参与国家“973”、国家“863”等国家级项目以及其他科研院所合作的项目，以全面培养学生的科研能力。同时，教师及时将本学科（专业）的科研成果进行转化，更新实验教学内容，并积极鼓励学生参与实验台的更新或新建，强化学生的动手能力和综合技能。另一方面，该教学体系通过“外部联合”建设，与沈阳发动机设计研究所、中国航空动力机械研究所、中国燃气涡轮研究院、沈阳黎明航空发动机公司、成都发动机公司、西安航空发动机公司等联合成立了实践教学基地，以全面提升学生的创新创业精神和实践创新能力。通过上述全方位、多形式的教学体系建设，团队已形成了适应行业技术发展，总体布局结构合理，多学科交叉，实验功能齐全的高水平、高效益、共享式的实验教学新模式。综上所述，航空动力系统虚拟仿真实验教学体系解决了实验教学中普遍存在的“想做做不成”、“能做不愿做”、“只看不能做”等教学难题，有效的调动了学生学习的积极性，提升了实验教学的质量，探索出了一条适用于航空动力系统高端精英人才培养的新途径。

三、航空动力系统虚拟仿真实验教学体系建设内容

如图3所示，航空动力系统虚拟仿真实验教学团队按照实验教学与课程教学一体化设计，建立了科学、合理、优化、具有航空动力特色的虚拟仿真实验教学体系，实现了课程与实验的紧密结合。并按照“基础类”、“专业类”、“科技成果转化与创新类”三个模块，建设、提升和完善各项虚拟仿真实验教学项目[6]。教学团队严格遵循航空发动机设计流程进行教学体系构建，使学生从航空发动机部件、结构、工作原理、设计方法等方面入手学习，并逐渐过渡到对航空发动机整机结构和工作原理的学习掌握，最终实现了学生对复杂物理系统从简单到复杂的各个知识点的全面掌握。截止目前，该教学体系已建设成4个虚拟仿真实验教学平台，75个虚拟仿真实验教学项目。（一）航空发动机总体及原理虚拟仿真实验教学平台。通过发动机虚拟结构实验模块、流场动态模拟模块和模拟试车实验模块的建设，可使学生对航空动力系统结构和各个部件功能、工作原理有更加清楚和全面的认识。同时，学生可通过自主操作虚拟试车台，手动调节参数，模拟发动机试车状态等途径进行学习。（二）航空发动机结构动力学虚拟仿真实验平台。该平台包含三个基本模块：发动机结构动力学设计虚实结合的实验教学模块、发动机振动控制虚实结合实验教学模块和发动机故障诊断虚实结合实验教学模块，为“航空发动机结构动力学与振动”课程提供实验支撑。同时，基于网络的发动机结构动力学虚拟实验系统可以让学生快速组合动力学实验的多种支承结构、阻尼器形式、盘轴关系、质量分布等，构成不同的发动机结构，将耗时长、投入大、危险高的实验，可以灵活的组合在虚拟状态下安全的进行。（三）流体力学/气体动力学远程虚拟仿真实验教学平台。综合航空发动机流体力学/气体动力学教学实验和团队科研实验资源，通过虚实结合的半实物仿真技术，为飞行器动力工程专业学生提供远程教学实验服务，同时提供远程科研观摩实验服务，大大的拓展了现有硬件教学实验设计和科研实验的使用率和利用率，解决了发动机流体力学/气体动力学设备少、实验准备耗时长、实验安全风险高的限制。该平台包含6个实验模块：孔口管嘴实验模块、文丘里流量计实验、雷诺实验、拉伐尔喷管中气体流动特性实验模块、伯努利方程实验模块、二元拉伐尔喷管激波系纹影观测实验模块。（四）航空发动机控制综合虚拟仿真实验教学平台。通过开展航空发动机控制系统仿真课程教学方法的探索与改革，航空动力系统虚拟仿真教学体系建设团队，根据航空发动机控制专业特点，结合某型发动机控制需求，开发了发动机液压控制半物理虚拟仿真实验平台、航空燃油泵（柱塞泵、离心泵、齿轮泵）虚拟实验项目，通过建立一套高集成度的虚拟仿真实验教学软件，使学生能将课堂教学中的各种仿真方法方便快捷的开展仿真实验研究，在提高实验效率的同时充分激发了学生做实验的积极性，培养和锻炼了学生的综合能力。

四、航空动力系统虚拟仿真实验教学体系教学水平和成果

虚拟仿真实验教学体系含有4个实验教学平台，68门实验课程，面向全校所有专业及航空动力相关企事业单位开放，年均直接受益人时数近10800（人•小时）。近五年来直接从科研成果转化而来的实验设备20余套，所开发的实验教学项目30余项。教师团队指导学生参加大创项目80余项，参与人数300余人。指导学生共获批实用新型专利6项，发表学术论文四十余篇。学生获得国家一等奖8项，二等奖13项，三等奖35项。依托航空动力系统虚拟仿真实验教学体系，教学团队构建航空动力系统虚拟仿真中心。2016年中心获评为“陕西省虚拟仿真实验教学中心”[6]。2017年，航空动力系统虚拟仿真实验教学体系获评“西北工业大学教学成果一等奖”[7]。

参考文献：

[1]中国共产党第十八届中央委员会第五次全体会议重要讲话[Z].2015，10.

[2]：优先发展教育事业[Z].2017.[3]考察北京市八一学校重要讲话[Z].2016，9.

[4]中华人民共和国教育部．教育信息化十年发展规划（2011-2020年）（教技[2012]5号）[Z].2012，3.

[5]国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室．国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[Z].2010．

[6]中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].（2012-10-01），[2014-12-19].

[7]西北工业大学.关于公布2016-2017学年校级优秀教学成果奖获奖项目的通知（校教字〔2017〕267号）[Z].2017，9.

作者:郭雅楠 王掩刚 牟 蕾 闫 伟 单位:西北工业大学