GE-nx发动机虚拟仿真教学资源建设与实践
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作者:刘岱 樊智勇 张文林
摘要：针对飞机发动机类课程的实践教学资源现状，如教学设备、场地、人员、安全等问题受限较多、教学资源不足等，文章基于“以学生为中心”的主导思想，设计并建设基于虚拟仿真技术的实践教学资源，丰富教学资源，增加教学手段。同时，以电子信息工程专业飞机发动机及控制课程为例，通过虚拟仿真技术研究并建设教学资源库。开发课程教学案例以及应用平台。
关键词：教学资源;虚拟仿真;发动机控制
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）40-0140-02
一、引言
高校数字化教学资源是信息化背景下高等教育教学资源的一种新形式，加快了高等教育从规模扩张向提升质量的转变。教学实践表明，数字化教学资源的有效利用，对于提高学生的学习能力、培养问题意识、塑造人文精神具有重要意义，可以激发学生学习兴趣，是培养学生自主学习能力和创新能力的有效途径[1]。我校是一所培养航空专业人才的高等学府，对专业课的教学资源建设极为重视。本文以电子信息工程专业课飞机发动机及控制课程为例，引用虚拟仿真技术，建设飞机发动机及控制课程数字化教学资源，深入研究课程教学资源的建设形式和方法。
二、飞机发动机及控制课程数字化教学资源情况
数字化教学资源是指经过数字化处理，可以在计算机和网络环境中进行数字处理与运行的多媒体教学资料。与传统教学资源相比，数字化教学资源更加丰富多彩，而且，教学资源环境的网络化实现知识的共享和传输。教学资源建设开源化，除了教师外，学生还可将自己的资源添加到数字资源库中[3]。通过虚拟仿真技术开发的教学资源，是数字化教学资源的一种，是教学内容和教学方法数字化的产物，对教学媒体物理特征的研究转移到从学生角度出发对教学资源的研究，以实现包括媒体在内的所有教学资源的使用与使用目标的紧密结合。
飞机发动机及控制课程主要是培养本科生对民用飞机发动机的认知和操作控制，为机务维修工作打下基础。在理论教学方面，由于商用运输飞机发动机的种类具有多样性，进行知识点设置时，主要是按照我国现役典型飞机的发动机进行介绍。随着新型飞机和发动机技术的不断更新，如波音787和空客380使用的GE-nx与Trent1000等新型高涵道比涡扇发动机，是目前民航飞机运用的主流发动机。实践教学方面，由于条件所限，比重较小，若提供一台在工作状态下的真实发动机作为实践课程内容，除了人员及设备安全问题外，实验成本极高。因此，实践教学中，场地、设备、成本等都是受限制因素，教学资源不足是本课程实践教学的难点。
借助虚拟仿真技术，将其应用于课程实践教学中，不仅避免了上述问题，还扩展了教学资源，增加了教学手段。它不仅可以演示发动机结构和工作原理，還可以演示发动机工作时人所看不到的各种工作状态以及故障状态。这种教学方法是遵循“以学生为中心”的主导思想，使学生不再是被动地听和看，单向接受教师传授的教学内容，而是以事件主角的形式参与，达到学习的目的。
三、GE-nx发动机的数字化教学资源建设
依据飞机发动机及控制课程教学大纲要求，对课程进行知识点的梳理，完善课程知识结构体系，建设该课程中的GE-nx发动机教学资源。
1.构建GE-nx发动机课程教学资源库。根据课程大纲设计关于GE-nx发动机的课程内容，将需要使用虚拟仿真技术的内容提取出来，分成两部分：发动机工作原理演示部分和发动机附件工作状态演示部分。先从AMM手册、GE-nx发动机数字化手册等资料中获取发动机原始数据模型，接着根据发动机的部件、系统、附件分类整理，建立一整套发动机初步模型库。由于从手册中获取的模型并不都是完整的，且不能完全满足教学内容，还需要对模型进行重建，弥补缺失。然后，把精细度不高的模型进行优化处理，如减少多边形面数、重叠图形合并/删除、修改模型布线拓扑等。优化和重建的对象主要是发动机核心机和系统附件。最后，根据教学内容，将已优化的模型组合成一台完整的发动机模型，再逐一制作发动机的其他系统附件，根据教学重难点突出所用到的发动机模型，将非重点内容所用到的模型做轻量化处理。
2.构建课程教学案例资源。根据教学大纲内容，课程教学案例主要由两部分组成：教学演示和操作训练。教学演示主要针对飞机发动机核心机和系统附件做工作原理与故障状态的动态演示，通过利用优化处理好的三维模型开发动态演示视频。操作训练主要依据AMM手册和发动机手册，整理GE-nx发动机维护、拆装等流程，开发训练内容。通过虚拟仿真技术建立虚拟训练环境，学生可以在该环境中通过操作手柄完成训练任务。
3.构建教学资源演示平台。基于虚拟仿真技术开发的教学资源可应用于多种演示平台，使教学资源得到充分而灵活的应用。①台式PC机目前都是基于Windows操作系统，课堂上教师不仅借助多媒体演示，还可供学生在课余时间反复演示和进一步开发。②通过移动互联网的在线功能、推送功能、便携功能，重新定义移动学习方法。移动终端主要是基于iOS/Android系统的手机或平板电脑，一方面，学生可通过三维查看器软件随时学习发动机相关知识;另一方面，可以从教师所更新发布的教学资源复习课堂重难点。这既为学生提供了多元化的学习平台，又增加了师生的线上线下互动，破解课堂教学局限。③基于VR头盔的虚拟现实教学，以增强用户的沉浸感和交互感。将此技术应用于教学，可以有效激发学生的学习积极性。首先，准备VR虚拟现实设备，将开发好的发动机三维模型导入设备，并带领学生进入逼真的发动机工作场景。其次，通过开发VR头盔的配套手柄，既可以看到三维发动机模型，还可以通过手柄对发动机进行分解，任意转换发动机的观察视角等。借助基于VR设备的教学平台，可提供接近真实发动机的外观和操作体验的数字仿真。通过三维环境的逼真性和人机交互的方法，可将抽象而又难以理解的知识点，淋漓尽致地展现给学生。
四、教学资源建设的创新点
飞机发动机及控制课程虚拟仿真教学资源的建设，迎合了“以学生为中心”的教育理念，增加了与学生的情感互动，参与和双向反馈中注重学生的感受。通过虚拟教学环境，可以引导学生主动投入学习，充分发挥潜能。GE-nx发动机是新型高涵道比涡扇发动机，以其为主的虚拟仿真教学资源，在教学内容上紧跟发动机发展技术，在学生学习飞机发动机新技术的进度上不迟滞。
五、结语
本文的重点在于，利用虚拟仿真技术的优势实现专业课程实践教学资源建设，打破传统的教与学的模式。利用虚拟现实的沉浸性和交互性，有利于学生工程维修技能的训练。数字化教学资源种类丰富且耗损低，但对于飞机发动机这样结构复杂、系统多样的设备，须开发更有深度的大量资源。这都是需要继续攻克的难关。
参考文献：
[1]刘怀金，聂劲松，吴易雄，高校数字化教学资源建设：思路、战略与路径——基于教育信息化的视角[J].现代教育管理，2015，（9）：89-94.
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[3]刘亚丰，苏莉，吴元喜，余龙江，虚拟仿真教学资源建设原则与标准[J].实验技术与管理，2017，34（5）：8-10.
[4]蒙俊健.基于现代信息化的职业学校仿真教学应用研究及实践[J].中国职业技术教育，2018，（2）：71-74.
[5]罗昊，张晓东.虚拟仿真实验教学中心开放共享模式的探索[J].实验技术与管理，2016，33（10）：232-236.
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