《航空发动机结构分析》教学改革研究
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作者:郑龙席 贾胜锡 李勍 马跃阳
摘要：《航空发动机结构分析》是飞行器动力工程专业本科生的必修课程。针对该课程教学中存在的内容缺乏主线、教材表达不够清楚等问题，文章提出了从教学内容、教学方法、实践环节和考核环节四个方面对现有教学过程进行改革。初步实践表明，改革之后教学手段更加丰富，学生的积极性和参与感更高，显著提升了教学效果。
关键词：航空发动机;结构分析;教学改革;实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）12-0128-02
《航空发动机结构分析》这门课程以国内外典型发动机为例，系统介绍各主要部件的功能、设计要求、结构分析方法以及具体典型结构，是我校飞行器动力工程本科生的专业必修课程。学习该课程的时候，学生们会同时学习《工程热力学》《气体动力学》《航空发动机原理》等专业课程，这些课程从循环、气动、原理等方面阐述航空发动机的相关特征，而《航空发动机结构分析》从具体结构、传力、定位的角度分析航空发动机的整机特征和零部件特征，直接帮助学生们从宏观上认识航空发动机，掌握航空发动机结构设计的基本原则、结构分析的基本方法。
一、教学内容改革
《航空发动机结构分析》课程的教学内容可以分为四部分：第一部分是绪论和典型发动机，主要介绍航空发动机的发展历程、类型、设计指标和特点、典型涡喷、涡扇、涡轴、涡桨发动机的结构特征和工作过程。第二部分是压气机、涡轮、主燃烧室三大核心部件的结构分析以及总体结构相关知识。第三部分是加力燃烧室、排气装置、附件传动装置和减速器的结构分析。最后一部分是航空发动机的工作系统、数据系统和航机他用。第二部分内容是本课程的核心和重点，必须通过透彻地讲解，使学生能够领悟航空发动机的结构分析方法和设计规律。现有的教材在表现手法上均采用横向展开的方法——对某一零部件，全面介绍其不同的结构方式。这种表现手法只是对现有结构进行平铺直叙式的分析介绍，缺乏设计理念的牵引，使得学生在学习时很难把握住学习的主线。但是鉴于国内航空发动机的研制水平现状，还无法进行完整的航空发动机结构设计流程，在教学中更不可能以发动机结构设计流程为主线来进行结构分析。为了解决这一问题，有必要对现有课程体系和教学内容进行调整。
另外，随着设计理念、材料和制造等技术的发展，不断涌现出新的航空发动机结构，例如整体叶盘、整体叶环、多幅板轮盘、刷式封严、复合层板冷却等，在教学内容方面，应该将这些新的知识补充进来。
二、教学方法改革
在教学方法方面，应该充分发挥多媒体技术和3D打印技术。针对教材中学生难以理解的结构部件二维图，借助三维造型技术建立其三维虚拟模型，在授课时，可以向学生展示三维虚拟模型。另外，对于装配或工作过程比较复杂的结构，在三维虚拟模型的基础上制作教学动画，以动画的形式来反映安装、定位、传力、气流流动路线等传统二维图难以表现的内容。教材方面，所制作的三维虚拟模型可以替换原有的二维图，教学动画可以通过二维码链接到对应的知识点处。三维模型通过3D打印可以制作成三维实体模型，用于课堂演示，或在三维模型上贴上与其对应的教学动画的二维码链接，供学生参观自学。最后，以三维模型和教学动画为主要素材，再补充该课程相关的教学ppt、习题库等资料制作教学网站，供学生线上自学。
下图所示为折流燃烧室的教材配图以及对应的三维虚拟模型、实体模型和教学动画截图。教材配图为手工绘制的截面图，截取的是燃烧室中间剖面部分，且仅有上半部分。该部分知识点要求借助该图讲解折流燃烧室的零/部件组成、工作过程和气流流动过程。教师在授课时，往往需要通过很多讲解才能让学生掌握这一知识点。制作了三维实体模型后，可以一目了然地呈現该燃烧室的结构，教师在讲解这一知识点时，可以同时向学生展示实体模型，并辅助以教学动画。
三、实践环节改革
《航空发动机结构分析》课程配套有专门的教学实践环节，传统的实践教学中通常是教师指导学生对某一发动机的部件进行工程图绘制。但由于航空发动机的结构比较复杂，教学实践的时间为两星期，学生实践后期需要投入大量的时间完成手工绘图工作，这种单纯绘图过程并不利于充分利用教学实践的时间，学生对某一结构部件的理解容易流于表面，教学效果并不理想。结合3D打印技术，实践环节可以改为“设计+绘图+打印”三个过程。“设计”过程是让学生自主选择某一发动机的结构部件，理解其功能、工作过程、安装和定位等结构特征;“绘图”过程是让学生按照自己的理解，利用三维造型技术绘制该结构部件的三维模型;“打印”过程是让学生将自己绘制的三维模型用3D打印机打印成实体模型。通过“设计+绘图+打印”这样的实践环节，让学生初步感受到发动机结构从设计到加工制造的完整过程，形成了闭环的实践过程，提升了趣味性，有利于提高学生的创新能力。
四、考核环节改革
根据笔者的教学经验来看，部分学生在学习该门课程时存在浮躁心理，靠考前突击来应付考试，考前寄希望于教师画的重点，并企图多做几套历年考题能通过考试。这种做法即使能够通过考试，但并没有达到本课程的教学目的，学生对发动机这一研究对象还是没有形成系统的认识，非常不利于他们后续的学习和研究。为了杜绝这种现象，应该建立本课程专门的题库，增加每一章节对应的习题量，汇总形成题库。期末考试时，不再由教师出题，而是从题库中随机抽取若干题目作为考题。
五、结语
针对《航空发动机结构分析》这门课程教学中存在的问题，笔者结合多年教学经验和先进的教学理念、方法等，提出了从教学内容、教学方法、实践环节和考核环节四个方面对现有教学过程进行改革。目前，笔者正在进行教学内容和教学方法方面的改革实践。在教学过程中加入了更多的新结构，同时逐步将三维模型、教学动画和实体模型融入传统教学中，明显感觉到学生学习的积极性提高了，课程效果有了显著的提升。后续将继续践行这些改革的理念，让学生更加轻松地学习，更加从容地应对考试，更快地掌握航空发动机结构的相关知识。
参考文献：
[1]赵明，邓明，刘长福.航空发动机结构分析第2版[M].西北工业大学，2016.
[2]徐颖.小议《航空发动机强度计算》的多媒体教学[J].教育教学论坛，2016，（16）：257-258.
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