虚拟仿真实验在航空燃气涡轮发动机教学中的实践与应用

来源:用户上传      作者:郭霄　刘雨　李勇　张翔

　　摘要：对航空类课程而言，大部分高校不能满足该类课程课堂教学对实验条件和成本的要求。文章以航空燃气涡轮发动机为例，探讨虚拟仿真实验在该课程中应用的可行性，并以典型案例说明虚拟仿真实验在推进课堂教学改革方面的优越性。
　　关键词：虚拟仿真实验;航空类课程;教学改革;OBE理念
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0386-02
　　 为改善高校航空航天类课堂教学条件、改革课堂教学方法、更新课堂教学内容、提高课堂教学水平，把线上虚拟仿真实验引入航空航天类课堂教学是一种新的探索。虚拟仿真实验的加入突破了原有课程教学的界限，将理论教学与实验教学相结合，提出有代表性的、启发性的问题，加深学生对理论教学中重点、难点问题的理解，激发创新思维与兴趣。虚拟仿真实验的课堂教学应用可以为学生的深度学习创造良好的条件，更有利于培养学生的实际应用能力和综合素质[1]。
　　一、航空燃气涡轮发动机课程简介
　　航空燃气涡轮发动机课程是郑州航空工业管理学院航空工程学院结合学校自身建设特色、学生毕业就业工作实际流向以及基于OBE理念下“新工科”专业建设，为飞行器设计与工程、飞行器质量与可靠性专业开设的专业选修课。航空燃气涡轮发动机该门课程在我校制定的培养方案中，课程定位在航空燃气涡轮发动机设计类专业，例如飞行器动力工程专业的专业课程与航空概论课程之间的一个中间层次，其内容与体系都有自己的特点。该门课程涉猎内容广泛，其课程内容涉及飞行器动力工程专业—航空发动机方向的多门核心专业基础课程。这些课程在飞行器动力工程专业的培养方案中既是专业基础课程，也是核心课程。而航空燃气涡轮发动机则是糅合了这两门课程中的核心内容，既涉及航空燃气涡轮发动机的组合和结构特征，又涉及航空发动机的工作特性与原理。课程涉及内容丰富，涵盖知识面广，牵涉学科众多[2]。虽然在课程定位上为专业选修课，但因为其课程自身所具有的特点，该课程的难度已经具备了专业必修课的定位。以我校已有的该门课程的教学经验来看，该门课程除了对任课教师提出了较高的要求以外，对于课程教学方法和课堂教学设计也提出了较高的要求。对于飞行器设计专业、飞行器质量可靠性專业的学生而言，在缺乏实物观摩的情况下，仅借助传统的多媒体手段，如图片、动画、视频等形式，对于学生正确认知和理解航空发动机各个部件的结构组成和工作原理是极其困难的。为了提升课堂教学效果，提高学生的学习效果，满足我校基于OBE理念下新的教学大纲对于学生能力的培养，因此我校在教学中引入虚拟仿真实验。
　　二、虚拟仿真实验介绍
　　自20世纪90年代以来，虚拟现实技术一直是信息领域研究、开发和应用的热点方向之一，它在航空航天、交互式GIS、数字地球、信息可视化和游戏娱乐等领域得到广泛的应用。为改善航空航天类课程实验教学条件、改革实验教学方法、更新实验教学内容、提高实验教学水平，把虚拟仿真技术引入航空航天类课程教学已成为一种趋势[3]。虚拟仿真实验为学生独立自主地进行学习与实践创造良好的条件，更有利于培养学生的实际应用能力和综合素质。在课堂教学中引入虚拟仿真实验具有以下优势[4，5]：（1）打破时间与空间的限制，只要有计算机就可以随时随地进行实验，而不局限于实验室，使用者可以按照个人爱好、兴趣等自主进行实验;（2）提高设计的直观性和真实性，可以更形象地获取知识，激发学习热情;（3）不消耗器材，实验用的元器件和仪器仪表齐全，可以重复操作，降低实验和设计成本;（4）实验速度快，容易开展设计性和综合性实验，有利于培养使用者的创新意识和创新能力;（5）所用实验技术先进，一般虚拟仿真实验都会选取现在主流或者领先的实验技术进行虚拟仿真，因此可在课堂上拓展学生的视野和知识面;（6）实验非常安全，可以任意进行探索性操作。
　　三、典型应用
　　在航空燃气涡轮发动机实际教学中，根据实际教学需要，以及参考教学大纲中对于本课程教学重难点的安排，我校在实验空间—国家虚拟仿真实验教学项目共享平台中对众多的实验进行了挑选，选择了能源动力类中的超声速喷管压力测量及纹影观测实验。该实验对应于航空燃气涡轮发动机课程中的排气系统部分中超声速喷管工作状态这一知识点的教学。以往在该知识点教学中，由于面向的学生并没有学习过气体动力学这一飞行器动力工程专业的专业基础课，只能采用强制记忆的方式进行理解。但是超声速喷管的工作状态多，不同状态之间流场现象差异大，决定状态的主要参数变化剧烈，这种教学方式不仅不利于课堂上对学生进行讲述，也不利于学生对超声速喷管多种变化规律建立直观的印象与理解。超声速喷管压力测量及纹影观测实验针对二元超声速喷管不同工况下的典型流动特征，开展纹影观测实验。通过这种观测型实验，一方面可以在课堂教学中向学生普及光学测量技术在航空测量领域的应用，熟悉纹影仪这种比较先进的光学测量仪器的基本结构和工作原理，另一方面可以熟悉典型工况下超声速收扩喷管管道内流动特征，对收扩喷管的激波结构与形态建立直观的感知。在超声速喷管工作状态的课堂教学中，引入该虚拟仿真实验后，与之前的教学形式相比，教学效果又显著提升，主要体现在以下方面。
　　第一，实现了理论教学与实验教学的相互融合。在以往的教学中，教学与实验是相互隔离的，这主要是因为对于传统实验教学而言，需要的硬件条件比较苛刻，例如专用的实验设备、实验场地等，除了一些简单的演示性实验，大多数的实验无法在课堂教学中现场演绎。而在进行实验教学时，仍需要对学生的理论知识进行复习教学。虚拟仿真实验的出现，打破了这种隔离。在理论教学时，亦可同步进行实验教学，使得学生可以在理论学习的基础上，实践动手能力也能得到提高。虚拟仿真实验教学提升实践与理论的融合度，进而满足“OBE”教学理念下对于学生能力的培养的需求。 　　第二，虚拟仿真实验是对多媒体教学形式的有效补充。在如今的大学课堂中，使用课件进行教学已经成为教学的主流方式，在课件中，教师可以通过使用图片、视频等多媒体形式对课堂教学进行补充。但是随着时代的发展，学生获取信息的能力越来越强，传统的图片、视频等多媒体形式已经无法满足现代教学的需要，急需全新的形式对课堂形式进行改变。虚拟仿真实验利用多媒体技术、人机交互技术、可视化技术、仿真技术、虚拟现实技术等多种技术手段，为学生构件了生动逼真的三维场景，建立了逻辑关系并实现人机交互作用。这种基于交互式的教学情景应用，打破了传统课件多媒体教学单一方向传授的格局，实现了教学的双向沟通与交流。
　　第三，虚拟仿真实验的现场展示更加有利于学生对理论知识点的理解。以超声速喷管压力测量和纹影观测实验为例。在课堂上以本实验为辅助手段对学生进行超声速喷管七种工作状态的知识点教学时，可以通过实验中的操作改变喷管出口背压，直接向学生呈现超声速喷管内部的流动状态以及气流流过激波前后的变化;学生可以通过实验中实时变化的流场对超声速喷管的七种工作状态建立直观的印象，并与课本上的文字描述进行对应，加深了学生对决定超声速喷管七种工作状态的压力变化条件的认知与理解。
　　最后，虚拟仿真实验在课堂教学中的应用，有助于学生紧跟学科发展前沿，了解先进实验设备的原理，进而拓宽学生的知识面和视野。以超声速喷管的压力测量与纹影观测实验为例，在目前的流体力学实验当中，流动显示技术是较为热门的实验手段之一，而纹影显示技术又是流动显示技术中较为先进的手段。借助虚拟仿真实验，学生可以直接动手操作昂贵的纹影仪，进而加深对纹影仪的光学显示原理的理解。
　　四、结语
　　将虚拟仿真技术引入航空渦轮发动机课程教学中，弥补了传统教学形式的不足，不但丰富了课堂教学内容，而且使学生变被动学习为主动学习，提高了学生分析问题的能力、设计电路的能力和电子产品的设计效率。随着虚拟仿真技术的不断发展，也会不断推进实验室的发展和实验教学改革。
　　参考文献：
　　[1]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（05）：214-219.
　　[2]邓明.航空燃气涡轮发动机原理与构造[M].北京，国防工业出版社，2008.
　　[3]赵宁，杜劭峰，赵文军，等.虚拟现实仿真技术研究与应用[J].新技术新工艺，2018，368（08）：72-76.
　　[4]张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，（12）：101-104.
　　[5]李小波，董芳芬，宋文芳，等.虚拟现实技术在放疗技术教学中的应用[J].中华放射肿瘤学杂志，2018，27（12）：1093-1096.
　　Practice and Application of Virtual Simulation Experiment in the Teaching of Aviation Gas Turbine Engine
　　GUO Xiaoa，LIU Yub，LI Yonga，ZHANG Xianga
　　（a.School of Aeronautical Engineer;b.School of International Education，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou， Henan 450046，China）
　　Abstract：However，it was difficult to meet the experimental conditions and cost requirements of offline teaching in the aviation courses.A typical case is introduced to explain the superiority of virtual simulation experiment in promoting classroom teaching reform.
　　Key words：virtual simulation experiment;aviation courses;teaching reform;OBE
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15198303.htm