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摘要：航空動力系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行過程常處于高溫、高壓、高危環(huán)境，因此給實驗教學(xué)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(yè)特色，強(qiáng)調(diào)理論實踐協(xié)調(diào)發(fā)展，虛擬現(xiàn)實相輔相成”，利用虛擬現(xiàn)實、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體等技術(shù)構(gòu)建了適應(yīng)學(xué)科特點(diǎn)的實驗教學(xué)體系。實踐表明，該體系能使學(xué)生不受時間、不受地點(diǎn)通過仿真實驗真實的認(rèn)識航空動力系統(tǒng)，強(qiáng)化相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神，有效的提高了學(xué)生的工程素養(yǎng)，取得了一系列教學(xué)成果。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；虛擬仿真；教學(xué)體系；航空動力系統(tǒng)

一、航空動力系統(tǒng)實驗教學(xué)面臨的困境及虛擬仿真實

驗教學(xué)體系建設(shè)的必要性黨的十八屆五中全會提出：創(chuàng)新的事業(yè)呼喚創(chuàng)新的人才，培育創(chuàng)新人才是人才培養(yǎng)的首要任務(wù)[1]。建設(shè)教育強(qiáng)國是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程，必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，加快教育現(xiàn)代化，辦好人民滿意的教育[2]。實踐教學(xué)是高素質(zhì)工程科技人才培養(yǎng)過程中的重要組成環(huán)節(jié)，是激發(fā)學(xué)生探索未知、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新精神的必要途徑。航空動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行過程中對電源、液源、氣源等要求嚴(yán)格。以常見的某型軍用發(fā)動機(jī)為例，其壓氣機(jī)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(dá)到500m/s，部件或整機(jī)實驗過程中峰值噪聲達(dá)150dB噪音，實驗過程常處于高溫、高壓、高危環(huán)境，運(yùn)行環(huán)境之危險，實驗過程之困難可見一斑。鑒于實驗現(xiàn)狀和安全性考慮，學(xué)生只能通過觀看演示性實驗進(jìn)行學(xué)習(xí)，實際動手參與程度低。自主設(shè)計、創(chuàng)新型實驗教學(xué)活動難以開展，未能切實貫徹提出的“著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力”這一人才培養(yǎng)要求[3]?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)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(xué)體系的構(gòu)建，不但可以實現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計實驗流程、修改實驗參數(shù)、進(jìn)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(jié)合，使學(xué)生在“虛”中了解并掌握復(fù)雜大系統(tǒng)的工作原理與測試方法，在“實”中親自動手調(diào)試這一系統(tǒng)的部分功能單元，促進(jìn)知識的轉(zhuǎn)化與拓展，加深對航空動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理的理解。進(jìn)而，有效的培養(yǎng)學(xué)生自主實驗設(shè)計能力、實驗分析能力、獨(dú)立創(chuàng)新能力和“研學(xué)一體化”技能。綜上所述，建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)體系意義重大，勢在必行。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)體系的特色與創(chuàng)新

虛擬仿真實驗教學(xué)體系的特色與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（一）強(qiáng)化學(xué)生實踐能力，建立了以解決工程問題為核心的創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式。航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系以培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實、動手能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力突出的高素質(zhì)專業(yè)型人才為根本，以適應(yīng)國家航空航天動力、新能源等領(lǐng)域人才需求為目標(biāo)，以遵循學(xué)科發(fā)展規(guī)律為宗旨，進(jìn)行了實驗內(nèi)容和管理模式的改革，如圖1所示。改變了傳統(tǒng)的“一門課程、一門實驗、一人管理”的非系統(tǒng)性實驗方式，建立了新型的“基礎(chǔ)性實驗-綜合性實驗-研究性實驗-創(chuàng)新性實驗”的多層次化、多模塊化實驗教學(xué)體系，形成了適應(yīng)學(xué)科特點(diǎn)及航空發(fā)動機(jī)特點(diǎn)的系統(tǒng)、科學(xué)、完整的課程體系。教學(xué)團(tuán)隊不僅通過專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)核心知識的實驗講授來提高學(xué)生工程實踐技能以及發(fā)現(xiàn)問題、綜合分析、解決問題的能力，還邀請行業(yè)內(nèi)科研院所、國內(nèi)大型企業(yè)、世界著名發(fā)動機(jī)企業(yè)、國內(nèi)外院校的著名專家學(xué)者參與虛擬仿真線上教學(xué)活動，將最先進(jìn)最前沿的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展情況和企事業(yè)科技發(fā)展需求分析引入教學(xué)，提高學(xué)生創(chuàng)新精神，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情。（二）以航空發(fā)動機(jī)為對象，充分利用科研資源，實驗教學(xué)內(nèi)容豐富。航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系結(jié)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(yè)科研和教學(xué)的需求，始終定位于“突出航空動力專業(yè)特色，強(qiáng)調(diào)理論實踐協(xié)調(diào)發(fā)展”，突出本科生寬口徑、厚基礎(chǔ)、重實踐的培養(yǎng)模式，讓學(xué)生不受時間、不受地點(diǎn)地“通過仿真實驗真實的認(rèn)識發(fā)動機(jī)”，并將課堂教學(xué)有效的延伸，建立了“航空發(fā)動機(jī)總體及原理”、“航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)”、“流體力學(xué)/氣體動力學(xué)”、“航空發(fā)動機(jī)控制綜合”四個相互交叉、相互支撐的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。其中包含26個實驗教學(xué)模塊，75個實驗項目，實驗教學(xué)內(nèi)容豐富。（三）注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，立足實踐教學(xué)研究，實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端實驗教學(xué)，效益顯著。航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)團(tuán)隊擁有獨(dú)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(shù)，真正構(gòu)建了“虛實結(jié)合”的教學(xué)新模式。學(xué)生可根據(jù)自身興趣特點(diǎn)和個性化需求，通過使用臺式計算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等實現(xiàn)線上學(xué)習(xí)。即學(xué)生可通過手機(jī)等無線終端登陸“教學(xué)平臺”，預(yù)約實驗，教學(xué)團(tuán)隊教師可實時觀測到預(yù)約頁面，通過審核學(xué)生并授權(quán)后，學(xué)生即可進(jìn)入平臺，進(jìn)行多項實驗內(nèi)容，如圖2。通過開放性實驗和多媒體遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗項目建設(shè)，促進(jìn)了學(xué)生對課堂理論知識的理解；降低了學(xué)生在真實實驗過程中操作誤差的風(fēng)險；避免了昂貴設(shè)備裝置由于操作失誤而發(fā)生的故障；彌補(bǔ)了單一設(shè)備昂貴以至于學(xué)生無法全部參與操作的缺陷；解決了多校區(qū)運(yùn)行學(xué)生實驗難以開展的困局，使得實驗教學(xué)更具有主動性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性和高效性。（四）校校、校所、校企合作關(guān)系密切，構(gòu)建了“多學(xué)科交叉、分層次任務(wù)、開放共享式、本研一體化”的實驗教學(xué)新模式航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系的教學(xué)項目不僅與理論教學(xué)緊密結(jié)合，而且與工程實踐密不可分。一方面，該教學(xué)體系通過“內(nèi)部聯(lián)合”建設(shè)，鼓勵學(xué)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(yǎng)學(xué)生的科研能力。同時，教師及時將本學(xué)科（專業(yè)）的科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，更新實驗教學(xué)內(nèi)容，并積極鼓勵學(xué)生參與實驗臺的更新或新建，強(qiáng)化學(xué)生的動手能力和綜合技能。另一方面，該教學(xué)體系通過“外部聯(lián)合”建設(shè)，與沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所、中國航空動力機(jī)械研究所、中國燃?xì)鉁u輪研究院、沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)公司、成都發(fā)動機(jī)公司、西安航空發(fā)動機(jī)公司等聯(lián)合成立了實踐教學(xué)基地，以全面提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和實踐創(chuàng)新能力。通過上述全方位、多形式的教學(xué)體系建設(shè)，團(tuán)隊已形成了適應(yīng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展，總體布局結(jié)構(gòu)合理，多學(xué)科交叉，實驗功能齊全的高水平、高效益、共享式的實驗教學(xué)新模式。綜上所述，航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系解決了實驗教學(xué)中普遍存在的“想做做不成”、“能做不愿做”、“只看不能做”等教學(xué)難題，有效的調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升了實驗教學(xué)的質(zhì)量，探索出了一條適用于航空動力系統(tǒng)高端精英人才培養(yǎng)的新途徑。

三、航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)內(nèi)容

如圖3所示，航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)團(tuán)隊按照實驗教學(xué)與課程教學(xué)一體化設(shè)計，建立了科學(xué)、合理、優(yōu)化、具有航空動力特色的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，實現(xiàn)了課程與實驗的緊密結(jié)合。并按照“基礎(chǔ)類”、“專業(yè)類”、“科技成果轉(zhuǎn)化與創(chuàng)新類”三個模塊，建設(shè)、提升和完善各項虛擬仿真實驗教學(xué)項目[6]。教學(xué)團(tuán)隊嚴(yán)格遵循航空發(fā)動機(jī)設(shè)計流程進(jìn)行教學(xué)體系構(gòu)建，使學(xué)生從航空發(fā)動機(jī)部件、結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計方法等方面入手學(xué)習(xí)，并逐漸過渡到對航空發(fā)動機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的學(xué)習(xí)掌握，最終實現(xiàn)了學(xué)生對復(fù)雜物理系統(tǒng)從簡單到復(fù)雜的各個知識點(diǎn)的全面掌握。截止目前，該教學(xué)體系已建設(shè)成4個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，75個虛擬仿真實驗教學(xué)項目。（一）航空發(fā)動機(jī)總體及原理虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。通過發(fā)動機(jī)虛擬結(jié)構(gòu)實驗?zāi)K、流場動態(tài)模擬模塊和模擬試車實驗?zāi)K的建設(shè)，可使學(xué)生對航空動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個部件功能、工作原理有更加清楚和全面的認(rèn)識。同時，學(xué)生可通過自主操作虛擬試車臺，手動調(diào)節(jié)參數(shù)，模擬發(fā)動機(jī)試車狀態(tài)等途徑進(jìn)行學(xué)習(xí)。（二）航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)虛擬仿真實驗平臺。該平臺包含三個基本模塊：發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模塊、發(fā)動機(jī)振動控制虛實結(jié)合實驗教學(xué)模塊和發(fā)動機(jī)故障診斷虛實結(jié)合實驗教學(xué)模塊，為“航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)與振動”課程提供實驗支撐。同時，基于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)可以讓學(xué)生快速組合動力學(xué)實驗的多種支承結(jié)構(gòu)、阻尼器形式、盤軸關(guān)系、質(zhì)量分布等，構(gòu)成不同的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，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(tài)下安全的進(jìn)行。（三）流體力學(xué)/氣體動力學(xué)遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。綜合航空發(fā)動機(jī)流體力學(xué)/氣體動力學(xué)教學(xué)實驗和團(tuán)隊科研實驗資源，通過虛實結(jié)合的半實物仿真技術(shù)，為飛行器動力工程專業(yè)學(xué)生提供遠(yuǎn)程教學(xué)實驗服務(wù)，同時提供遠(yuǎn)程科研觀摩實驗服務(wù)，大大的拓展了現(xiàn)有硬件教學(xué)實驗設(shè)計和科研實驗的使用率和利用率，解決了發(fā)動機(jī)流體力學(xué)/氣體動力學(xué)設(shè)備少、實驗準(zhǔn)備耗時長、實驗安全風(fēng)險高的限制。該平臺包含6個實驗?zāi)K：孔口管嘴實驗?zāi)K、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?zāi)K、伯努利方程實驗?zāi)K、二元拉伐爾噴管激波系紋影觀測實驗?zāi)K。（四）航空發(fā)動機(jī)控制綜合虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。通過開展航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)方法的探索與改革，航空動力系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)體系建設(shè)團(tuán)隊，根據(jù)航空發(fā)動機(jī)控制專業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合某型發(fā)動機(jī)控制需求，開發(fā)了發(fā)動機(jī)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(xué)軟件，使學(xué)生能將課堂教學(xué)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(fā)了學(xué)生做實驗的積極性，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的綜合能力。

四、航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系教學(xué)水平和成果

虛擬仿真實驗教學(xué)體系含有4個實驗教學(xué)平臺，68門實驗課程，面向全校所有專業(yè)及航空動力相關(guān)企事業(yè)單位開放，年均直接受益人時數(shù)近10800（人•小時）。近五年來直接從科研成果轉(zhuǎn)化而來的實驗設(shè)備20余套，所開發(fā)的實驗教學(xué)項目30余項。教師團(tuán)隊指導(dǎo)學(xué)生參加大創(chuàng)項目80余項，參與人數(shù)300余人。指導(dǎo)學(xué)生共獲批實用新型專利6項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文四十余篇。學(xué)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(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系，教學(xué)團(tuán)隊構(gòu)建航空動力系統(tǒng)虛擬仿真中心。2016年中心獲評為“陜西省虛擬仿真實驗教學(xué)中心”[6]。2017年，航空動力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)體系獲評“西北工業(yè)大學(xué)教學(xué)成果一等獎”[7]。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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

[7]西北工業(yè)大學(xué).關(guān)于公布2016-2017學(xué)年校級優(yōu)秀教學(xué)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(yè)大學(xué)