《航空發(fā)動機結構分析》四維一體教學模式探索

鄭龍席　賈勝錫　李勍　馬躍陽

摘? 要：《航空發(fā)動機結構分析》是飛行器動力工程本科生專業(yè)必修課程。該門課程幫助學生從宏觀上認識航空發(fā)動機，掌握航空發(fā)動機結構設計的基本原則和結構分析的基本方法，對學生專業(yè)知識素養(yǎng)的建立至關重要。針對現(xiàn)有教學中存在的課程內容繁雜、部分內容抽象難以理解等問題，文章提出了一種“實體模型參觀+網(wǎng)絡課堂+傳統(tǒng)課堂講授+教材”的四維一體、相互滲透的教學模式，并進行了初步探索，旨在為學生提供隨時、隨地、多種形式的學習方式，使他們更快更好地掌握航空發(fā)動機結構的相關知識。

關鍵詞：航空發(fā)動機;結構分析;四維一體;教學模式

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）19-0100-03

Abstract： "Aero Engine Structure Analysis" is a compulsory course for undergraduate students in aircraft power engineering. This course helps students understand the aeroengine from a macroscopic level， masters the basic principles of aeroengine structural design and the basic methods of structural analysis， and is crucial to the establishment of students' professional knowledge. Aiming at the problems of the existing course content and the difficulty in understanding some of the content， the article proposes a four-dimensional and interpenetrating teaching mode of "physical model visit + network classroom + traditional classroom teaching + teaching materials". The initial exploration aims to provide students with any form of learning at any time， anywhere， and in various forms， so that they can quickly and better master the knowledge of the structure of the aero engine.

Keywords： aero-engine; structural analysis; four-dimensional integration; teaching mode

一、背景

《航空發(fā)動機結構分析》是傳統(tǒng)航空院校飛行器動力工程本科專業(yè)的必修課程。該課程系統(tǒng)、全面地介紹航空發(fā)動機結構的基本知識，分析航空發(fā)動機結構設計的原則、需要解決的矛盾，并結合國內、外現(xiàn)役與在研的軍、民用航空發(fā)動機針對典型結構進行細致講解。通過該門課程的學習，使學生能夠從宏觀上掌握航空發(fā)動機這一復雜研究對象。因此，該門課程是飛行器動力工程專業(yè)至關重要的一門專業(yè)課。

然而，在實際教學過程中，鑒于以下幾方面原因，導致學生不能很好地掌握航空發(fā)動機結構知識，學習積極性不高：

1. 課程內容繁雜。該門課程包括對壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、排氣裝置、總體結構和附件等航空發(fā)動機主要零部件的功用分析，以及對許多典型方案進行分析，內容繁多復雜，學時有限，學生不容易把握內容整體的條理性。

2. 課程內容抽象。該門課程涉及到的理論知識與實際脫節(jié)，學生在缺乏對航空發(fā)動機實際研發(fā)、制造、裝配和檢測過程直觀感受的情況下，很難借助教材中抽象的二維圖來理解典型結構的具體特征，教材中個別圖像甚至不清晰。

鑒于以上原因，在現(xiàn)有教材和以課程講解為主的教學模式下，導致學生對個別知識點的掌握往往似是而非。隨著計算機網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學模式逐漸向著多媒體融合方向發(fā)展[1]，航空發(fā)動機結構的教學工作也在不斷進行探索，如現(xiàn)場教學[2]、加強三維設計[3]、多媒體教學[4]、混合教學[5]、團隊式教學[6]等。為了改變現(xiàn)有教學過程中存在的問題，提升該門課程的教學效果，西北工業(yè)大學“航空發(fā)動機結構與強度”教學團隊結合國內最新的教學改革成果與教學理念提出了“四維一體”教學模式，并進行了初步探索，本文介紹了這種教學模式改革的理念與探索結果。

二、教學改革思路

“四維一體”教學模式的理念是最大程度利用計算機和多媒體技術改善傳統(tǒng)教學模式，以達到豐富教學內容、提高教學質量的目的。其核心是建立該課程三維虛擬教學模型，針對學生難以理解的結構部件，建立其三維虛擬模型，并制作教學視頻動畫，同時將虛擬模型通過3D打印制作成實體模型。實體模型可放在專門的陳列室供學生課余參觀;教學視頻動畫可作為素材建立網(wǎng)絡課堂;在傳統(tǒng)的課程教學中，所建立的虛擬模型和視頻動畫可作為補充材料豐富課程教學的內容與手段;最后是在已有教學素材的成果上更新現(xiàn)有教材，具體做法是將建立的虛擬模型加入已有教材中，更換教材中原有的二維圖/不清晰的草圖等，并借助二維碼技術將教學視頻動畫連接到對應的部件結構處。如此一來，形成了“實體模型參觀+網(wǎng)絡課堂+傳統(tǒng)課堂講授+教材”四個維度的教學方式，見圖1。四種方式相互滲透，共同作用，讓學生更快更好地掌握航空發(fā)動機結構分析相關知識。

三、教學改革內容

（一）實體模型

教學團隊前期對《航空發(fā)動機結構分析》教材中知識點進行匯總和分析，整理出需要借助三維虛擬模型來完善和補充知識點，通過三維造型軟件（Autocad以及Solidworks）繪制出部分零部件的三維結構，最后用3D打印機將其打印成實體模型。圖2所示為3D打印機正在打印壓氣機盤模型。圖3所示為折流燃燒室的教材配圖以及對應的三維虛擬模型和實體模型。教材配圖為手工繪制的截面圖，截取的是燃燒室中間剖面部分，且僅有上半部分。該部分知識點要求借助該圖講解折流燃燒室的零/部件組成、工作過程和氣流流動過程。教師在授課時，往往需要通過很多講解才能讓學生掌握這一知識點。如果講解不是很細致，學生根本無法了解折流式燃燒室的具體結構和進氣、點火過程。制作了三維實體模型后，該燃燒室的結構一目了然，教師在講解這一知識點時，可以同時向學生展示實體模型，也可以將實體模型放置在專門的陳列室，供學生參觀。

（二）網(wǎng)絡課堂

在建立三維虛擬模型的基礎上，根據(jù)工作原理和工作過程，將相關結構的零部件運動過程、氣流流動過程做成動畫，再配上相應的解說詞，制作成教學視頻。以教學視頻為主要素材，再補充《航空發(fā)動機結構分析》課程相關的教學PPT、教學大綱、習題庫等資料，構建教學網(wǎng)絡資源平臺，形成網(wǎng)絡課堂。網(wǎng)絡課程使學生更容易地獲取大量學習信息，配合課堂講解，可供學生課余參考，也可以自學，從而使學生的學習效果更佳。網(wǎng)絡課堂也提供了一個交流平臺，教師可以在網(wǎng)絡課堂上布置作業(yè)、進行學習輔導答疑，使學生和教師充分互動。

（三）課堂教學

原有的課程教學是教師根據(jù)課本內容制作教學PPT，然后借助教學PPT逐一講解知識點。遇到理解起來比較困難的知識點，傳統(tǒng)的課堂教學方式就很難進行下去。加之該門課程知識點繁多，課時不斷在壓縮，有限的學時里教師講授的知識點越來越密集，學生一時難以接受大量知識點，導致對很多結構的理解往往流于表面。改革后的課堂教學將融入大量的教學視頻，簡單的知識點學生看一遍視頻就可以理解，不再需要教師講解;復雜的知識點可以教師先講授，再給學生看教學視頻，加深理解。圖4所示為壓氣機鼓盤裝配過程教學視頻截圖。教師在講解的同時，可以展示實體模型。通過實體模型和三維虛擬模型的融入，使得傳統(tǒng)課堂教學內容更加豐富，趣味性更強。

（四）教材

在教材方面，結合以上研究成果對舊教材進行更新。首先用新的三維虛擬模型圖替換掉原有教材中比較抽象或者不清晰的二維圖，例如圖3（a）中折流燃燒室的剖面草圖。然后，對應的知識點處附上二維圖，掃描二維碼自動連接到該結構的教學視頻上。最后，就是要對教材結構進行重新編排，原有的《航空發(fā)動機結構分析》教材是以橫向展開為主，缺乏能夠串聯(lián)起整個知識點的線索，導致結構松散。新編教材應該以某款比較成熟的發(fā)動機結構為主線展開，在壓氣機、渦輪、燃燒室等關鍵部件的章節(jié)，先講授該發(fā)動機的結構，再對該發(fā)動機未采用但同樣典型的其余結構橫向展開。如此一來，教材更好理解，結合網(wǎng)絡課堂和實體模型參觀，學生完全可以自學。

四、結束語

“四維一體”教學模式改革旨在為學生提供隨時、隨地、多種形式的學習方式，使得學生可以通過課堂、教材、實體模型、網(wǎng)絡課堂開展《航空發(fā)動機結構分析》課程學習，而不是拘泥于傳統(tǒng)的課堂學習，大大擴展學生的學習時間和學習空間，將原本較為復雜繁多的課程知識點分散到平時的零散學習中，讓學生更加輕松地學習，更加從容應對考試，更快掌握航空發(fā)動機結構的相關知識。

參考文獻：

[1]黃惠春，胡仁杰.“數(shù)字系統(tǒng)課程設計”精品課程建設[J].實驗室研究與探索，2011（30）：143-145.

[2]徐穎.航空發(fā)動機結構與強度課程設計教學改革的探索和思考[J].教育教學論壇，2015（18）：79-80.

[3]孫志剛，宋迎東.“航空發(fā)動機構造”現(xiàn)場教學改革與實踐初探[J].工業(yè)和信息化教育，2016（4）：86-89.

[4]徐穎.小議《航空發(fā)動機強度計算》的多媒體教學[J].教育教學論壇，2016（16）：257-258.

[5]王正鶴，魏振偉，趙輝，等.基于混合教學理念的《航空發(fā)動機原理》教學模式探索[J].高教學刊，2017（18）：94-96.

[6]符江鋒，緱林峰，李華聰，等.航空發(fā)動機控制課程團隊式教學模式的改革與探索[J].高教學刊，2018（17）：130-132.