基于信息化的導彈發(fā)動機構造與維護CDIO教學改革實踐

曲凱 董可海 王玉峰 馮佳晨 李金飛

[摘 要]隨著計算機技術的不斷進步，信息技術已經被越來越多地應用在各個領域。針對導彈發(fā)動機構造與維護課程實踐性強、實裝數量少的問題，課程組教師開發(fā)了基于信息技術的課程教學軟件，將圖像、文字、聲音、視頻等多種信息融為一體，充分調動學員的視覺和聽覺，以加深學員對理論知識的理解，增加教學信息量，提高教學效率，這種做法取得了良好的課程教學效果。同時，這種將CDIO教學理念引入課堂教學中的做法，增強了學員的知識綜合應用能力和團隊協作能力。

[關鍵詞]信息技術;渦噴發(fā)動機;虛擬拆裝;CDIO

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）10-0068-04

隨著我國經濟和軍事實力的不斷提高，越來越多的高技術武器裝備到部隊一線。作為重要武器裝備之一的導彈，目前已經成為我國海軍的殺手锏。隨著技術的不斷進步，導彈所使用的動力裝置向遠射程、低油耗、小體積等方向不斷發(fā)展。目前，彈用渦噴/渦扇發(fā)動機作為長航程導彈的動力裝置，已經應用在多個海軍型號的導彈中。因此，掌握彈用渦噴/渦扇發(fā)動機的結構原理和工作過程，對于部隊使用維護導彈，提升保障部隊作戰(zhàn)能力至關重要。

導彈發(fā)動機構造與維護課程包含了海軍現役各種導彈動力系統(tǒng)構造與維護的基本內容，是導彈發(fā)動機專業(yè)學員崗位任職能力培養(yǎng)課程。課程屬于裝備構造教學范疇，實踐性強，特別是渦噴/渦扇發(fā)動機更具有部件多、結構復雜的特征。傳統(tǒng)的教學模式以多媒體演示為主，然后到裝備場所輔以少量的裝備構件進行講解，使用維護以現場操作、播放實際技術保障影片為主。因此，學員對發(fā)動機的內部結構、連接關系、工作過程和工作原理等知識點掌握不牢固，學習效果較差。

為解決上述問題，我們利用信息化手段開發(fā)制作了導彈發(fā)動機工作過程仿真軟件及教學演示系統(tǒng)，將圖像、聲音、視頻等多種信息融為一體，充分調動學員的視覺和聽覺，加深學員對理論知識的理解，增加教學信息量，提高教學效率，以達到事半功倍的效果。另外，針對學員知識綜合應用能力差和團隊協作能力不足的問題，我們將CDIO（Conceiving Designing Implementing Operation）教學理念[1-2]引入課堂教學中，激發(fā)了學員的學習興趣，提升了學員解決實際問題的能力。

一、彈用渦噴發(fā)動機工作工程仿真軟件開發(fā)

準確掌握彈用渦噴發(fā)動機的工作過程，對于學員從整體上評估發(fā)動機的性能，理解發(fā)動機部件結構和整體連接關系具有十分重要的意義。而發(fā)動機的工作過程以壓氣機、燃燒室、渦輪等部件特性為基礎，利用部件匹配原理建立由轉子運動方程、流量平衡方程和壓力平衡方程等組成的動態(tài)模型，然后選擇各種迭代解法進行求解。

建立準確的數學模型是發(fā)動機工作過程仿真軟件設計的關鍵所在，數學模型要能準確反映出發(fā)動機在不同工況下的供油調節(jié)規(guī)律。軟件開發(fā)設計思路為在給定工作條件（飛行高度、飛行馬赫數、發(fā)動機轉速等）下，依據發(fā)動機各個部件在共同工作時的功率平衡，空氣流量平衡對發(fā)動機壓氣機增壓比及渦輪落壓比進行迭代，并進行誤差分析，直達參數符合設計精度。然后利用迭代出來的增壓比及落壓比等參數對發(fā)動機供油量，推力等參數進行計算，模型求解過程如圖1所示（見下頁）。在軟件開發(fā)的過程中，針對傳統(tǒng)迭代方法在求解發(fā)動機工作過程方程組過程收斂性差的問題，提出用粒子群算法對原算法進行優(yōu)化改進。為解決粒子群算法局部收斂問題，引入遺傳算法的變異思想，改善了經典算法的局部收斂問題，提高了求解發(fā)動機模型的精度。

按照圖1對所建立的發(fā)動機工作方程模型進行求解，學員能夠實時得到其重要的指標參數，比如發(fā)動機轉速、推力、耗油率等，并可以通過改變模型參數，直觀地分析研究各種輸入量對彈用渦噴發(fā)動機工作過程的影響規(guī)律，便于學員學習研究。

模型算法開發(fā)編程采用FORTRAN語言實現，為了便于學員實際操作，我們開發(fā)了相應發(fā)動機工作過程仿真軟件界面，如圖2所示。該軟件使用方法簡單，只需在界面左下方的參數輸入區(qū)輸入飛行參數，包括飛行高度、飛行馬赫數和發(fā)動機轉速等參數，然后將左上方的開關點擊到開始端，軟件將開始進行模型的仿真計算。當需要改變飛行參數時，在輸入區(qū)重新輸入新的參數，并點擊藍色按鍵即可開始新的計算，計算結果會動態(tài)實時的輸出。通過使用該軟件可以有效解決在講授彈用渦噴發(fā)動機原理時，學員對發(fā)動機各種輸入技術參量認識抽象，不能理解這些參量變化對發(fā)動機整體工作性能有何影響的問題。

另外，為了更好地揭示發(fā)動機在導彈飛行中的整個工作過程及工作原理，增加直觀性，我們開發(fā)了相應展示視頻動態(tài)展示軟件。該視頻軟件可以展示：彈用渦噴發(fā)動機從點火到達到巡航狀態(tài)的整個動態(tài)工作過程，包括壓氣機、燃燒室、渦輪等分部件的工作過程，也包含燃油供應系統(tǒng)、滑油供應系統(tǒng)和附件系統(tǒng)的工作過程。

二、彈用渦噴發(fā)動機虛擬拆裝軟件開發(fā)

虛擬現實技術是指利用計算機技術生成的一個逼真的、具有三維交互功能的虛擬環(huán)境，是一種高級的交互式計算機模擬形式。從20世紀90年代起，美國率先將虛擬現實技術應用于軍事領域，主要包括：虛擬戰(zhàn)場環(huán)境、單兵模擬訓練、諸多兵種聯合演習以及指揮員訓練等[3]。迄今為止，美軍在全球已經興建了30多個大型實驗室和虛擬訓練系統(tǒng)。最為典型的是美軍在內利斯等訓練基地進行的模擬仿真演習，為海灣戰(zhàn)爭中“沙漠風暴”行動的成功打下了堅實的基礎[4]。為了使學員更加直觀地掌握彈用渦噴發(fā)動機各部件的基本構造和它們之間的連接裝配關系，可以利用虛擬現實技術設計開發(fā)彈用渦噴發(fā)動機虛擬拆裝軟件。該軟件可有效解決實裝教學中只能觀察彈用渦噴發(fā)動機外部結構，而對其內部結構不清楚的問題，也能使學員掌握發(fā)動機各組成部件之間的連接關系。

（一）三維實體模型

三維建模的目的主要是將現實中的物體在虛擬空間中展示出來，所以測量模型的各種參數是最為重要的第一步。為了有效增加模型的逼真性，必須要等比例地將物體在場景中構建出來。這就需要對物體外形的幾何參數進行準確測量。參數的測量主要包括以下3個方面內容：1.主要部位的尺寸;2.連接部位的校準;3.特征參數的測量。其中最為關鍵的是連接部位的校準，為了使模型與實際相符，校準的誤差必須要足夠小。

彈用渦噴發(fā)動機模型結構較為復雜，小部件較多，而三維建模軟件主要通過點、線、面的方式來表現模型。為了保證較少的面片數以及防止切割時導致點和線的錯位，在建模時主要采用布爾疊加的方式，即分別構建各個微小部件，再將各個小部件塌陷為一個整體。這種方式既可以一定程度上減少工作量，也可以盡可能地避免模型變形。

采用上述三維建模的原則方法，建立某彈用渦噴發(fā)動機的壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等部件的三維模型。其整體結構組裝圖如3所示，建立三維模型后可以對其分部件進行三維結構展示，便于學員掌握其內部結構。

（二）虛擬拆裝軟件開發(fā)

三維交互是指在計算機中創(chuàng)建三維模型，然后通過交互設計軟件設定程序，使用戶可以通過鼠標、鍵盤等外接設備實施人機交互的技術[5]。采用三維交互軟件開發(fā)發(fā)動機虛擬拆裝軟件，軟件界面如圖4所示。

該軟件主要用于學員進行某渦噴發(fā)動機的拆卸與裝配演示。

1.拆卸演示：以動畫的形式演示某渦噴發(fā)動機的拆卸過程，在此過程中用戶可以通過鼠標操作來調整任意一個部件的位置，可以改變觀看的角度，并可調整每一個部件的尺寸大小，這可以讓學員觀察各部件的內部細節(jié)，便于學員對發(fā)動機部件結構的認識學習，如圖5所示。

2.裝配作業(yè)：可實現并訓練操作人員的虛擬裝配，要求操作者必須認識每一個部件，掌握部件之間的連接關系，進而能夠按照正確的安裝順序將發(fā)動機的各個部件裝配到正確的位置，如圖6所示。

3.部件的三維展示：可以根據需要，將發(fā)動機中的任意一個部件取出，讓操作者進行三維觀察，掌握其結構，并附帶相應的部件原理說明文字，便于學習研究。

三、基于信息技術的CDIO課程教學實踐

利用信息化技術手段開發(fā)的軟件系統(tǒng)，可以有效地將理論計算、模型展示、結構拆裝有機結合起來，提高學員學習效率。同時也可以與現場實裝教學結合起來，激發(fā)學員學習的內動力。在整個學習過程中，要使學員的認知將書本理論知識與實物聯系起來，使學員更深刻地理解工程理論和原理，提高教學效果。這種教學模式雖然在一定程度上符合學員的認知需求，提升了課堂教學質量，但是學員對知識的系統(tǒng)掌握還是不夠牢固，團隊協作能力較差，不能滿足部隊對新型軍事人才的需求。

經過幾次教學實踐后，我們將CDIO[6-7]的課程教學理念引入到課堂教學當中，即基于項目或產品研發(fā)過程，進行構思—設計—實現—運行。這種教學理念強調“做中學”。“做中學”是杜威在批判傳統(tǒng)學校教育的基礎上，建立在實用主義思想之上的教育思想，它強調學員的本能和興趣?！皬淖鲋袑W”也就是從實踐中學、從經驗中學，使學校里習得的知識與生活過程中的活動聯系起來。杜威認為，“從做中學是比從聽中學更好的學習方法”，符合人類認識客觀事物的規(guī)律[8]。

在CDIO教學模式下，我們對導彈發(fā)動機專業(yè)2016級至2018級學員的導彈發(fā)動機構造與維護課程進行了相應的教學改革實踐。在實踐過程中重點加強對學員的知識綜合應用能力、團隊意識、合作能力等方面考核，并適度采用學員自評和學員互評以提高學員的自主意識和能力。另外，在教學條件方面，教員要為學員搭好平臺，營造出良好的教學氛圍。課程第一堂課就以自愿組合方式進行分組，每個小組4～5人，由組員選出一位小組長。小組長的選取采用公開競聘的方式進行，確保其公平、公開和公正。小組長選定后，其可以根據項目實施方案的具體要求，在征求組內每個人意見和考慮組員每個人的能力特點后，進行相應任務分工，并確定每個人的完成時限和標準要求。

下面以具體微型發(fā)動機設計為例進行簡單說明。教員首先提出任務方案，即為某型航空模型設計一款微型渦噴發(fā)動機。各小組在組長的帶領下，查閱相關國內外技術資料，確定關鍵的技術指標，并形成初步技術方案，該方案經小組充分討論修改后還必須經過項目式評審。在評審過程中，由教員和其他組學員擔任評審專家，對其方案的正確性、可行性進行評估，如果評估不合格，必須重新設計、論證和評審，評審通過后才能進行相應的具體部件的設計和加工，并對發(fā)動機進行相應的組裝拆解演示。

四、基于信息技術的CDIO課程教學效果評價

經過三年的教學改革實踐，我們對參加完CDIO教學模式的導彈發(fā)動機專業(yè)學員進行了問卷調查，廣大學員總體上對CDIO模式下的教學改革持積極的支持態(tài)度。約90%的學員認為CDIO理念可以應用于導彈發(fā)動機構造與維護課程教學，并認為CDIO課程改革模式值得推廣。可見，學員對此項導彈發(fā)動機構造與維護課程教學改革的認可度非同一般。隨著現代技術和觀念的不斷變化，軍隊院校的教員要積極轉變觀念和教學方法，適應新一代學員的學習需要。傳統(tǒng)的以教師為主導的“一言堂”教學模式已無法被學員接受，以學員為中心的、以能力培養(yǎng)為目標的教學模式更受到學員的喜愛。

通過改革實踐，約有92%的學員認為CDIO導彈發(fā)動機構造與維護教學提高了他們的綜合知識運用能力和溝通能力，約96%的學員肯定CDIO導彈發(fā)動機構造與維護課有利于培養(yǎng)團隊合作能力。溝通能力和團隊合作能力是CDIO教學模式中最重要的能力素質指標，可見采用這種教學模式是可行有效的。導彈發(fā)動機構造與維護課程教學應該徹底從“應付考試的教學模式”中解脫出來，把教學的重心放到培養(yǎng)學員的溝通能力、交際能力和合作能力等素質教育上來。

通過對比傳統(tǒng)教學方法和CDIO教學模式下學員的理論考核成績，我們發(fā)現采用CDIO教學模式后學員的平均考核成績明顯高于前者。特別是理論分析類和綜合計算類題型，學員的成績有了明顯的提高，提高幅度約為20%。由此可見，學員對理論知識的綜合運用能力有了明顯的提升，他們不單單掌握了知識本身，更能將理論知識與具體的裝備結合起來，特別是能將前序課程的相關知識系統(tǒng)串聯起來，增強了解決實際問題的能力。

通過改革實踐，后續(xù)課程的所有任課教員，特別是本科畢業(yè)設計的指導教員普遍反映，參加過CDIO教學模式改革的學員相比其他學員，具備更強的解決實際問題的能力、更強的動手能力、更強的語言表達能力和團隊協作能力，這些能力在學員的畢業(yè)設計中體現得尤為突出，使得不少學員的設計被評為學校優(yōu)秀畢業(yè)設計。通過教學改革提高學員課堂參與度，有效鍛煉了學員的學習能力，培養(yǎng)了學員的思維習慣和綜合素質，為他們能夠適應部隊奠定了堅實的基礎。

五、教學改革實踐后的思考

（一）緊跟時代步伐，不斷加強信息化教學手段應用

隨著信息化技術的不斷進步，教員必須不斷將新的技術手段應用到課堂教學中來，必須結合各種新興技術的特點和課程教學實際，開發(fā)適合學員學習的教學軟件平臺，將學員的精確學習和訂單化學習變?yōu)楝F實。在今后的教學實踐中，應該把先進的信息化技術作為激發(fā)學員學習熱情的有力武器，并實時將新的教育教學理念引入課堂教學中，不斷提升課堂教學質量和培養(yǎng)學員的綜合能力素質。

（二）課程教學必須堅持以學員為中心

以學員為中心，必須站在學員學習和思考的角度來組織教學活動。英國小說家懷特（Patrick White）曾說過：“我忘了別人教我的東西，我只記得我學的東西?！敝挥杏行У丶ぐl(fā)學員的學習欲望和熱情，才能取得良好的學習效果。基于信息技術的CDIO課程教學實踐，恰恰體現了這一教學理念，學員不是教會的，是學會的，學員的能力是在實踐中培養(yǎng)出來的。項目的形式使每一名學員都參與到課堂教學中，獲得了成就感和自我認同感，從而保證了持續(xù)學習的動力和信心，并且極有可能激發(fā)其繼續(xù)學習的動力和熱情。在教學實施過程中，以發(fā)動機結構原理為基礎，充分結合信息技術和CDIO教學理念，把專業(yè)所需的知識、各種能力融合在一起，形成一個整體。把彈用渦噴發(fā)動機從工作原理到結構組成，再到性能評估，形成知識認知的不斷深化，有效增強學員學習的主動性，必將會取得良好的學習效果。

（三）加強實踐性教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學員的實踐能力和團隊合作能力

教員要將CDIO理念應用于課程的實踐教學中，以培養(yǎng)學員的應用知識能力為“核心”，將CDIO理念的“構思—設計—實現—運作”與學員認知能力培養(yǎng)思想有機結合，使學員能“看中學”“做中學”“用中學”。在實踐環(huán)節(jié)將學員分組形成多個團隊，使學員在團隊中通過實踐環(huán)節(jié)中的合作、交流，培養(yǎng)團隊協作精神和交流溝通能力。這三個層次的實踐環(huán)節(jié)能使學員形成共享知識、應用知識、總結知識和傳播知識的能力。這樣的改革實踐，必將能夠培養(yǎng)出未來戰(zhàn)爭所需的高素質軍事人才。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP-CDIO：汕頭大學工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-20.

[2] 王天寶，程衛(wèi)東.基于CDIO的創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)模式研究與實踐：成都信息工程學院的工程教育改革實踐[J].高等工程教育研究，2010（1）：25-31.

[3] 劉忠.現代軍用仿真技術基礎[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[4] 何江華，郭果敢.計算機仿真與軍事應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[5] 楊春，李昌國，劉成，等.Virtools虛擬現實技術基礎與實例教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

[6] 王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，2009（5）：86-87.

[7] 工碩旺，洪成文.CDIO：美國麻省理工學院工程教育的經典模式：基于對CDIO課程大綱的解讀[J].理工高教研究，2009（4）：116-119.

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[責任編輯：劉鳳華]

[收稿時間]2020-05-27

[作者簡介]曲凱（1980-），男，山東鄒平人，博士，副教授，研究方向：導彈動力系統(tǒng)技術狀態(tài)監(jiān)測與壽命評估。