“飛機(jī)動力裝置”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

邢達(dá)，魏琛，郝紅勛★，張博

（中國民航大學(xué) 飛行分校，天津 300300）

0 引言

在高校專業(yè)課教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)高水平工科專業(yè)技術(shù)人才的重要支撐手段。然而，由于場地條件的限制、成本的約束以及教學(xué)安全等多方面的考慮，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)條件，使得整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平受限，學(xué)生參與感較低。因此為打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)間和空間的限制，降低整體實(shí)驗(yàn)成本，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的快速再循環(huán)利用，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的參與感和體驗(yàn)感，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)成為了一種趨勢。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，通過邏輯編程、模型構(gòu)建、云計(jì)算平臺等信息化手段，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中時(shí)間和空間的限制，實(shí)驗(yàn)過程安全可靠，同時(shí)也兼顧了成本的因素，結(jié)合可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段可以大幅提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與感。

因此在虛擬仿真技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，如何提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，改善實(shí)驗(yàn)條件，使理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在協(xié)同中形成合力，加深學(xué)生對于重難點(diǎn)知識的理解就成為至關(guān)重要的問題。本文針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限性，結(jié)合《飛機(jī)動力裝置》課程自身特點(diǎn)以及教學(xué)目標(biāo)要求，整合教學(xué)資源，豐富教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，努力提升學(xué)生對《飛機(jī)動力裝置》課程知識的掌握，以實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識傳授、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ嵘?、思想價(jià)值引領(lǐng)的協(xié)同育人模式。

1 《飛機(jī)動力裝置》課程特點(diǎn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)局限性分析

飛機(jī)動力裝置課程主要介紹航空活塞式發(fā)動機(jī)和航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的分類情況、主要部件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、輔助系統(tǒng)、工作特性以及螺旋槳相關(guān)的知識內(nèi)容。該課程以航空發(fā)動機(jī)為核心進(jìn)行講授，航空發(fā)動機(jī)作為工業(yè)皇冠上的明珠，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精密且復(fù)雜，是目前我國正在著力攻關(guān)突破的“卡脖子”問題。該課程作為飛行技術(shù)專業(yè)的核心專業(yè)課程，面向的學(xué)生主要是未來的民航飛行員，課程內(nèi)容設(shè)計(jì)與飛機(jī)機(jī)型以及學(xué)生畢業(yè)后的工作崗位要求聯(lián)系緊密，因此飛機(jī)動力裝置課程的教學(xué)在未來民航人才的培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用。

從課程所涉及的內(nèi)容出發(fā)，飛機(jī)動力裝置課程包含的知識廣泛，從材料學(xué)、熱力學(xué)、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)到系統(tǒng)控制理論，涉及到多學(xué)科的交叉聯(lián)動，與飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)和駕駛艙內(nèi)重要儀表參數(shù)聯(lián)系緊密[1-2]。如果僅依靠紙質(zhì)版教材和傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)手段，例如PPT、圖片、視頻等形式對航空發(fā)動機(jī)的知識進(jìn)行講解，由于缺乏動態(tài)的視覺信息交互以及觸覺的感受，對于一些重難點(diǎn)知識學(xué)生難以直觀地理解，也難以滿足學(xué)生的求知欲。

從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件制約的角度出發(fā)，一臺航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)占地面積大，成本極高，其結(jié)構(gòu)由上萬個(gè)精密零部件組成，很容易受到場地、資金的制約。如果想動態(tài)觀察航空發(fā)動機(jī)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程，由于其開車后存在危險(xiǎn)區(qū)，實(shí)驗(yàn)長處于高溫、高壓、高速的運(yùn)行環(huán)境中。基于安全性的考慮，學(xué)生們只能在教師的講解下進(jìn)行靜態(tài)的觀察，整體實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生參與感低，缺少互動性。以上種種原因，限制了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提升。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)及優(yōu)勢分析

針對飛機(jī)動力裝置課程涉及知識面廣、工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，以及受場地、經(jīng)費(fèi)、環(huán)境、安全等因素限制，為改善實(shí)驗(yàn)條件，提升實(shí)驗(yàn)效果，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升民航高水平人才培養(yǎng)質(zhì)量，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)逐步地引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)勢在必行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)為核心，通過編程語言、模型構(gòu)建和可視化技術(shù)的應(yīng)用，搭建出一個(gè)完善的虛擬場景。通過連接相應(yīng)的外部設(shè)備，例如鼠標(biāo)、VR眼鏡、油門操縱桿或人體外骨骼等設(shè)備，讓使用者可以和構(gòu)建出的虛擬場景進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺的動態(tài)交互。目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域展開應(yīng)用，其包括建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、煤礦管路施工、汽車虛擬維修仿真，航空發(fā)動機(jī)試車等領(lǐng)域[3-5]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了時(shí)間與空間的限制，時(shí)間和空間的靈活度高，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)就可以登陸虛擬仿真云平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過設(shè)置參數(shù)來模擬自己想要的實(shí)驗(yàn)條件，也可以隨時(shí)回顧重難點(diǎn)的知識解析。（2）整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部仿真完成的，實(shí)驗(yàn)過程安全可靠，回避了重型實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶來的危險(xiǎn)性。（3）整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可重復(fù)性高，不消耗實(shí)際物品，節(jié)約成本，通過編程的設(shè)置可以使系統(tǒng)迅速復(fù)位，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)重置的時(shí)間，對于知識掌握不牢固的學(xué)生可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中重復(fù)練習(xí)。（4）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可擴(kuò)展性高，通過增加、刪減或者修改計(jì)算機(jī)中的程序代碼就能完成實(shí)驗(yàn)場景的變換或者實(shí)驗(yàn)條件的修改，對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的更新迭代十分有利。（5）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)往往結(jié)合了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)，例如人體外骨骼、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索應(yīng)用

目前我校在多門航空類課程中均逐步開展虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括飛行模擬操縱實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基于unity3D的航空發(fā)動機(jī)虛擬維修仿真實(shí)驗(yàn)等，飛機(jī)動力裝置課程也在逐步探索使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)認(rèn)知部分和發(fā)動機(jī)起動開車過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6]。其他高校的航空航天類課程也在逐步推廣使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院選擇了超聲速噴管壓力測量及紋影觀測實(shí)驗(yàn)，借助光學(xué)測量手段可以對收擴(kuò)噴管的激波結(jié)構(gòu)與形態(tài)進(jìn)行觀察，南京航空航天大學(xué)搭建了微型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)虛擬試車平臺，通過該平臺可以了解航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行過程特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制參數(shù)的優(yōu)化[7]。

航空發(fā)動機(jī)類課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于真實(shí)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)構(gòu)建，實(shí)驗(yàn)中所構(gòu)建的虛擬場景能較為真實(shí)地反應(yīng)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)元件的特點(diǎn)，同時(shí)學(xué)生可以在虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行交互式操作，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位多角度地觀察內(nèi)部各部件的運(yùn)作機(jī)理。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比在教學(xué)效果上產(chǎn)生了顯著的提升，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合。在以往理論教學(xué)的過程中，教師很難攜帶沉重的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)入課堂，在課堂中僅能進(jìn)行一些簡單的演示性實(shí)驗(yàn)，而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，往往要先花費(fèi)時(shí)間去進(jìn)行理論知識的回顧，這就導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程相割裂，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建立則很好地解決了這個(gè)問題。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的過程中可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，同樣的，學(xué)生在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)候往往伴隨著重難點(diǎn)知識的講解，學(xué)生可以根據(jù)自己知識掌握的不同程度來進(jìn)行知識回顧，滿足學(xué)生自主性學(xué)習(xí)需求。

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將之前學(xué)生的靜態(tài)被動式接受學(xué)習(xí)變?yōu)榱藙討B(tài)靈活的主動探索式學(xué)習(xí)。學(xué)生可以根據(jù)自己想觀察的實(shí)驗(yàn)情況來設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，也可以通過鼠標(biāo)或VR眼鏡等外設(shè)對結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行縮放或多角度觀察，同時(shí)也能按需求暫停實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行原理分析。鑒于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)高度的靈活性和自主性，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又增強(qiáng)了學(xué)生分析問題解決問題的能力。

（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒔滩闹猩不逎奈淖种v解變?yōu)橛?jì)算機(jī)屏幕上生動直觀的畫面，借助虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)手段，能夠形成連續(xù)動態(tài)的視覺效果，實(shí)驗(yàn)生動逼真，同時(shí)對于實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)超限或操作失誤等情況，系統(tǒng)也能及時(shí)給予提示和反饋，更有利于加強(qiáng)學(xué)生對于重難點(diǎn)知識的理解和掌握。

4 結(jié)論

飛機(jī)動力裝置課程與航空工業(yè)制造、飛行安全、民航業(yè)發(fā)展以及國家的重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目息息相關(guān)，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)共和國未來高水平民航人才的重任。但由于場地、時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等因素的制約，導(dǎo)致飛機(jī)動力裝置課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以高效地開展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平受到限制。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源緊張，實(shí)驗(yàn)過程危險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新緩慢的問題，體現(xiàn)出動態(tài)靈活、實(shí)時(shí)逼真、安全環(huán)保、可進(jìn)行擴(kuò)展的優(yōu)勢特點(diǎn)，從而推動高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平不斷提升。