“飞机动力装置”虚拟仿真实验教学改革探索

邢达，魏琛，郝红勋★，张博

（中国民航大学 飞行分校，天津 300300）

0 引言

在高校专业课教学中，实验教学是培养高水平工科专业技术人才的重要支撑手段。然而，由于场地条件的限制、成本的约束以及教学安全等多方面的考虑，传统的实验教学难以达到理想的实验条件，使得整体实验教学水平受限，学生参与感较低。因此为打破传统实验教学中时间和空间的限制，降低整体实验成本，实现实验过程的快速再循环利用，提升学生实验过程中的参与感和体验感，将虚拟仿真实验引入到专业课实验教学中已经成为了一种趋势。

虚拟仿真实验是以计算机技术为核心，通过逻辑编程、模型构建、云计算平台等信息化手段，突破了传统实验中时间和空间的限制，实验过程安全可靠，同时也兼顾了成本的因素，结合可视化技术和虚拟现实等技术手段可以大幅提升学生的实验参与感。

因此在虚拟仿真技术不断发展的背景下，如何提升实验教学水平，改善实验条件，使理论教学与虚拟仿真实验教学在协同中形成合力，加深学生对于重难点知识的理解就成为至关重要的问题。本文针对传统实验的局限性，结合《飞机动力装置》课程自身特点以及教学目标要求，整合教学资源，丰富教学内容，创新实验方法，努力提升学生对《飞机动力装置》课程知识的掌握，以实现专业知识传授、实验能力提升、思想价值引领的协同育人模式。

1 《飞机动力装置》课程特点与传统实验局限性分析

飞机动力装置课程主要介绍航空活塞式发动机和航空燃气涡轮发动机的分类情况、主要部件、结构特点、工作原理、辅助系统、工作特性以及螺旋桨相关的知识内容。该课程以航空发动机为核心进行讲授，航空发动机作为工业皇冠上的明珠，其系统结构精密且复杂，是目前我国正在着力攻关突破的“卡脖子”问题。该课程作为飞行技术专业的核心专业课程，面向的学生主要是未来的民航飞行员，课程内容设计与飞机机型以及学生毕业后的工作岗位要求联系紧密，因此飞机动力装置课程的教学在未来民航人才的培养中起着至关重要的作用。

从课程所涉及的内容出发，飞机动力装置课程包含的知识广泛，从材料学、热力学、空气动力学、结构力学到系统控制理论，涉及到多学科的交叉联动，与飞机机体结构和驾驶舱内重要仪表参数联系紧密[1-2]。如果仅依靠纸质版教材和传统的多媒体教学手段，例如PPT、图片、视频等形式对航空发动机的知识进行讲解，由于缺乏动态的视觉信息交互以及触觉的感受，对于一些重难点知识学生难以直观地理解，也难以满足学生的求知欲。

从传统实验条件制约的角度出发，一台航空燃气涡轮发动机占地面积大，成本极高，其结构由上万个精密零部件组成，很容易受到场地、资金的制约。如果想动态观察航空发动机的工作运转过程，由于其开车后存在危险区，实验长处于高温、高压、高速的运行环境中。基于安全性的考虑，学生们只能在教师的讲解下进行静态的观察，整体实验过程学生参与感低，缺少互动性。以上种种原因，限制了传统实验室实验教学水平的提升。

2 虚拟仿真实验特点及优势分析

针对飞机动力装置课程涉及知识面广、工程实践性强等特点，以及受场地、经费、环境、安全等因素限制，为改善实验条件，提升实验效果，激发学习兴趣，提升民航高水平人才培养质量，将虚拟仿真实验逐步地引入到实验教学中已经势在必行。虚拟仿真实验以计算机为核心，通过编程语言、模型构建和可视化技术的应用，搭建出一个完善的虚拟场景。通过连接相应的外部设备，例如鼠标、VR眼镜、油门操纵杆或人体外骨骼等设备，让使用者可以和构建出的虚拟场景进行视觉、听觉、触觉的动态交互。目前虚拟仿真实验教学已经在多个领域展开应用，其包括建筑结构设计、煤矿管路施工、汽车虚拟维修仿真，航空发动机试车等领域[3-5]。

虚拟仿真实验与传统实验相比具有以下几个优势：（1）虚拟仿真实验突破了时间与空间的限制，时间和空间的灵活度高，学生通过计算机就可以登陆虚拟仿真云平台进行学习，通过设置参数来模拟自己想要的实验条件，也可以随时回顾重难点的知识解析。（2）整个实验过程都是在计算机内部仿真完成的，实验过程安全可靠，回避了重型实验设备带来的危险性。（3）整个实验过程可重复性高，不消耗实际物品，节约成本，通过编程的设置可以使系统迅速复位，节省了实验重置的时间，对于知识掌握不牢固的学生可以在虚拟仿真实验中重复练习。（4）虚拟仿真实验可扩展性高，通过增加、删减或者修改计算机中的程序代码就能完成实验场景的变换或者实验条件的修改，对于虚拟仿真实验室技术的更新迭代十分有利。（5）虚拟仿真实验往往结合了计算机领域最先进的技术，例如人体外骨骼、增强现实等技术，有利于激发学生学习兴趣、开拓学生的创新思维。

3 虚拟仿真实验探索应用

目前我校在多门航空类课程中均逐步开展虚拟仿真教学实验，包括飞行模拟操纵实验教学，基于unity3D的航空发动机虚拟维修仿真实验等，飞机动力装置课程也在逐步探索使用虚拟现实技术和虚拟仿真技术对燃气涡轮发动机总体结构认知部分和发动机起动开车过程进行实验教学[6]。其他高校的航空航天类课程也在逐步推广使用虚拟仿真实验技术，郑州航空工业管理学院选择了超声速喷管压力测量及纹影观测实验，借助光学测量手段可以对收扩喷管的激波结构与形态进行观察，南京航空航天大学搭建了微型燃气发动机虚拟试车平台，通过该平台可以了解航空发动机的运行过程特点，实现发动机控制参数的优化[7]。

航空发动机类课程的虚拟仿真实验基于真实的燃气涡轮发动机构建，实验中所构建的虚拟场景能较为真实地反应发动机结构元件的特点，同时学生可以在虚拟仿真环境中进行交互式操作，能够实现全方位多角度地观察内部各部件的运作机理。虚拟仿真实验与传统实验相比在教学效果上产生了显著的提升，具体体现在以下几个方面：

（1）虚拟仿真实验促进了理论学习和实验教学的深度融合。在以往理论教学的过程中，教师很难携带沉重的教学实验设备进入课堂，在课堂中仅能进行一些简单的演示性实验，而在实验教学过程中，往往要先花费时间去进行理论知识的回顾，这就导致理论学习和实验教学过程相割裂，虚拟仿真实验平台的建立则很好地解决了这个问题。学生在理论学习的过程中可以通过虚拟仿真实验平台自主地进行实验模拟，同样的，学生在进行虚拟仿真实验的时候往往伴随着重难点知识的讲解，学生可以根据自己知识掌握的不同程度来进行知识回顾，满足学生自主性学习需求。

（2）虚拟仿真实验将之前学生的静态被动式接受学习变为了动态灵活的主动探索式学习。学生可以根据自己想观察的实验情况来设定实验参数，也可以通过鼠标或VR眼镜等外设对结构元件进行缩放或多角度观察，同时也能按需求暂停实验过程进行原理分析。鉴于虚拟仿真实验高度的灵活性和自主性，既激发了学生的学习兴趣，又增强了学生分析问题解决问题的能力。

（3）虚拟仿真实验能够将教材中生硬晦涩的文字讲解变为计算机屏幕上生动直观的画面，借助虚拟现实和增强现实等新兴技术手段，能够形成连续动态的视觉效果，实验生动逼真，同时对于实验过程中参数超限或操作失误等情况，系统也能及时给予提示和反馈，更有利于加强学生对于重难点知识的理解和掌握。

4 结论

飞机动力装置课程与航空工业制造、飞行安全、民航业发展以及国家的重点攻关项目息息相关，担负着培养共和国未来高水平民航人才的重任。但由于场地、时间、经费等因素的制约，导致飞机动力装置课程的实验教学难以高效地开展，实验教学水平受到限制。虚拟仿真实验技术的出现很好地解决了传统实验资源紧张，实验过程危险，实验设备更新缓慢的问题，体现出动态灵活、实时逼真、安全环保、可进行扩展的优势特点，从而推动高校实验教学水平不断提升。