基于虚实结合的“柴油机拆装实验”课程教学改革初探

朱近赤 谢迎春 刘贵杰

摘    要：“柴油机拆装实验”是轮机工程专业的核心实验课程。在教学过程中，教师虽将虚拟拆装软件作为实物拆装的补充，但学生对柴油机各部件结构的功能与原理的掌握程度仍不够深入。经过企业调研，教师基于GT-POWER内燃机仿真软件，增设仿真计算实验项目，采用“VOS”（Virtual-Object-Simulation）虚实结合教学方法开展教学，即虚拟拆装补充实物拆装，通过仿真实验研究实物拆装的结构问题。实践结果表明，“柴油机拆装实验”课程教学改革不仅使学生牢固地掌握了柴油机结构特点及功能原理，还提高了其对前后序课程的知识衔接能力及应用能力。

关键词：“柴油机拆装实验”课程;实验教学改革;虚实结合

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）10-0070-03

一、引言

“柴油机拆装实验”是配合“船舶柴油机”课程理论教学开设的工作技能层面的核心实验课程，对于培养学生将柴油机的性能理论与结构特性紧密结合及实际操作能力，进而逐步形成全面发展的专业能力具有重要意义。“柴油机拆装实验”课程要求学生熟练掌握柴油机的拆装步骤及基本要领，了解专用工具的使用方法、相关间隙测量方法，以及柴油机技术参数的检查与调整，进而深入了解柴油机的结构及原理[1]。但是，由于船舶柴油机体积较大，配合行吊占用面积过大，每次拆卸安装对柴油机有破坏性且成本较高，柴油机技术更新较快，以及受安全性及台套数限制，学生虽能开展现场拆装实训，但难以面面俱到，教学形式也较为单一。因此，越来越多的高校将虚拟拆装软件作为“柴油机拆装实验”课程的补充，虽然无法完全替代实物拆装过程，但虚拟拆装不受场地和时间的限制，学生学习时间充分自主，而且学生通过拆装软件也能掌握柴油机的内部结构及传动机理。从各部件的细节展示来说，虚拟拆装比实物拆装更能全面展示耦合关系及传动关系，线上线下混合式教学方式也更能激发学生学习兴趣。虚拟仿真实验融合信息技术前沿，交互性好、体验感强，对于模拟危险性高及规模较大的实验有较好效果[2-4]。

在传统虚实结合教学模式下，“柴油机拆装实验”课程对柴油机整体结构及各系统结构的认知，以及对传动耦合关系的讲解较为深入，但对结构组成与柴油机原理及性能的关联性展示不强，因此，文章对“柴油机拆装实验”课程进行教学改革研究及探索。作者根据企业专家调研，基于GT-POWER内燃机仿真软件构建“VOS”虚实结合教学方法，由三维虚拟到实物拆装再到仿真计算，增进学生对柴油机整体结构的理解，并培养学生综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力。

二、“柴油机拆装实验”课程存在的问题

根据课程实际反馈及学生评教分析，“柴油机拆装实验”课程尚存在以下几点问题。

（一）教学内容受虚拟软件限制

目前，基于虚拟拆装软件与实物拆装构建的虚实结合教学模式，能够使学生通过线上线下较为自由地安排时间进行实物拆装前的虚拟练习，做好拆装顺序及拆装方法的预习，增强对各结构的印象，掌握传动机构、内部构造、各系统之间的耦合关系等知识。但现行的虚实结合教学模式处于实物拆装的预习阶段，是对柴油机结构功能等知识的加强。虚拟拆装软件不仅存在拆卸装配路径单一的问题，而且根据标准预设的顺序及流程进行虚拟操作的局限性，也使得虚拟仿真的效果取决于软件研发者的动画制作及理论研究水平，难以满足学生日益增长的求知欲。

（二）教学方案缺乏前后序课程联动

柴油机各系统的运行及耦合关系，涉及“机械原理”“工程制图”等多门专业课程的知识，更能够通过实验设计延伸至“工程流体力学”“工程热力学”等专业核心课程内容。目前，虽然“柴油机拆装实验”课程教学方案要求锻炼学生的柴油机结构拆装能力，但“柴油机拆装实验”作为专业核心实验课程，仅止于培养学生使用工具对复杂柴油机结构进行拆卸检测的能力，未达到呼应前后序课程的目的。

（三）实验设计限制创新能力

“柴油机拆装实验”作为本科阶段的核心实验课程，目前的拆装与检测实验局限于验证性实验。在实验过程中，学生按部就班地完成拆卸步骤与安装步骤;同时，教师对柴油机拆装检修要求严格，要求学生在拆卸前对螺栓位置做好标记，在拧紧时也要拧紧到相同位置。虽然能够很好地培养学生的劳动精神，但对创新能力的培养不足。因此，在拆卸过程中，教师可要求学生充分测量柴油机的活塞、进排气管、喷油嘴等部件的尺寸，让学生结合所学专业知识进行相关创新训练。

（四）考核方式对能力体现不充分

“柴油机拆装实验”课程采用的考核方式由现场拆装表现及实验报告构成，分别占总成绩的30%和70%。但过程性考核及创新性考核不足，单一的考核标准无法充分体现个人能力及创新意识。

三、“VOS”“柴油机拆装实验”课程教学改革方案设计

为解决上述问题，教师整合学生反馈，并对柴油机相关企业开展调研，基于工程典型问题及学生所应具备的能力进行了课时调整，提出了“VOS”虚实结合教学方法。其中，V（Virtual）即虚拟现实的虚拟拆装环节，O（Object）即实物拆装环节，S（Simulation）即基于柴油机结构开展的仿真计算环节。同时，教师将考核标准调整为虚拟软件拆装占20%，实物拆装占30%，仿真计算实验占20%，实验报告占30%。不仅降低了实验报告所占比例，加大了对学生实践能力的考核，而且虚拟软件及仿真计算实验具备线上记录功能，可以针对学生个人学习情况客观打分。实物拆裝过程中的熟练程度及拆装流程规划是考核的重点。

GT-POWER内燃机软件是柴油机企业实际设计生产中使用的基于柴油机结构参数进行柴油机性能分析的软件工具，可以通过设置不同的结构参数对目标内燃机进行性能分析。运用该软件进行仿真计算实验，可以帮助学生理解柴油机各结构参数对柴油机性能的影响。

采用“VOS”虚实结合教学方法的“柴油机拆装实验”课程教学分为5个环节，具体如下。

（一）安全思想政治教育

本环节共2课时。实验室安全是“柴油机拆装实验”课程教学最需遵守的守则，因此，教师在第一课就应反复强调在拆装过程中的操作安全与规范，避免出现因操作失误导致学生受伤的情况。同时，教师应立足“柴油机拆装实验”课程，对学生进行劳动精神培养。不论是场地维护、工具收纳，还是操作过程的规范，都应培养学生的劳动意识。通过具体部件的拆装维护及设计制造工艺的讲解，学生了解重要机械设备发展过程中体现的工匠精神。

（二）理论回顾及拆装实验准备

本环节共2课时。在理论回顾环节，教师通过读铭牌的方式使学生掌握柴油机的功率、转速、排量等信息，并以提问的形式带领学生回顾柴油机基本骨架、两大机构、五大系统的组成，分析实物拆装所用的四缸直列柴油机的点火顺序及不同角度时的活塞运动方向、气门的开闭情况等。在拆装实验准备环节，教师需向学生阐明课时安排及最终的考核形式，并引导学生完成虚拟拆装软件及GT-POWER内燃机软件的使用流程预习。

（三）虚拟软件拆装（Virtual）

本环节共6课时。虚拟软件拆装作为“VOS”虚实结合教学方法的第一步，是实物拆装的预习阶段。依托虚拟软件，学生在线上对柴油机三维模型进行拆装。由于虚拟软件拆装实训不受时间及场地的限制，学生可以随时上线进行操作、回顾，充分掌握柴油机模型结构，了解拆装流程，引发思考。虚拟软件的动画演示功能可以将水路、油路、机构的传动关系以剖面动画的形式进行清晰展示，加深学生的理解。在虚拟软件的演示模式及练习模式下，学生可深入了解拆装工艺流程及关键部件的检测方法。

（四）实物拆装（Object）

本环节共16课时。实物拆装是“柴油机拆装实验”课程的核心与基础。学生通过虚拟软件拆装环节在了解柴油机结构特征、部件的安装特性及耦合关系后，再使用专业工具对柴油机实物进行拆卸与装配将得心应手。同时，在拆装过程中，由机体到各总成、由两大机构到五个系统，以及柴油机实物的细节及虚拟软件难以体现的润滑及冷却回路乃至柴油机启用后造成的各部件的磨损及失效检修都能得到充分展示。本环节不仅要求学生对活塞等主要零部件进行测绘，还要求学生对机构简图及相位图进行绘制，对于“工程制图”“机械原理”等前后序课程的知识也将得到充分应用。例如，在精密的柴油机拆装过程中，学生结合柴油机结构联系在“船舶柴油机”课程上所学的理论知识，回顾结构对应的原理，思考结构参数对应的“机械原理”“流体力学”“控制基础”“工程热力学”等前后序课程中的专业知识。

（五）GT-POWER仿真计算实验（Simulation）

本环节共6课时。在实物拆装环节，关于柴油机结构参数对柴油机性能的影响是学生普遍感兴趣的问题，如柴油机缸径、进排气管尺寸等对于动力输出、尾气噪音的影响都是有意义的科研课题;同时，理论计算可以解决单一的结构性能问题，而学生对于多部件的尺寸调整对性能的影响亦有极强探索欲。本环节给学生提供了解决这些问题的机会，使学生可以通过GT-POWER仿真计算实验进行研究，从而加强对科学问题的探索。

1.仿真计算实验导入环节——单缸柴油机性能计算

企业工程师以单缸柴油机模型为例，讲解通过调整柴油机结构参数及边界环境参数得到不同性能参数的方法。在使用GT-POWER内燃机仿真软件进行柴油机的一维仿真计算建模过程中，学生首先应在模型库中挑选本模型所需部件，如进排气管、进排气阀、气缸、喷油器、曲轴等，其次根据教程进行缸径100 mm、行程100 mm、连杆长度220 mm、压缩比16.5、上止点间隙高度0.5 mm的单缸柴油机模拟计算，并通过处理得到单缸柴油机的运行云图，最后分析在不同曲轴角度下柴油机的整体、燃烧、未燃烧热交换率等情况。

2.仿真计算实验创新环节——柴油机测绘数据建模计算

实物拆装过程所用的柴油机为云内4102四冲程四缸直列式柴油机，点火顺序为1、3、4、2，相比单缸柴油机，其增加了空气滤清器、稳压腔等单元，相关结构参数已于实物拆装环节测量得出。学生在测绘环节，使用专业测量工具得到该柴油机的主要参数，即缸径102 mm、行程115 mm、额定转速2 400 rpm。基于此模型，学生选择使用GT-POWER内燃机软件，通过改变缸径结构参数，对比5个工况下的输出功率，研究发现缸径越大输出扭矩就越大。

综上所述，“VOS”虚实结合教学方法首先通过虚拟软件拆装初步认知柴油机结构特性，其次通过实物拆装强化对柴油机结构的认知，最后通过仿真计算实验对柴油机结构性能的科学问题进行研究，这种教学方法既具备线上线下教学的灵活度，又具备知识结构的完整性。

四、“柴油机拆装实验”课程教学改革的成效及反馈

第一，增强了学生对柴油机结构的掌握。“VOS”虚实结合教学方法让学生从柴油机结构出发，在虚拟软件拆装到实物拆装的过程中针对柴油机结构发现问题、分析问题、研究问题，层层递进，多角度掌握柴油机结构。在课程改革探索中，学生均表示经过虚实结合的“柴油机拆装实验”课程教学改革使其对柴油机结构有了更深的理解。

第二，促进了学生对前后序课程的专业知识的应用。“VOS”虚实结合教学方法要求学生综合运用“船舶柴油机”“工程制图”“机械原理”“流体力学”等多门专业课程所学知识进行测绘、建模、分析，培養学生解决实际工程问题的能力。

第三，激发了学生的求知欲，为学生开拓了新思路。41个学生中，有33个学生表示在拆装过程中，由机架到总成，由机构到系统，对各部件的结构参数及形状特征感到好奇，而GT-POWER仿真计算实验提供了修改各部件结构及形状的研究机会，求知欲得到了满足。

第四，完善了对学生能力提升的考核评价标准。课时的精确调整，以及过程性的考核标准，充分考查了学生的动手能力及思考能力，聚焦学生能力的全面提升，得到了学生的良好反馈。

五、结束语

文章对“柴油机拆装实验”课程进行了虚实结合的教学研究探索，结果表明：虚拟软件拆装、实物拆装、仿真计算实验相结合的教学方法有助于学生加深对柴油机结构的掌握程度，测绘、传动机构简图、GT-POWER仿真计算实验的设置让学生的综合能力得到了充分锻炼，学时及考核评价指标的调整全面考查了学生的能力。学生基于“VOS”虚实结合的教学方法，不仅懂原理、熟结构，更对探索复杂工程问题表现出明显兴趣。教师在后续可通过与企业联合培养的形式向学生提供更多解决实际工程问题的机会，进一步提高学生的学习能力與创新意识。

参考文献：

[1]  陈银平.浅谈船用柴油机拆装实习的组织与教学[J].职业，2013（30）：122-123.

[2]  郭磊，赵俊豪，张均东，等.船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学平台的开发与应用[J].航海教育研究，2021，39（3）：64-68.

[3]  高跃峰，张均东，赵俊豪，等.虚实结合船舶柴油机拆装实验教学实践[J].航海教育研究，2021，38（4）：54-59.

[4]  米洁，高宏. 课程—实践—创新相辅相成的教学模式改革[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：167-170.

收稿日期：2022-12-14                                                          修回日期：2023-02-20

作者简介：朱近赤（1996—），男，湖北潜江人，中国海洋大学工程学院助理实验师，研究方向为流体流动及传热。

通信作者：谢迎春

基金项目：国家级一流本科专业建设点“机械设计制造及其自动化”;山东省一流本科专业建设点“轮机工程”;2022年中国海洋大学实验室研究基金项目“基于GT-POWER的‘柴油机拆装实验课程教学改革研究”（202251012）;教育部第二批新工科研究与实践项目“多学科交叉融合的海洋工程卓越人才培养模式探索与实践”（E-TMJZSLHY20202132）