能力培養(yǎng)為目標的虛擬仿真實驗設計

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摘要：高校實驗教學是高等教育教學非常重要的組成內(nèi)容。隨著現(xiàn)代教育理念的不斷深化，虛擬仿真實驗作為傳統(tǒng)實驗項目的補充逐漸受到各高校的重視。項目組根據(jù)自主研發(fā)的實驗設備設計了以能力培養(yǎng)為目標的微型渦噴發(fā)動機裝調(diào)試車虛擬仿真實驗項目，該項目以通過智能交互、虛擬仿真為設計思路，以實現(xiàn)工科學生綜合能力培養(yǎng)為目標，以發(fā)動機裝配調(diào)試和測試分析為主要實驗內(nèi)容，以題目測試、過程實操、和數(shù)據(jù)分析為考核，以較低成本實現(xiàn)較高的學生培養(yǎng)效果。

關鍵詞：微型渦噴發(fā)動機；虛擬仿真實驗；裝配調(diào)試；數(shù)據(jù)分析

高校實驗教學是高等教育教學非常重要的組成內(nèi)容[1]?！笆奈濉币?guī)劃的100項重點項目中航空發(fā)動機名列首位，從中可以看出國家大力發(fā)展航空發(fā)動機的決心。因此，培養(yǎng)什么樣的人才成為飛行器動力工程專業(yè)的重要課題。飛行器動力工程專業(yè)作為典型的工科專業(yè)，在“百年未有之大變局”的當下，必須以“新工科”建設標準助力我國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略升級。該項目組在傳統(tǒng)的航空發(fā)動機理論課程的基礎上，結(jié)合教師科研、學生創(chuàng)新實踐項目，開發(fā)了基于實驗數(shù)據(jù)的“微型渦噴發(fā)動機裝調(diào)與試車虛擬仿真實驗項目”，該實驗項目以培養(yǎng)學生基本理論知識能力、實踐能力以及數(shù)據(jù)分析能力為主要目標，以虛擬仿真實驗的形式為載體容納微型渦噴發(fā)動機的零件裝配、調(diào)試，以及試車測試全過程，既在安全的環(huán)境中開展了沉浸式虛擬實驗，又可對實驗結(jié)果進行分析，得出發(fā)動機性能變化和規(guī)律。

1實驗設計思路和目標

該實驗項目的培養(yǎng)對象為飛行器動力工程專業(yè)，實驗設計定位為綜合虛擬仿真實踐項目，旨在面向航空發(fā)動機設計、制造、維修等相關行業(yè)，對基礎知識扎實、設計能力突出、實踐操作熟練的綜合性、創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的迫切需求，依據(jù)我國產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢，通過智能交互、計算機仿真等新型教學方式，以理論知識為基礎，以真實的實驗項目為依據(jù)，綜合運用“基礎知識、綜合分析、創(chuàng)新能力”這3個層面的實驗環(huán)節(jié)，構(gòu)建從認知→實操→分析的遞進式的教學體系，對飛行器動力工程專業(yè)的知識進行全面強化和創(chuàng)新實踐訓練，使學生循序漸進地開展從“基本原理學習”到“綜合能力訓練”，再到“創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的實踐學習過程。該項目選擇微型渦噴發(fā)動機為代表性實驗對象，具體如圖1所示。微型渦噴發(fā)動機與常見的渦噴發(fā)動機的工作原理基本相同但其仍存在自身的特殊性[3]，主要有以下幾個特點：壓氣機通常采用單機離心式、燃燒室為環(huán)形蒸發(fā)管式、渦輪為單機軸流式、尾噴管為簡單收斂式；結(jié)構(gòu)通常非常緊湊，無論和壓氣機為同軸，無獨立的潤滑系統(tǒng)；可選擇不同中點火和起動方式；通常轉(zhuǎn)子系統(tǒng)尺寸小，因此需要具有較高的設計轉(zhuǎn)速來完成做工[4]。該實驗目的主要是：（1）解決復雜機械在裝配實驗方面存在的結(jié)構(gòu)復雜不易理解、成本高、安全系數(shù)低、實驗周期長、探索空間不足、創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足等問題，達到安全性高、成本低、創(chuàng)新性好的教學效果；（2）培養(yǎng)學生強化設計、加工、裝配、測試全流程的理論知識，掌握基本的裝配、測試操作技能，綜合運用發(fā)動機原理、構(gòu)造、裝配調(diào)試、測試分析等知識，探索并解決復雜機械工程技術問題，體現(xiàn)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)能解決復雜工程問題的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。

2實驗原理

該實驗圍繞飛行器動力工程專業(yè)的核心專業(yè)教學實踐環(huán)節(jié)，基于項目組自研微型渦噴發(fā)動機，具體見圖2，重點開展微型渦噴發(fā)動機“裝調(diào)”和“試車”兩個主要
模塊的虛擬仿真實驗項目的建設。微型渦噴發(fā)動機的裝配實驗可以幫助學生全面認知發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)?？傮w結(jié)構(gòu)是微型渦噴發(fā)動機頂層設計的主要內(nèi)容，包括轉(zhuǎn)子支承方案、承力系統(tǒng)及傳力路線安排。發(fā)動機裝調(diào)主要包括發(fā)動機各零部件裝配順序、裝配中的細節(jié)調(diào)試操作等內(nèi)容。微型渦噴發(fā)動機試車是檢驗航空發(fā)動機設計、制造及裝配正確性的有效方法。將微型渦噴發(fā)動機裝配與試車實驗相結(jié)合，既可以通過試車實驗對結(jié)構(gòu)裝配實驗過程中的典型問題進行再現(xiàn)，加深學生對總體結(jié)構(gòu)和裝配過程的理解，還可使學生對航空發(fā)動機試車測試系統(tǒng)的原理等建立更為深刻的認識[5]。

3實驗過程設計

3.1總體結(jié)構(gòu)認知實驗設計

該實驗環(huán)節(jié)采取講解、演示、引導的模式與學生進行交互式操作，幫助學生建立對總體結(jié)構(gòu)和零部件的全面認知和理解，為下一步整機裝配實驗打下基礎。主要內(nèi)容包括：了解微型渦噴發(fā)動機的主要部件、功能、零件組成、工作機制；分析微型渦噴發(fā)動機轉(zhuǎn)子支承方案、軸承承力方向、推力分布等特點。該環(huán)節(jié)允許學生在虛擬實驗場景中完成發(fā)動機結(jié)構(gòu)的透視、縮放、角度變換等操作，配合相應知識點分析，克服傳統(tǒng)教學“重理論講授、輕實物分析”的不足。

3.2裝調(diào)實驗設計

該實驗環(huán)節(jié)采取自主操作的模式使學生開展微型渦噴發(fā)動機的整機結(jié)構(gòu)裝配實驗，旨在幫助學生了解微型渦噴發(fā)動機的裝配過程和順序，進一步加深對發(fā)動機整機結(jié)構(gòu)設計的理解，所有零件均基于項目組自研微信渦噴發(fā)動機的零部件開展虛擬仿真實驗，具體見圖3。實驗重點構(gòu)建了發(fā)動機轉(zhuǎn)子連接結(jié)構(gòu)裝配擰緊力矩控制和轉(zhuǎn)子動平衡這兩個影響發(fā)動機裝配質(zhì)量的虛擬實驗過程，并對其核心概念進行考察，考察結(jié)果與自主裝配實驗操作將一同納入實驗的結(jié)果評價中。

3.3試車實驗設計

發(fā)動機試車是重要的虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，能夠使學生對裝配后的發(fā)動機的運行狀態(tài)進行觀察和分析。同時，通過對發(fā)動機試車測試系統(tǒng)進行操作，增加學生對發(fā)動機試車測試系統(tǒng)和過程的理解。該實驗環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)基于項目組自研數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)建立，具體見圖4。在該實驗環(huán)節(jié)中，學生通過對發(fā)動機測控系統(tǒng)中如傳感器、信號變送器、數(shù)據(jù)采集卡等主要元件的認知和信號連接關系的學習，完成試車系統(tǒng)的安裝調(diào)試步驟。之后，學生通過操縱油門桿進入試車環(huán)節(jié)。在試車環(huán)節(jié)中通過試車實驗要求完成不同工作狀態(tài)的發(fā)動機測試項目，并記錄測試過程中采集的數(shù)據(jù)。最后，學生可獲得試車系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，并進一步對數(shù)據(jù)進行分析、綜合。

3.4實驗考核設計

高質(zhì)量的實驗課程體系設計不但包含實驗內(nèi)容的合理安排和教學過程的有效組織，還包括恰如其分的實驗教學考核體系，即如何評價實驗教學的效果，如何評估學生通過實驗教學環(huán)節(jié)所達到的學習效果，合理的考核評價制度能夠?qū)W生的學習產(chǎn)生積極的導向作用，是達到實驗課程培養(yǎng)目標的有力保障[6]。該實驗項目設計了兩個考核環(huán)節(jié)，針對認知性實驗內(nèi)容，采用題庫測試，將實驗所設計的知識點轉(zhuǎn)化為題目內(nèi)容考核學生的認知效果，針對實操性內(nèi)容，采用實驗報告引導學生完成實操內(nèi)容，并完成實驗報告中的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容，考核學生的操作和分析能力培養(yǎng)的效果，具體如表1所示。

4結(jié)語

該實驗將仿真實驗場景和數(shù)據(jù)的“虛實結(jié)合”，基于項目組自行研制的微型渦噴發(fā)動機及配套試車臺系統(tǒng)構(gòu)建的，掌握全部測試數(shù)據(jù)，克服了發(fā)動機實物教具難以展視其內(nèi)部復雜結(jié)構(gòu)的不足，有效地解決了發(fā)動機臺架試車教學實驗成本高、學生受眾面小、實驗危險性大等難題。提高了實驗探索性，大大提高學生的學習興趣和教學效果，顯著加深學生對發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)與性能的理解，使自主動手能力能得到明顯提高。其該實驗項目后期開發(fā)潛力大，在實驗數(shù)據(jù)的處理可加入隨機性變化，避免了學生在“唯一正確”的參數(shù)下開展重復的實驗，后期還可在上游增加如“零件制造”、下游增加如“發(fā)動機控制參數(shù)”等方面的實驗環(huán)節(jié)，可以進一步豐富內(nèi)容和增加創(chuàng)新性。

參考文獻

[1]高雪超,湯吉海.建設化工類國家虛擬仿真實驗教學項目的實踐和探索[J].化工高等教育,2020,37(6):93?96.

[3]李慧琳.微型渦噴發(fā)動機控制器開發(fā)研究[D].南京:南京理工大學,2021.

[4]李通一.微型渦噴發(fā)動機整機三維數(shù)值模擬研究[D].大連:大連理工大學,2019.

[5]于兵,黃向華,張?zhí)旌?等.基于虛擬仿真的“微型燃氣渦輪發(fā)動機試車”實踐課程的構(gòu)建[J].工業(yè)和信息化教育,2021(6):82-85.

[6]張樂,趙曉東,郭云飛,等.麥克馬斯特大學實驗課程考核體系分析與借鑒:以控制系統(tǒng)導論為例[J].實驗室研究與探索,2022,41(1):214-217.

作者:王炫 于軍力 張青 付宇 單位:中國民航大學航空工程學院