能力培养为目标的虚拟仿真实验设计

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摘要：高校实验教学是高等教育教学非常重要的组成内容。随着现代教育理念的不断深化，虚拟仿真实验作为传统实验项目的补充逐渐受到各高校的重视。项目组根据自主研发的实验设备设计了以能力培养为目标的微型涡喷发动机装调试车虚拟仿真实验项目，该项目以通过智能交互、虚拟仿真为设计思路，以实现工科学生综合能力培养为目标，以发动机装配调试和测试分析为主要实验内容，以题目测试、过程实操、和数据分析为考核，以较低成本实现较高的学生培养效果。

关键词：微型涡喷发动机；虚拟仿真实验；装配调试；数据分析

高校实验教学是高等教育教学非常重要的组成内容[1]。“十四五”规划的100项重点项目中航空发动机名列首位，从中可以看出国家大力发展航空发动机的决心。因此，培养什么样的人才成为飞行器动力工程专业的重要课题。飞行器动力工程专业作为典型的工科专业，在“百年未有之大变局”的当下，必须以“新工科”建设标准助力我国航空发动机产业的战略升级。该项目组在传统的航空发动机理论课程的基础上，结合教师科研、学生创新实践项目，开发了基于实验数据的“微型涡喷发动机装调与试车虚拟仿真实验项目”，该实验项目以培养学生基本理论知识能力、实践能力以及数据分析能力为主要目标，以虚拟仿真实验的形式为载体容纳微型涡喷发动机的零件装配、调试，以及试车测试全过程，既在安全的环境中开展了沉浸式虚拟实验，又可对实验结果进行分析，得出发动机性能变化和规律。

1实验设计思路和目标

该实验项目的培养对象为飞行器动力工程专业，实验设计定位为综合虚拟仿真实践项目，旨在面向航空发动机设计、制造、维修等相关行业，对基础知识扎实、设计能力突出、实践操作熟练的综合性、创新型高素质人才的迫切需求，依据我国产业升级转型的发展趋势，通过智能交互、计算机仿真等新型教学方式，以理论知识为基础，以真实的实验项目为依据，综合运用“基础知识、综合分析、创新能力”这3个层面的实验环节，构建从认知→实操→分析的递进式的教学体系，对飞行器动力工程专业的知识进行全面强化和创新实践训练，使学生循序渐进地开展从“基本原理学习”到“综合能力训练”，再到“创新能力培养”的实践学习过程。该项目选择微型涡喷发动机为代表性实验对象，具体如图1所示。微型涡喷发动机与常见的涡喷发动机的工作原理基本相同但其仍存在自身的特殊性[3]，主要有以下几个特点：压气机通常采用单机离心式、燃烧室为环形蒸发管式、涡轮为单机轴流式、尾喷管为简单收敛式；结构通常非常紧凑，无论和压气机为同轴，无独立的润滑系统；可选择不同中点火和起动方式；通常转子系统尺寸小，因此需要具有较高的设计转速来完成做工[4]。该实验目的主要是：（1）解决复杂机械在装配实验方面存在的结构复杂不易理解、成本高、安全系数低、实验周期长、探索空间不足、创新能力培养不足等问题，达到安全性高、成本低、创新性好的教学效果；（2）培养学生强化设计、加工、装配、测试全流程的理论知识，掌握基本的装配、测试操作技能，综合运用发动机原理、构造、装配调试、测试分析等知识，探索并解决复杂机械工程技术问题，体现创新意识，培养能解决复杂工程问题的高素质创新人才。

2实验原理

该实验围绕飞行器动力工程专业的核心专业教学实践环节，基于项目组自研微型涡喷发动机，具体见图2，重点开展微型涡喷发动机“装调”和“试车”两个主要
模块的虚拟仿真实验项目的建设。微型涡喷发动机的装配实验可以帮助学生全面认知发动机的总体结构。总体结构是微型涡喷发动机顶层设计的主要内容，包括转子支承方案、承力系统及传力路线安排。发动机装调主要包括发动机各零部件装配顺序、装配中的细节调试操作等内容。微型涡喷发动机试车是检验航空发动机设计、制造及装配正确性的有效方法。将微型涡喷发动机装配与试车实验相结合，既可以通过试车实验对结构装配实验过程中的典型问题进行再现，加深学生对总体结构和装配过程的理解，还可使学生对航空发动机试车测试系统的原理等建立更为深刻的认识[5]。

3实验过程设计

3.1总体结构认知实验设计

该实验环节采取讲解、演示、引导的模式与学生进行交互式操作，帮助学生建立对总体结构和零部件的全面认知和理解，为下一步整机装配实验打下基础。主要内容包括：了解微型涡喷发动机的主要部件、功能、零件组成、工作机制；分析微型涡喷发动机转子支承方案、轴承承力方向、推力分布等特点。该环节允许学生在虚拟实验场景中完成发动机结构的透视、缩放、角度变换等操作，配合相应知识点分析，克服传统教学“重理论讲授、轻实物分析”的不足。

3.2装调实验设计

该实验环节采取自主操作的模式使学生开展微型涡喷发动机的整机结构装配实验，旨在帮助学生了解微型涡喷发动机的装配过程和顺序，进一步加深对发动机整机结构设计的理解，所有零件均基于项目组自研微信涡喷发动机的零部件开展虚拟仿真实验，具体见图3。实验重点构建了发动机转子连接结构装配拧紧力矩控制和转子动平衡这两个影响发动机装配质量的虚拟实验过程，并对其核心概念进行考察，考察结果与自主装配实验操作将一同纳入实验的结果评价中。

3.3试车实验设计

发动机试车是重要的虚拟仿真实验环节，能够使学生对装配后的发动机的运行状态进行观察和分析。同时，通过对发动机试车测试系统进行操作，增加学生对发动机试车测试系统和过程的理解。该实验环节数据基于项目组自研数据采集控制系统建立，具体见图4。在该实验环节中，学生通过对发动机测控系统中如传感器、信号变送器、数据采集卡等主要元件的认知和信号连接关系的学习，完成试车系统的安装调试步骤。之后，学生通过操纵油门杆进入试车环节。在试车环节中通过试车实验要求完成不同工作状态的发动机测试项目，并记录测试过程中采集的数据。最后，学生可获得试车系统记录的数据，并进一步对数据进行分析、综合。

3.4实验考核设计

高质量的实验课程体系设计不但包含实验内容的合理安排和教学过程的有效组织，还包括恰如其分的实验教学考核体系，即如何评价实验教学的效果，如何评估学生通过实验教学环节所达到的学习效果，合理的考核评价制度能够对学生的学习产生积极的导向作用，是达到实验课程培养目标的有力保障[6]。该实验项目设计了两个考核环节，针对认知性实验内容，采用题库测试，将实验所设计的知识点转化为题目内容考核学生的认知效果，针对实操性内容，采用实验报告引导学生完成实操内容，并完成实验报告中的数据分析内容，考核学生的操作和分析能力培养的效果，具体如表1所示。

4结语

该实验将仿真实验场景和数据的“虚实结合”，基于项目组自行研制的微型涡喷发动机及配套试车台系统构建的，掌握全部测试数据，克服了发动机实物教具难以展视其内部复杂结构的不足，有效地解决了发动机台架试车教学实验成本高、学生受众面小、实验危险性大等难题。提高了实验探索性，大大提高学生的学习兴趣和教学效果，显著加深学生对发动机总体结构与性能的理解，使自主动手能力能得到明显提高。其该实验项目后期开发潜力大，在实验数据的处理可加入随机性变化，避免了学生在“唯一正确”的参数下开展重复的实验，后期还可在上游增加如“零件制造”、下游增加如“发动机控制参数”等方面的实验环节，可以进一步丰富内容和增加创新性。

参考文献

[1]高雪超,汤吉海.建设化工类国家虚拟仿真实验教学项目的实践和探索[J].化工高等教育,2020,37(6):93−96.

[3]李慧琳.微型涡喷发动机控制器开发研究[D].南京:南京理工大学,2021.

[4]李通一.微型涡喷发动机整机三维数值模拟研究[D].大连:大连理工大学,2019.

[5]于兵,黄向华,张天宏,等.基于虚拟仿真的“微型燃气涡轮发动机试车”实践课程的构建[J].工业和信息化教育,2021(6):82-85.

[6]张乐,赵晓东,郭云飞,等.麦克马斯特大学实验课程考核体系分析与借鉴:以控制系统导论为例[J].实验室研究与探索,2022,41(1):214-217.

作者:王炫 于军力 张青 付宇 单位:中国民航大学航空工程学院