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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容。隨著現代教育理念的不斷深化，虛擬仿真實驗作為傳統實驗項目的補充逐漸受到各高校的重視。項目組根據自主研發的實驗設備設計了以能力培養為目標的微型渦噴發動機裝調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，以實現工科學生綜合能力培養為目標，以發動機裝配調試和測試分析為主要實驗內容，以題目測試、過程實操、和數據分析為考核，以較低成本實現較高的學生培養效果。

關鍵詞：微型渦噴發動機；虛擬仿真實驗；裝配調試；數據分析

高校實驗教學是高等教育教學非常重要的組成內容[1]?！笆奈濉币巹澋?00項重點項目中航空發動機名列首位，從中可以看出國家大力發展航空發動機的決心。因此，培養什么樣的人才成為飛行器動力工程專業的重要課題。飛行器動力工程專業作為典型的工科專業，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動機產業的戰略升級。該項目組在傳統的航空發動機理論課程的基礎上，結合教師科研、學生創新實踐項目，開發了基于實驗數據的“微型渦噴發動機裝調與試車虛擬仿真實驗項目”，該實驗項目以培養學生基本理論知識能力、實踐能力以及數據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動機的零件裝配、調試，以及試車測試全過程，既在安全的環境中開展了沉浸式虛擬實驗，又可對實驗結果進行分析，得出發動機性能變化和規律。

1實驗設計思路和目標

該實驗項目的培養對象為飛行器動力工程專業，實驗設計定位為綜合虛擬仿真實踐項目，旨在面向航空發動機設計、制造、維修等相關行業，對基礎知識扎實、設計能力突出、實踐操作熟練的綜合性、創新型高素質人才的迫切需求，依據我國產業升級轉型的發展趨勢，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，綜合運用“基礎知識、綜合分析、創新能力”這3個層面的實驗環節，構建從認知→實操→分析的遞進式的教學體系，對飛行器動力工程專業的知識進行全面強化和創新實踐訓練，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“創新能力培養”的實踐學習過程。該項目選擇微型渦噴發動機為代表性實驗對象，具體如圖1所示。微型渦噴發動機與常見的渦噴發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、燃燒室為環形蒸發管式、渦輪為單機軸流式、尾噴管為簡單收斂式；結構通常非常緊湊，無論和壓氣機為同軸，無獨立的潤滑系統；可選擇不同中點火和起動方式；通常轉子系統尺寸小，因此需要具有較高的設計轉速來完成做工[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構復雜不易理解、成本高、安全系數低、實驗周期長、探索空間不足、創新能力培養不足等問題，達到安全性高、成本低、創新性好的教學效果；（2）培養學生強化設計、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，綜合運用發動機原理、構造、裝配調試、測試分析等知識，探索并解決復雜機械工程技術問題，體現創新意識，培養能解決復雜工程問題的高素質創新人才。

2實驗原理

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

3實驗過程設計

3.1總體結構認知實驗設計

該實驗環節采取講解、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構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。主要內容包括：了解微型渦噴發動機的主要部件、功能、零件組成、工作機制；分析微型渦噴發動機轉子支承方案、軸承承力方向、推力分布等特點。該環節允許學生在虛擬實驗場景中完成發動機結構的透視、縮放、角度變換等操作，配合相應知識點分析，克服傳統教學“重理論講授、輕實物分析”的不足。

3.2裝調實驗設計

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

3.3試車實驗設計

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

3.4實驗考核設計

高質量的實驗課程體系設計不但包含實驗內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節所達到的學習效果，合理的考核評價制度能夠對學生的學習產生積極的導向作用，是達到實驗課程培養目標的有力保障[6]。該實驗項目設計了兩個考核環節，針對認知性實驗內容，采用題庫測試，將實驗所設計的知識點轉化為題目內容考核學生的認知效果，針對實操性內容，采用實驗報告引導學生完成實操內容，并完成實驗報告中的數據分析內容，考核學生的操作和分析能力培養的效果，具體如表1所示。

4結語

該實驗將仿真實驗場景和數據的“虛實結合”，基于項目組自行研制的微型渦噴發動機及配套試車臺系統構建的，掌握全部測試數據，克服了發動機實物教具難以展視其內部復雜結構的不足，有效地解決了發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，顯著加深學生對發動機總體結構與性能的理解，使自主動手能力能得到明顯提高。其該實驗項目后期開發潛力大，在實驗數據的處理可加入隨機性變化，避免了學生在“唯一正確”的參數下開展重復的實驗，后期還可在上游增加如“零件制造”、下游增加如“發動機控制參數”等方面的實驗環節，可以進一步豐富內容和增加創新性。

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.微型渦噴發動機控制器開發研究[D].南京:南京理工大學,2021.

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

[5]于兵,黃向華,張天宏,等.基于虛擬仿真的“微型燃氣渦輪發動機試車”實踐課程的構建[J].工業和信息化教育,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