虚拟实验在航空发动机教学中的应用与思考

郭 庆，赵洪利，闫国华

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

虚拟实验在航空发动机教学中的应用与思考

郭 庆，赵洪利，闫国华

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

从飞行器动力工程专业培养目标出发，针对实验教学面临的诸多问题，提出通过虚拟现实技术实现实验教学的模式创新，探讨了虚拟实验建设目标和解决方案，并介绍了虚拟实验在专业课教学中的应用情况，实践结果显示虚拟实验教学效果良好，得到师生的高度认可，最后详细阐述了虚拟实验教学的经验。

虚拟现实；VRML；民航发动机；信息化教育

虚拟现实技术作为教育信息化的一种手段已被广泛认同并被应用于教学实践。中国民航大学飞行器动力工程专业的部分教师从2005年开始开发3D航空发动机关键部件电子课件，到目前已开发出“民航发动机虚拟维修教学系统”应用于虚拟实验教学，8年的不断实践与完善，取得了一定的经验与教训。

1 传统实验教学面临的问题

实验教学是大学工科教育的特色，也是工程技术人才培养的重要手段。中国民航大学飞行器动力工程专业主要教学和科研方向为民用航空发动机科学使用与维修，该专业发动机实践类课程占有很大比重。目前传统的实验教学面临资金投入大，专业航发设备购置困难，实验内容陈旧落后，部分实验存在安全隐患等诸多问题。显然，传统的实验教学已不能满足当前实验教学和人才培养的需求。

利用计算机技术和虚拟现实技术构建虚拟实验平台，代替实物教学，不但可以满足实验教学的需要，而且降低了教学成本。虚拟现实技术为信息化教学新媒体应用开辟了一条道路，使个性化实践教学真正成为可能。同时，虚拟现实技术已成为实验教学研究的重要方面，许多大中专院校都在积极开展研究和探索[1-2]。早在2008年，科技部就启动了“十一五”国家科技支撑重点计划“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范”，该计划涉及虚拟实验的开发、评价与管理规范，以及虚拟实验教学可视化设计关键技术等内容。2010年，教育部公布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要》，文中明确强调加快教育信息化进程，加强优质教育资源开发与应用，提出开发建立虚拟实验室的要求[3-5]。由此可见，国家对虚拟实验及其应用非常重视。

虚拟实验建设是一个系统工程，为了更好地满足实际教学要求，课题组首先进行了详细的教学需求分析，制定出虚拟实验建设的目的。

1）传统发动机实践教学内容陈旧，偏于军机，民航特色不明显。虚拟实验应能解决教学内容偏离民航企业实际需求的问题。

2）传统的民航发动机价格昂贵、维护保管耗费大量的人力和物力，而且，学校办学规模不断扩大，使得设备投入问题越发困难。虚拟实验应能降低教学设备投入成本。

3）传统发动机教学内容抽象，理解困难，实践过程中鉴于安全考虑，许多实践无法开展。虚拟实验应能形象直观，保障人机安全，激发学生兴趣，提高教学效果与质量。

2 虚拟实验系统的构建

虚拟现实技术涉及三维建模、人机交互、数字化控制等技术。课程组专业教师将先进的虚拟现实技术应用于实验教学，对民航发动机实验教学进行改革创新。研发了具有民航机务特色的《民航发动机虚拟维修教学系统》。虚拟维修系统设计的目的是把虚拟现实技术作为学生的认知工具，将其整合到学科教学中去，使学生形象地建立起客观世界，有效地提高实验教学质量，激发学生学习兴趣，真正提高学生的机务工程实践能力。系统开发流程如图1所示。

图1 系统开发流程图Fig.1 System development flow chart

系统开发遵循“体现民航特色，满足教学需求”的宗旨，内容涵盖了发动机认知实习和机务实习，具体开发虚拟实验内容如下。

2.1 发动机电子样机

电子样机是综合应用三维数字样机（DMU）技术与虚拟现实（VR）技术对发动机进行真实化模拟，满足实践教学的各种功能，提供航线维护、基地修理的模拟环境。根据中国民航机队实际情况，本系统以B737和A320的动力装置CFM56与V2500为开发对象，以航线维护与基地修理经常出现的工作任务为研究对象，进行虚拟仿真设计。

电子样机开发的内容主要有：①CFM56和V2500整机模型；②机型的本体结构，主要是风扇单元体，核心机单元体（包含高压压气机、燃烧室和高压涡轮3个子单元体），低压涡轮单元体等；③主要系统及部件，如空气系统、滑油系统等。

2.2 图解零件目录

图解零件目录（illustrated parts catalog，IPC）的体现形式是部件二维图和相应的零件目录表，为机务和工程技术人员提供飞机发动机所有可更换的零部件的件号、名称等重要信息。IPC在教学上经常用来展示发动机结构示意图以及部件之间的关联关系。在早期教学过程中起到了一定的作用。由于现代发动机结构越来越复杂，传统的二维插图已无法满足教学使用，因此，利用仿真技术开发的三维IPC用于课堂教学和实践教学可起到加深学生认知的效果。通过三维演示可直观理解发动机布局和系统组成，清楚表达发动机和部件的结构，以及发动机各单元体间结构关系和装拆关系，充分展现发动机及各零部件内部的层次关系。

虚拟维修系统开发的IPC是根据 CFM56和V2500发动机IPC手册进行编写，其图形窗口显示与三维CAD软件风格完全一致，可以实现旋转、缩放、移动、透视和爆炸等诸多功能。系统用三维爆炸图来描述复杂产品零部件之间的关系，使其清晰易懂。零部件图形和零部件列表是智能关联，用鼠标点击图形后，其对应的零部件列表中内容也会高亮显示，反之亦然，极大提高了学生对零部件识别的效率，同时也保证了零部件查阅的准确性。此种形式有效地改进了教与学之间的交流方式，彻底避免了对于结构复杂部件无法描述或描述不清的情况，提高了学生对零部件认知能力，从而减少识别错误。

2.3 维修手册

维修手册（MANUAL）模块根据B737和A320的AMM手册中常用的航线维护程序内容编写的，其主要目的在于：①使同学了解发动机专业课程中介绍的内容在实际中的应用，使教学内容与工程实践紧密联系，加深学生的认识；②使学生熟悉今后的工作，为将来的工作奠定基础。

该模块用三维动画形象直观地展示典型航线维修工作的操作过程，减少文字的描述。系统将操作动画和文本同时关联起来，学生可观察发动机每一步的拆装动画，并与三维模型随时交互，如转动、局部放大、阅读相关联的文档等。学生可从不同角度充分了解各个部件是如何维修的。使用过程中，学生可顺序观看，也可根据需要选择性观看，大大提高了学习过程的自主性。对于原手册中的警告、注意事项等内容，系统在相关步骤演示过程中适时地通过对话框加以提示，有效地实现了拆装维修时的警示作用。

3 虚拟实验的应用现状

3.1 应用情况

基于虚拟现实的维修系统以光盘为载体便于携带，已广泛应用于航空发动机类的课堂演示教学及实践教学，现已在如下课程中应用。

1）航空发动机构造课程

以中国民航常用典型发动机为重点，反映民航发动机新技术，培养学生民航发动机结构分析的能力，使学生掌握航空发动机的类型及特点、航空发动机的总体结构、主要部件结构、主要工作系统的功用、组成和工作过程，演示效果如图2和图3所示。

图2 CFM56部件识别模块Fig.2 CFM56 component identification module

图3 虚拟实验系统应用实例Fig.3 Virtual experiment system application

2）航空发动机维修技术课程

以中国民航常用典型发动机为重点，反映民航发动机维修技术，培养学生维修民航发动机的能力，通过课程的学习，使学生掌握航空发动机的航线维护与内场修理的流程与方法，演示效果如图4所示。

图4 V2500起动机拆卸演示Fig.4 V2500 starter removal demo

3）航空动力装置课程

以民航发动机CFM56为讲授对象，主要介绍发动机本体结构及各系统的组成与工作原理。现已开发出CFM56关键系统的虚拟实践模块，包括重要系统各零部件的关联信息，结构展示、工作原理和控制原理演示等方面的功能，演示效果如图5所示。

图5 CFM56 HPTACC活门工作原理演示Fig.5 CFM56 HPTACC valve operation demo

3.2 应用效果

1）弥补传统教学不足 “民航发动机虚拟维修教学系统”应用于课堂教学，取得良好效果，有效地解决了传统实践教学无法实现的内容，如表1所示。从表中不难看出，虚拟实验教学在教学内容上更贴近民航实际机型和机务维修工作。因此，将虚拟现实技术科学合理地应用于教学对推动实验教学改革，促进实验教学发展具有重要意义。

2）提高教学质量 人对外部世界的认知约75%来源于视觉；然而，传统的发动机课堂教学，基本停留在以教师讲解为主，整个过程学生只是一个被动的接受者，不利于学生的学习。虚拟维修系统以现实世界的发动机数据为基础建模，采用三维图形表现虚拟世界，将其应用于航空发动机教学中，教学效果、教学质量和学生创新能力都有较大程度的提高。这种实践教学模式符合现代民航企业对机务工程人员的要求，因此具有较强的生命力，该系统在2008—2010级发动机构造课程中得到了全面应用，根据学校教学系统统计及课题组所做的调查，结果表明：①虚拟实践与传统实体实践的手段相比，具有新颖性，能激发学生的兴趣和吸引学生的注意力；②在能力培养方面，虚拟实践对学生的抽象思维能力的培养和推理分析能力的培养效果比较理想；③学生对系统辅助教学的效果认可度高，从学校教学质量数据中可看出，2008、2009级学生对使用该系统的航空发动机构造与系统所有任课老师的总体评价成绩平均值达到95分以上，且在“针对教学内容，合理运用教学方法与手段，且效果好”单项评定中，满意度平均值达到94.5%以上，2项结果明显高于未使用该系统的前几届学生，如图6所示。

表1 传统实物教学与虚拟实践教学比较Tab.1 Comparison between traditional and virtual training

4 结语

综上所述，虚拟实验教学已经实践了数年，有效解决了教学实践的诸多问题，得到广大教师和学生的认可，分析其原因可归结为以下几点。

1）培训内容科学，充分体现民航特色 教学内容是学与教相互作用过程中有意传递的主要信息，虚拟教学系统设计的内容是作为教学内容的一个“载体”，是发挥实际作用的教学内容。中国民航大学飞行器动力工程专业课程有着鲜明的民航特色，教学内容侧重于民航发动机的科学使用、维护和修理。为满足学科特点，民航发动机虚拟维修教学系统以CFM56和V2500为研究对象，有效地填补了现代民航发动机结构和维护教学素材的空白。同时，系统内容以飞机维护手册和航发制造商的各种技术文档为基础，实现了教学内容的规范化和标准化。虚拟系统培训内容全部是现阶段航空公司的主力机型，培训内容规范和权威，能满足企业实际工程需求，因此得到学生的普遍欢迎。

图6 航空发动机构造课程近年学生评价Fig.6 Student’s course feedback of Aero-Engine Structure in recent years

2）电子样机技术先进，满足课堂教学要求 由于采用新型轻量化设计，3D文件容量大幅减少，实现了教学模型浏览刷新速度快，仿真效果好等特点。电子样机的数据量由原来的十几个G，减少到几百M，页面刷新由原来的两三分钟，缩短到十几秒，充分节省了课堂教学时间，满足了课堂教学的使用要求。同时，利用虚拟现实技术，可随着引入的新发动机，对仿真机型进行升级更新，为教学内容紧跟企业需求奠定了基础，解决了教学与民航实际脱节的问题。同时，有效地弥补了教学资源的不足，降低了教学成本。最终实现将发动机“装进”教室的目的。

3）交互功能友好，激发学习兴趣 传统发动机理论课教学枯燥无味，教学效果不佳。为真正发挥虚拟实验的作用，系统的设计汲取前人经验，以学生为中心，而不是以技术为中心，重视使用者的操作体验，激发兴趣，提高了学员的参与程度。通过采用HTML+ VRML+JAVASCRIPT平台，设计开发了交互功能，系统界面以菜单、图符、窗口为主，从使用者角度考虑捕捉交互意向，提高界面交互的自然性和高效性。与早期的虚拟技术相比，具有卓越的演示能力，不仅能够对航发设备复杂隐蔽区域进行立体展示，还能模拟关键系统的工作原理，更突破了机务培训实习项目在真机上实施困难的瓶颈，保障人机安全，改善教学效果。

4）教学模式新颖，提高教学效果与质量 先进的教学设施，为教学模式创新提供了物质基础。针对工程教育的特点和学生的认知规律，将抽象的教学内容转化为虚拟场景下的仿真演示，实现了情境式课堂教学模式。由于给学生创设了真实学习情境，可以帮助学生获得示范性的知识，把握概念原理的实质。航空发动机情境式教学模式实现了工程应用与教学的完美结合，扩大了课堂容量，增加了学生的互动体验，实现了教学效益最优化，完善了教学改革内涵。

[1]马岑睿，严 聪，张成涛.火箭发动机工作过程仿真实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2011，30（9）：148-151.

[2]郭美荣，侴爱辉，夏德宏，等.可视化教学法在实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2012，31（11）：128-130.

[3]葛 岩，杨 雪.国内虚拟实验研究的定量分析[J].实验技术与管理，2012，29（6）：99-102，124.

[4]黄荣怀，郑兰琴，程 薇.虚拟实验及其学习者可信度认知[J].开放教育研究，2012，18（6）：9-15.

[5]蒋耘晨.虚拟实验室技术[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

（责任编辑：黄 月）

图2 在控制器（18）下的系统误差ei1（t），ei2（t）,ei3（t）Fig.2 Synchionization errors ei1（t）,ei2（t）,ei3（t）under updating law(18)

参考文献：

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[3]GUO W，AUSTIN F，CHEN S，et al.Pinning synchronization of the complex networks with non-delayed and delayed coupling[J].Physical A，2009，373：1565-1572.

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[7]WANG G，CAO J，LU J.Outer synchronization between two nonidentical networks with circumstance noise[J].Physica，2010，A389：1480-1488.

（责任编辑：党亚茹）

Application and reflection of virtual experiment in aero-engine teaching

GUO Qing，ZHAO Hong-li，YAN Guo-hua
（College of Aeronautical Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

Starting from the training aim of Aircraft Dynamic Engineering and problems occurred in experiment teaching, virtual experiment is put forward to promote experiment teaching innovation.The constructing objectives and corresponding solutions of virtual experiment teaching are discussed;meanwhile,some practical instances in professional course teaching are introduced,proving the sound effectiveness of this approach and positive feedbacks from teachers and students.Finally,some reflections about virtual experiment teaching are elaborated in details.

virtual experiment；VRML；aero-engine；informationized education

V23；G43

：A

：1674-5590（2014）06-0060-05

2013-09-01；

：2014-03-14

天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目；中国民航大学教育教学改革研究课题（CAUC-ETRN-2013-12）

郭庆（1976—），男，湖南临武人，副教授，研究方向为数字化维修技术.