航空发动机控制课程团队式教学模式的改革与探索

符江锋 缑林峰 李华聪 马静

摘 要：航空发动机控制课程是飞行器动力工程核心专业课程，该课程的教学效果不仅对于学生理解理论知识具有关键作用，还对学生实践创新能力的培养至关重要。文章通过对航空发动机控制专业课程的理论教学进行两结合一调整的改革探索，并充分利用航空发动机情景演示教学平台与控制系统快速原型设计实验平台，以突破传统实验教学的局限性。其次在航空发动机原有教材的基础上，结合学科的教学要求以及近年来行业的发展方向进行教材知识内容的更新，最后以教学团队模式构建更加科学合理的课程体系和教学团队结构，进行课程体系建设与改革。通过理论与实验教学改革、教材内容更新和教学团队建设三个方面进行了有益的改革探索，有效激发了学生的学习兴趣，提高了学生的综合实践能力和创新能力。

关键词：航空发动机控制；教学改革；团队建设；创新能力

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2096-000X（2018）17-0130-03

Abstract： The Aero-Engine Control is one of the major courses of Aircraft Power Engineering majors. The teaching effect of this course is not only crucial for students to understand theoretical knowledge， but also for cultivating students' practical ability. This thesis adjusts and reforms the theoretical teaching of the Aero-Engine Control， making full use of the aero-engine scenario demonstration teaching platform and the control system rapid prototyping experimental platform to break through the limitations of traditional experimental teaching. Then， based on the original teaching materials of aviation engines， combined with the teaching requirements of the curriculum and the development of the industry in recent years， the teaching materials is updated. Finally， a more scientific and reasonable curriculum system and teaching team is constructed. Through the reform of theory and experiment teaching， the way of updating the teaching content and constructing the teaching team are discussed， which has effectively stimulated students' interest in learning and improved students' comprehensive practical ability and innovative ability.

Keywords： aero-engine control； teaching reform； team building； innovation ability

航空發动机控制系统/航空发动机控制元件是飞行器动力工程专业本科生高年级的一门专业核心课程，该课程涉及“航空发动机原理”、“自动控制原理”、“计算机控制”、“电工电子技术”及“液压传动与伺服控制”等诸多课程，是从事航空发动机控制系统设计与实现工作的专业核心课程[1]。该课程综合了大量的专业基础课程，具有承前启后的重要作用。相比与其他控制专业类课程，还具有一些显著的航空发动机专业特点。首先，所研究的控制对象航空发动机是一极其复杂的气动热力机械，前期涉及课程较多，基础知识涉及面广，所以学习中容易出现前后知识衔接不畅等问题；其次，课程教学中一项重要内容是讲解发动机控制系统的结构、工作原理等，在不便于实物展示的情况下，依靠传统教学手段，学生往往不能直观深入理解教学内容；再者作为3C之一的控制理论处于迅猛发展中，新理论新方法层出不穷，其也使得航空发动机控制研究的热点不断，原有的教材尚未将最新研究补充和更新，以上因素都增加了课程“教”与“学”的难度。

随着航空发动机相关技术的不断发展，航空发动机控制的教学工作在各方面、各领域也在不断进行积极探索并得到了发展[2]，如虚拟教学实验系统[3，4]、快速原型实验教学平台[5]以及案例式教学[6]、混合式教学理念[7]等多种理论与实验教学方法均取得了良好的教学效果。此外，针对专业核心课程的教学工作逐渐由教师独立讲解演变至教学创新团队模式[8]，个体化的教学行为朝着体系化的教学模式去发展[9]，从而形成一只多方协作科学合理的师资队伍，能够构建更加科学合理的课程体系和教学团队结构，保证高质量教学工作。本课程结合近年来国内外航空发动机控制技术发展的最新理论与成果，在教材内容更新上力求课程内容系统全面又与时俱进，在此基础上通过理论与实验教学新方法的改革和教学团队模式的构建等方面进行有益的改革探索，使学生能全面地掌握航空发动机控制课程的培养要求，为今后进一步学习航空发动机控制和进入工作岗位打下坚实的基础，提高运用控制理论解决实际问题的能力。

一、课程改革总体建设规划

充分利用已有课程建设成果和基础，同时进一步深化课程体系、教学内容和教学方法的改革，吸取国内外同类课程教学的优点，改进不足，采用理论与实验教学相结合的改革方法进行“航空发动机控制”课程的建设。

（一）理论教学方法改革

课程以讲授为主，注重学生思维能力、动手能力和自学能力的培养。采用的“两结合一调整”的教学方法和手段，提高理论教学质量。

1. 课堂讨论与问题探索相结合

针对课程中的基础理论或主要疑难问题，在学生独立思考之后，共同进行讨论、辩论，并将全班学生分成大组进行讨论，并组队完成相关文献查询、问题分析、解决方案设计与实现等方面的尝试与实践。加深学生对基本理论的理解与分析问题、解决问题能力的培养，为今后从事控制系统设计相关工作奠定必要的技术基础与素养。

2. 课堂教学与自学相结合

在课堂教学之余为了培养自学能力，在授课中安排适量的自学内容，并采用答辩的形式对学生自学情况实现反馈，以对其知识掌握程度、学习方式、理解问题的角度等方面进行了解，并给出适当的建议与指导。

3. 教与学的动态调整

根据教学情况及学生的反馈情况，对课堂教学方式和内容进行动态调整，教学相长，走出一种有利于学生掌握知识和应用知识的教学方式。

（二）实验教学方法改革

1. 生动形象的演示与身临其境的实践相结合，突破传统教学方式的局限性

将虚拟现实技术与发动机课程实验教学相结合。使学生从视觉上对航空发动机内部工作状态有形象直观的认识。图1为航空发动机情景演示教学平台，通过三维交互、视景仿真等手段，使学生获得视、听、触等感知体验，充分的发挥教学实验室和认知实习等环节，给学生进行实物或直观教具/3D模型展示，或者作示范性的实验。

通过实际观察获得感性知识以说明和印证所传授知识的方法。在课程中适当引入工程实例，使学生在学习的过程中了解所学理论在航空发动机控制中如何应用及应注意的问题，并增强理论联系实践、从现实中来到现实中去的现代科学观念。

2. 依托发动机控制系统快速原型设计实验平台，深度理解航空发动机控制的课程内涵

目前航空发动机设计正逐步从“传统设计”向“预测设计”转变，预测设计主要是在建立较精确的数学模型、优化设计和虚拟现实仿真的基础上，把大量的设计及修改放到计算机上进行。

图2为发动机控制系统仿真实验平台原理框图。该实验平台基于快速原型设计原理，是一套基于总线模式的小型化接口通用的嵌入式仿真模块，本质上是将航空发动机控制系统细分为更具体执行部件的子模块模型。最后将各个子系統集成于一体，进行整个发动机控制系统的综合性能仿真。通过实验教学的深度学习，从而增强学生系统性分析与解决实际问题的能力，提高学生的专业素质。

三、教学内容和教材更新

结合学科的教学要求，以及近年来行业的发展方向，按照从共性到个例、从细节到总体、由点到面的教学思路，对航空发动机控制系统的教材进行更新，使学生在学习教材中能够触类旁通，达到举一反三的效果。更新教学内容和教材为：

（一）新增部分机械液压控制系统中所用到的基础理论知识

如机械液压系统中计量活门计算常涉及的小孔节流公式；通过相似类比的方式，从电路原理引入液压桥路等基本概念，以及数学运算如何利用机械液压结构来实现等基础问题。

（二）新增机械液压控制系统中常见的液压元件的讲解内容

总结国内外典型型号航空发动机的机械液压控制装置或数字电子控制器的机械液压部件，归纳出通用的几类典型元件或组件，如计量活门、压差活门、层板节流器、节流嘴、膜盒、凸轮、杠杆等，针对其共性问题进行介绍，并对（一）中所介绍的基础理论如何应用在以上液压元件计算进行详细介绍。

（三）新增部分机械液压控制系统中常见的组件

包括常见航空涡扇发动机机械液压控制系统中常见的组件，如计量装置、转速转换装置、加减速控制器、起动控制器、燃油分配器、导流叶片控制器、静子叶片控制器、尾喷管面积控制器、加力燃油调节器等，对其工作原理及如何由液压元件集成进行详细分析。

（四）新增航空发动机典型机械液压控制系统的原理与结构

结合典型机械液压控制系统，如军用加力混排涡扇发动机AL-31F、Spey、商用分排涡扇发动机CFM56、军用涡轮轴发动机PT-6C等发动机的控制系统，系统地介绍机械液压控制系统的整体结构、需注意的要点以及设计过程中的考量等问题。

（五）以某型航空发动机机械液压控制系统为例，由元件级到系统级建模，进行全系统仿真分析。

利用VC++、MATLAB/Simulink、AMESim、ISight、ADAM

S、Motion.Lab等工具，以某型航空发动机机械液压控制系统为例，根据（一）中所介绍的基础理论，对其进行从元件→组件→系统的数学建模工作。借助所建立的模型，并结合所介绍的工作原理，对控制系统进行深入讲解，使教学的理论与实际工程应用相挂钩，理论与实际相结合。

通过教材的更新，加入联系航空发动机控制系统实际应用方面的理论教学，使学生能正确掌握典型航空发动机控制系统的基本理论与方法，能完成对航空发动机控制系统的分析与设计，并为相关后续课程以及未来从事控制系统设计工作奠定坚实的基础。

四、教学团队建设与改革

根据专业定位和特色，以及教学改革总体思路，确立团队建设规划，以学校的优势特色专业和精品课程为建设平台，集中精英师资队伍，建设高水平教学团队。积极开展专业建设、课程体系建设与改革，根据控制学科的发展趋势，开展“航空发动机控制”团队建设，构建更加科学合理的课程体系和教学团队结构。

（一）建立高效协作的内部管理与运行机制，激发团队成员的主观能动性和创新能力

教学团队的内部管理与运行机制对激发团队成员的主观能动性和创造力至关重要。具有强大协同力的教学团队，应构筑和谐包容的文化氛围，鼓励学术争鸣，保护学术自由，倡导团结协作，实现共同奋斗。在这样的文化氛围下，建立高效协作的内部管理与运行机制，实现领导权与决策权共享，使每个成员享有权利，承担义务，共同为团队建设发挥自己的独特作用。教学团队不同于其他类型组织，团队中的成员都是知识技能共通互补的教师，他们没有等级划分，通过向学生传授知识和技能，为团队目标的实现做出自己的贡献。团队带头人虽然在团队发展中具有重要作用，但团队其他成员同样与其共同享有领导权和决策权，团队的发展和重大问题应在充分沟通、彼此信任的基础上达成共识。只有这样的内部管理机制，才能充分激发团队成员的主观能动性和创造力，实现教学团队的和谐发展。

（二）根据教学团队的人员结构，制定新进青年教师的“跟学、跟练、跟教”培养方案

对青年教师进行教学技能与方法的指导，实行“学与练”、理论结合实践的反馈式教学方法改进策略，推进老教师对新教师的传帮带工作。

（三）建立有利于高水平教学团队建设和发展的评价考核机制

评价考核机制对教学团队的建设发展具有重要影响，应充分认识教学团队的特性，建立有效的评价考核机制。教学团队的重要特征之一，就是团队成员之间的协作和集体目标的实现。基于这一特征，对教学团队的绩效评价，应改变重个人业绩考核为个人业绩与团队业绩并重的考核机制，由单纯的数量考核向更加重视质量评价转变。如在教学质量考核方面，更加注重团队整体的教学效果，并不针对团队成员个人进行考核。团队成员需要使用教学质量评价结果时，也以团队评价结果为准。这样的评价机制有利于促进团队内部关系融合，调动教师协同工作的積极性。

五、结束语

航空发动机控制是飞行器动力工程专业重要的专业核心课程，论文通过理论教学方法改革、实验教学方法改革、教学内容和教材更新和教学团队的建设等措施，将“两结合一调整”及虚拟现实技术、快速原型设计技术等实验技术新方法与航空发动机专业教学相结合，并构建更加科学合理的课程体系和教学团队结构，探索了新时代下航空发动机专业核心课程的理论与实验教学新方法。通过不断改进并探索教学方法，促进学生基本素质与综合能力的培养与发展，对培养学生学习兴趣、夯实学生基础知识以及进行后续课程的学习具有重要的作用。

参考文献：

[1]潘慕绚.“航空发动机控制元件”课程的教学实践[J].科技信息， 2009（19）：141.

[2]施永强，杨青真.航空发动机教学实验仿真平台设计[J].高校实验室工作研究，2012（04）：60-62.

[3]刘振侠，高文君，张丽芬.航空发动机虚拟教学实验系统的建设与应用[J].价值工程，2013（11）：181-182.

[4]郭庆，赵洪利，闫国华.虚拟实验在航空发动机教学中的应用与思考[J].中国民航大学学报，2014，32（06）：60-64.

[5]张冬冬，黄金泉，鲁峰.航空发动机健康管理系统的快速原型设计[J].航空发动机，2014，40（04）：89-94.

[6]付宇，王炫，彭鸿博，等.航空发动机状态监控与故障诊断结合案例实验教学的探索[J].课程教育研究，2017（01）：244.

[7]王正鹤，魏振伟，赵辉，等.基于混合教学理念的《航空发动机原理》教学模式探索[J].高教学刊，2017（18）：94-96.

[8]葛京凤，张军海.基于特色专业建设的高校院级教学创新团队建设研究[J].河北师范大学学报（教育科学版），2013，15（10）：72-76.

[9]王永华，杨欣毅，沈伟，等.《航空发动机原理》特色教学体系研究[J].教育教学论坛，2013（38）：94-95.