《航空发动机结构分析》四维一体教学模式探索

郑龙席　贾胜锡　李勍　马跃阳

摘  要：《航空发动机结构分析》是飞行器动力工程本科生专业必修课程。该门课程帮助学生从宏观上认识航空发动机，掌握航空发动机结构设计的基本原则和结构分析的基本方法，对学生专业知识素养的建立至关重要。针对现有教学中存在的课程内容繁杂、部分内容抽象难以理解等问题，文章提出了一种“实体模型参观+网络课堂+传统课堂讲授+教材”的四维一体、相互渗透的教学模式，并进行了初步探索，旨在为学生提供随时、随地、多种形式的学习方式，使他们更快更好地掌握航空发动机结构的相关知识。

关键词：航空发动机;结构分析;四维一体;教学模式

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2019）19-0100-03

Abstract： "Aero Engine Structure Analysis" is a compulsory course for undergraduate students in aircraft power engineering. This course helps students understand the aeroengine from a macroscopic level， masters the basic principles of aeroengine structural design and the basic methods of structural analysis， and is crucial to the establishment of students' professional knowledge. Aiming at the problems of the existing course content and the difficulty in understanding some of the content， the article proposes a four-dimensional and interpenetrating teaching mode of "physical model visit + network classroom + traditional classroom teaching + teaching materials". The initial exploration aims to provide students with any form of learning at any time， anywhere， and in various forms， so that they can quickly and better master the knowledge of the structure of the aero engine.

Keywords： aero-engine; structural analysis; four-dimensional integration; teaching mode

一、背景

《航空发动机结构分析》是传统航空院校飞行器动力工程本科专业的必修课程。该课程系统、全面地介绍航空发动机结构的基本知识，分析航空发动机结构设计的原则、需要解决的矛盾，并结合国内、外现役与在研的军、民用航空发动机针对典型结构进行细致讲解。通过该门课程的学习，使学生能够从宏观上掌握航空发动机这一复杂研究对象。因此，该门课程是飞行器动力工程专业至关重要的一门专业课。

然而，在实际教学过程中，鉴于以下几方面原因，导致学生不能很好地掌握航空发动机结构知识，学习积极性不高：

1. 课程内容繁杂。该门课程包括对压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、排气装置、总体结构和附件等航空发动机主要零部件的功用分析，以及对许多典型方案进行分析，内容繁多复杂，学时有限，学生不容易把握内容整体的条理性。

2. 课程内容抽象。该门课程涉及到的理论知识与实际脱节，学生在缺乏对航空发动机实际研发、制造、装配和检测过程直观感受的情况下，很难借助教材中抽象的二维图来理解典型结构的具体特征，教材中个别图像甚至不清晰。

鉴于以上原因，在现有教材和以课程讲解为主的教学模式下，导致学生对个别知识点的掌握往往似是而非。随着计算机网络等技术的发展，传统的教学模式逐渐向着多媒体融合方向发展[1]，航空发动机结构的教学工作也在不断进行探索，如现场教学[2]、加强三维设计[3]、多媒体教学[4]、混合教学[5]、团队式教学[6]等。为了改变现有教学过程中存在的问题，提升该门课程的教学效果，西北工业大学“航空发动机结构与强度”教学团队结合国内最新的教学改革成果与教学理念提出了“四维一体”教学模式，并进行了初步探索，本文介绍了这种教学模式改革的理念与探索结果。

二、教学改革思路

“四维一体”教学模式的理念是最大程度利用计算机和多媒体技术改善传统教学模式，以达到丰富教学内容、提高教学质量的目的。其核心是建立该课程三维虚拟教学模型，针对学生难以理解的结构部件，建立其三维虚拟模型，并制作教学视频动画，同时将虚拟模型通过3D打印制作成实体模型。实体模型可放在专门的陈列室供学生课余参观;教学视频动画可作为素材建立网络课堂;在传统的课程教学中，所建立的虚拟模型和视频动画可作为补充材料丰富课程教学的内容与手段;最后是在已有教学素材的成果上更新现有教材，具体做法是将建立的虚拟模型加入已有教材中，更换教材中原有的二维图/不清晰的草图等，并借助二维码技术将教学视频动画连接到对应的部件结构处。如此一来，形成了“实体模型参观+网络课堂+传统课堂讲授+教材”四个维度的教学方式，见图1。四种方式相互渗透，共同作用，让学生更快更好地掌握航空發动机结构分析相关知识。

三、教学改革内容

（一）实体模型

教学团队前期对《航空发动机结构分析》教材中知识点进行汇总和分析，整理出需要借助三维虚拟模型来完善和补充知识点，通过三维造型软件（Autocad以及Solidworks）绘制出部分零部件的三维结构，最后用3D打印机将其打印成实体模型。图2所示为3D打印机正在打印压气机盘模型。图3所示为折流燃烧室的教材配图以及对应的三维虚拟模型和实体模型。教材配图为手工绘制的截面图，截取的是燃烧室中间剖面部分，且仅有上半部分。该部分知识点要求借助该图讲解折流燃烧室的零/部件组成、工作过程和气流流动过程。教师在授课时，往往需要通过很多讲解才能让学生掌握这一知识点。如果讲解不是很细致，学生根本无法了解折流式燃烧室的具体结构和进气、点火过程。制作了三维实体模型后，该燃烧室的结构一目了然，教师在讲解这一知识点时，可以同时向学生展示实体模型，也可以将实体模型放置在专门的陈列室，供学生参观。

（二）网络课堂

在建立三维虚拟模型的基础上，根据工作原理和工作过程，将相关结构的零部件运动过程、气流流动过程做成动画，再配上相应的解说词，制作成教学视频。以教学视频为主要素材，再补充《航空发动机结构分析》课程相关的教学PPT、教学大纲、习题库等资料，构建教学网络资源平台，形成网络课堂。网络课程使学生更容易地获取大量学习信息，配合课堂讲解，可供学生课余参考，也可以自学，从而使学生的学习效果更佳。网络课堂也提供了一个交流平台，教师可以在网络课堂上布置作业、进行学习辅导答疑，使学生和教师充分互动。

（三）课堂教学

原有的课程教学是教师根据课本内容制作教学PPT，然后借助教学PPT逐一讲解知识点。遇到理解起来比较困难的知识点，传统的课堂教学方式就很难进行下去。加之该门课程知识点繁多，课时不断在压缩，有限的学时里教师讲授的知识点越来越密集，学生一时难以接受大量知识点，导致对很多结构的理解往往流于表面。改革后的课堂教学将融入大量的教学视频，简单的知识点学生看一遍视频就可以理解，不再需要教师讲解;复杂的知识点可以教师先讲授，再给学生看教学视频，加深理解。图4所示为压气机鼓盘装配过程教学视频截图。教师在讲解的同时，可以展示实体模型。通过实体模型和三维虚拟模型的融入，使得传统课堂教学内容更加丰富，趣味性更强。

（四）教材

在教材方面，结合以上研究成果对旧教材进行更新。首先用新的三维虚拟模型图替换掉原有教材中比较抽象或者不清晰的二维图，例如图3（a）中折流燃烧室的剖面草图。然后，对应的知识点处附上二维图，扫描二维码自动连接到该结构的教学视频上。最后，就是要对教材结构进行重新编排，原有的《航空发动机结构分析》教材是以横向展开为主，缺乏能够串联起整个知识点的线索，导致结构松散。新编教材应该以某款比较成熟的发动机结构为主线展开，在压气机、涡轮、燃烧室等关键部件的章节，先讲授该发动机的结构，再对该发动机未采用但同样典型的其余结构横向展开。如此一来，教材更好理解，结合网络课堂和实体模型参观，学生完全可以自学。

四、结束语

“四维一体”教学模式改革旨在为学生提供随时、随地、多种形式的学习方式，使得学生可以通过课堂、教材、实体模型、网络课堂开展《航空发动机结构分析》课程学习，而不是拘泥于传统的课堂学习，大大扩展学生的学习时间和学习空间，将原本较为复杂繁多的课程知识点分散到平时的零散学习中，让学生更加轻松地学习，更加从容应对考试，更快掌握航空发动机结构的相关知识。

参考文献：

[1]黄惠春，胡仁杰.“数字系统课程设计”精品课程建设[J].实验室研究与探索，2011（30）：143-145.

[2]徐穎.航空发动机结构与强度课程设计教学改革的探索和思考[J].教育教学论坛，2015（18）：79-80.

[3]孙志刚，宋迎东.“航空发动机构造”现场教学改革与实践初探[J].工业和信息化教育，2016（4）：86-89.

[4]徐颖.小议《航空发动机强度计算》的多媒体教学[J].教育教学论坛，2016（16）：257-258.

[5]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.

[6]符江锋，缑林峰，李华聪，等.航空发动机控制课程团队式教学模式的改革与探索[J].高教学刊，2018（17）：130-132.