航空活塞发动机气缸磨损诊断虚拟仿真实验教学项目建设与探讨

张国庆，杨庆祥，黄燃东，蒋明松

（1.安阳工学院飞行学院，河南安阳455000；2.航太信息科技（上海）有限公司，上海200000）

2010年5月国务院常务会议审议并通过的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》将“加快教育信息化进程”作为专题重点阐述，并指出“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”[1]。2012年3月，教育部印发《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，要求推动信息技术与高等教育资源深度融合，建立优质数字教育资源和共建共享环境[2]。2013年8月，教育部高等教育司颁布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号），启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，按照分年度、分批次建设原则，共计划建设500个左右虚拟仿真实验教学中心。2017年7月，教育部办公厅发布了《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4号），启动了示范性虚拟仿真实验教学项目的建设工作，按照先建设应用、后评审认定并进行持续监测评估的方式，分年度、分批次建设1000项左右虚拟仿真实验教学项目，进一步提高实验教育质量水平，共享优质教学资源。2018年6月，教育部发布了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（教高函〔2018〕5号），指出国家级虚拟仿真实验教学项目是示范性虚拟仿真实验教学项目的进一步深化与拓展，而虚拟仿真实验教学项目是虚拟仿真实验教学中心建设的重要内容之一。

安阳工学院(以下简称“我校”)在虚拟仿真实验教学项目的建设过程中，坚持应用型人才培养理念，依托航空特色学科专业，合理选取实验教学内容，细化实验操作步骤，通过校企合作模式，全面推进信息科学技术与实验教学内容的有机融合，积极探索实验教学的网络化、智能化、共享化，建立创新多样的教学方式，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，以高质量实验教学助推高等教育教学质量实现变轨超车。

1 虚拟仿真实验教学项目建设意义

航空活塞发动机气缸磨损诊断虚拟仿真实验教学项目是以我校飞行技术、飞行器制造工程、交通运输（民航机务工程）等航空类特色专业为依托，以航空发动机课程为载体，以拓展学生实验教学资源为指向，以培养学生综合实践创新能力为目标而建设的实验教学项目。

航空活塞发动机是提供航空器飞行动力的往复式内燃机，发动机带动空气螺旋桨等推进器旋转产生推进力，在其工作过程中，活塞与气缸产生高速相对运动，两者之间会有摩擦作用力存在，随着发动机工作时数的增加，气缸会因相互间摩擦作用而磨损，其磨损程度可直接导致航空器飞行性能、安全性能下降。为保证航空器实现安全稳定飞行，航空活塞发动机气缸磨损诊断是航空器维修及定检过程中必不可少的一项检测项目。由于购置航材费用较高，实验室实物无法满足教学和培训需求，同时实验室器材破损率较高，极大增加了后期维护费用。为解决传统教学过程中的一些难题，我校以优质实验教学资源开放与共享为目标，根据“虚实结合、虚实互补”的教学思想，将虚拟仿真技术引入实验教学，开发建设航空活塞发动机气缸磨损诊断虚拟仿真实验教学项目，实现线上线下教学相结合，极大拓展了学生的学习空间和学习资源，丰富了学生的学习方式。

通过该虚拟仿真实验教学项目，学生初步了解航空活塞发动机气缸磨损诊断的相关实验步骤与具体操作流程，更准确地理解其实验原理，掌握相应知识要点，学习的主动性和积极性不断增强，思考能力、分析解决问题能力和实际操作技能不断提高。

2 虚拟仿真实验教学项目建设方法

航空活塞发动机气缸磨损诊断虚拟仿真实验教学项目，采用虚拟仿真信息技术，构建虚拟三维视角航空活塞发动机模型及工作平台，结合人机交互模式，实时再现航空活塞发动机气缸磨损诊断实况，使学生沉浸至具体实验操作场景中。如图1所示。

图1 虚拟仿真实验场景

在该虚拟仿真实验教学项目中，分别设置有训练模式和考核模式两个模块，学生通过账号登录至实验界面后可自行选择实验模式，如图2所示。在训练模式下，实验系统通过文字、动画等方式逐步提示学生进行具体实验操作步骤，若学生在实验过程中遇到难点时，可以点击“帮助”按钮查阅问题具体解决方案。同时，在该模式下，学生对具体实验操作步骤可实现可逆操作，进一步熟悉实验原理及具体操作流程。

图2 虚拟仿真实验模式选择界面

若学生对该虚拟仿真实验项目的实验原理及具体实验操作步骤均已掌握，可选择进入考核模式对该实验项目进行考核评测。在考核模式下，学生需在无任何文字、动画直接提示的情况下，独立完成实验操作步骤。在实验过程中，若学生遗忘某一具体实验操作步骤，可点击系统页面中“请求提示”操作按钮，获取对应实验操作步骤提示信息，但每次请求帮助均会在最终实验考核成绩中扣除对应分数。待所有实验操作步骤结束后，学生需整理分析实验所得数据，在线填写并提交实验总结报告。实验系统会对整个实验操作步骤及实验总结报告进行评测打分，对实验过程中错误或遗漏的操作步骤进行相应分数的扣减，并自动形成错因分析报告，使学生对错因一目了然，有助于学生纠错。最后，实验系统将最终考核评测成绩及学生实验报告上传至教师管理系统。

在实验操作过程中，学生通过鼠标和键盘按键进行具体实验步骤操作。进入实验页面后，首先鼠标点选航空活塞发动机待检测气缸，随后进入气缸测量场景，在工具箱中选择游标卡尺量具对气缸外部口径进行基准测量，并记录实验所得数据，根据测量结果在工具箱中选择合适的内径百分表结构组件，并对其进行正确组装。对组装完成的内径百分表做调零处理，选择已组装完成的内径百分表对待测气缸内径的上部、中部、下部分别进行横向测量与纵向测量，同时对测量所得实验数据进行统计与分析，计算得出所测气缸内径各部位的圆度偏差与整体圆柱度偏差，根据计算结果判别该航空活塞发动机气缸的磨损程度。图3为虚拟仿真实验操作界面。

图3 虚拟仿真实验操作界面

通过该虚拟仿真实验教学项目，学生可了解航空活塞发动机的结构组成及工作原理，熟悉航空活塞发动机气缸的磨损机理，掌握量具游标卡尺及内径百分表的构件组成及使用方法，学会使用内径百分表对航空活塞发动机气缸不同部位内径进行横向测量与纵向测量，理解圆度偏差和圆柱度偏差的计算原理，并可根据实验数据统计结果诊断航空活塞发动机气缸的磨损状况。

3 虚拟仿真实验教学项目网络构架

航空活塞发动机气缸磨损诊断虚拟仿真实验教学项目以计算机虚拟仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件构架开发，集三维实物仿真、创新设计、智能教学、实验测评和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和扩展性的虚拟仿真实验教学平台。该虚拟仿真实验教学项目的总体网络构架如图4所示。

图4 虚拟仿真实验总体构架

用户可随时随地通过网络浏览器访问航空活塞发动机气缸磨损诊断虚拟仿真实验教学项目。该虚拟仿真实验教学项目可提供的并发响应数量为500个，并提供在线排队提示服务。访问用户可选用的操作系统为Windows7及以上版本，在登录实验操作界面时可直接通过IE浏览器登录，无须下载相关插件。该虚拟仿真实验教学项目开发主体包括多媒体资源制作和计算机软件程序编写，采用3D仿真开发技术、WebGL技术、HTML、Unity3D、Visual Studio、Notepad++、Photoshop等开发工具，构建了交互式虚拟仿真实验平台，同时采用JAVA语言进行程序编写。数据库构建选用MySQL形成集成化管理模式，进而使得学生可以通过网络浏览器高效、快捷地访问该虚拟仿真实验教学项目，打破时间与空间限制，使得学生能够更加自主学习，有效提升学生自身求知欲[3]。

4 虚拟仿真实验教学项目特色创新

航空活塞发动机气缸磨损诊断虚拟仿真实验教学项目是本科航空发动机课程实验之一，学生通过虚拟仿真实验自主学习，解决了传统实验中只有少数学生动手操作、其他学生旁观的问题。学生可通过校内或校外互联网网络链接至本实验教学项目进行虚拟仿真实验，从而提高了学生学习的自主性和积极性，让学生由“要我学”转变为“我要学”。同时虚拟仿真实验无须担心实验器材破损，可随时随地重复实验操作，巩固对应知识要点[4]。

该虚拟仿真实验教学项目结合“虚实结合、虚为实用、以虚补实”的思想，运用信息技术生成全景模式，使学生置身于虚拟3D学习环境中，重现真实实验内容，缩短实验周期。在教学评价体系方面，实验老师可通过实验操作平台综合分析学生实验成绩，并对实验班级学生做整体考核，建立了教师、企业、学生等多主体“共同参与、交互作用”的多元化评价设计。系统软件构建了考试自主评分规则，有利于学生自我检测[5]。

5 虚拟仿真实验教学项目持续建设计划

我校航空活塞发动机气缸磨损诊断虚拟仿真实验教学项目今后将持续面向校内外开放，根据航空发动机课程特点，面向飞行技术、飞行器制造工程、交通运输（民航机务工程）等航空类特色专业持续有序开展相应教学工作。为更好地促进其他专业学生创新素质和实践能力的培养，面向全校学生开设开放选修实验课程，供学生自主选择，学生可通过网络预约实验并实现自主操作。本项目始终坚持以学生为本，为培养优秀民用航空类制造、维修等相关人员提供良好的教学资源。

该虚拟仿真实验教学项目要逐步由面向高校师生过渡为面向社会青少年航空爱好者推广，帮助青少年航空爱好者了解和学习更多航空类科学知识，培养其航空兴趣爱好。同时要建立有利于培养学生综合能力和创新能力的开放实验教学体系，全方位开放服务的实验教学环境。这一措施将使优质的实验教学资源得以充分共享，提高实验教学开放的成效[6]。