虚拟仿真实验教学方法研究——以飞行器环控课程实验为例

李 可，张兴娟，杨春信，林贵平

（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083）

实验室是现代大学的重要标志与三大支柱之一，是教学与科研创新的重要基地，是培养学生创新能力和提高实践能力的重要场地，对培养具有实践和创新能力的高素质人才有着重要的作用。长期以来，传统仪器是实验室的基础资源，在实验教学所依托的基本方式与手段，但也存在明显不足。然而随着航空与宇航科学技术专业教学实验种类的增多，对实验测量与控制设备的要求也进一步提高。对于非电类专业的学生如何使用简单、通用、安全、易于上手的计算机测控实验设备进行专业试验是发挥实验仪器设备功效提高实验教学质量亟待解决的问题。现今传统仪器设备已不能适应科学实验教学乃至培养现代化人才的需要[1]。随着低成本高性能计算机资源的大力普及运用，为在测控领域广泛采用虚拟仿真构建实验平台的基本方式和未来发展趋势。虚拟仿真技术可克服传统仪器的弊端，利用计算机强大的计算能力和灵活的软件技术，在有限的硬件基础上，实现符合要求的虚拟仿真实验。与传统的测量仪器实验相比，能够使学生沉浸式投入实验、有效提高实验效率[2]。

虚拟仿真实验平台依据教学需求，设计包含网络平台系统及虚拟实验系统两部分，网络平台系统作为实验平台的门户，用于对用户的实验数据进行存储和管理，并作为用户间日常沟通交流与经验分享的平台；虚拟实验系统采用全3D场景仿真实验方法，达到教学中的多任务、多科目的实验训练及考核目的。其中网络平台系统包含如下几个模块：

（1）平台数据处理模块，该模块作为网络平台系统的中心节点，负责与其它模块进行数据交互及处理，并与虚拟实验系统通信发送与接收用户实验数据；

（2）用户数据库，该模块存储用户的登录信息、实验记录及其他个性化数据；

（3）前端显示交互模块，该模块作为网络平台的人机交互界面，提供用户访问各个内容的入口；

（4）网络信息服务模块，该模块遵循通信协议，提供网络信息的收发处理功能；

（5）数据安全保障模块，该模块用户保护用户信息的安全性。

虚拟实验系统包含：

（1）任务总控模块，为虚拟实验系统的数据管理核心，是各个模块的信息交汇点；

（2）账号管理模块，该模块负责管理用户的实验信息，与网络平台系统直接通信；

（3）模型资源库，存储三维场景中的可视化模型；

（4）效果资源库，存储用于可视化显示实验数据的可视化效果资源；

（5）环境控制模块，提供对实验整体边界条件的控制功能；

（6）行为逻辑控制模块，承担实验中的逻辑判断及物理模拟功能；

（7）任务流程管理模块，决定任务中的进展顺序和进度状态；

（8）三维可视化显示模块，用于三维实验环境的可视化渲染；

（9）人机交互模块，用于提供体验良好的人机交互界面，引导用户完成实验并显示关键实验信息。

飞行器环境控制系统负责维持飞机驾驶舱与座舱内安全舒适的压力和温度等环境参数，保障飞行员与乘客的身体健康。该系统设计的好坏对飞行器的安全性、经济性及舒适性有很大影响。在该领域培养知识全面，专业扎实，勇于创新的高素质人才，是我国大型民用客机、先进战斗机、载人航天等“大国利器”重大研发项目的迫切需求。载人飞机的核心是人，而性能优良的飞机环境控制系统对军用飞机而言是战斗力的坚实保障，对民用飞机而言，是提升飞机舒适性的关键，而防除冰系统对于飞行器而言，是关乎飞行安全的重要部分。随着近些年来我国航空工业迅速发展，尤其是以C919、CR929为代表的大型商用飞机的研发，人机环领域航空人才培养对于未来我国航空工业的发展将起到极为重要的作用。然而，飞行器环境控制系统涉及复杂的系统流程、热力设备及管路设计问题。传统书本教学方法无法详细展示设备内部结构及运行情况，高危及大能耗实验特点又不能允许学生进行实际操作及探究性实验研究。采用虚拟仿真的方式进行教学和实验，成了一种可行的方案，采用此种方式进行教学和实验，可破除场地、时间、成本的限制，并且表现方式直观、生动，同时具备极强的可拓展性，在各类教学和实验中发挥出了极高的价值，因此，建立一套飞机环境控制系统和防除冰系统的虚拟仿真教学和实验课程，对该领域人才的培养，具有积极的意义。

北京航空航天大学人机工效与环境控制实验室担负着本科生和研究生人机环境测控实验教学及科学研究任务，为适应培养高素质创新型人才的需要，在实验室已有资源的基础上积极开发虚拟仪器用于实验教学，并取得了实验室建设向数字化、虚拟化、集成化发展和人才培养双赢好效果。以飞行器环控课程实验为例的虚拟实验应用案例：

（1）以某型旅客机为例，采用虚拟3D技术，实现了由发动机引气、环境控制系统及座舱空气分配系统的机载布局的生动展示、学生可以通过网络在电脑终端操作实验。认知原理实验可分为两个部分，第一部分为制冷系统部件组成认知；第二部分为空气分配系统及温度调节系统的认识。

（2）在体积固定的座舱内，压力的变化主要与进出座舱的净流量相关。座舱的进气流量来自发动机引气，出气流量是在座舱与飞行高度环境之间的压差下流经排气活门的流量。座舱压力调节系统按照座舱压力反馈，通过调节排气活门的流通面积来改变出气量，进而控制座舱压力及其变化率，实现座舱压力制度。基于座舱压力调节系统的工作原理和过程，设计的仿真实验内容包括：①模拟三种典型的压力制度。②通过仿真模拟座舱体积、进气流量、排气活门最大流通面积等系统参数对压力调节效果的影响。③通过仿真模拟不同PID控制参数对压力调节效果的影响。

（3）飞机空气循环制冷系统实验基于三轮升压式空气循环系统，参考某型飞机环控系统实物图，搭建仿真模型。将实验测得的部件参数输入到仿真模型中，运行系统仿真后获得实验结果。在实验操作过程中，学生能够直观看到从发动机引气到座舱空调喷口的完整气体流动过程，也可通过手动设置引气参数、换热器面积和涡轮效率，研究其对涡轮出口温度的影响。

三部分内容包含多种实验内容和数十个实验操作步骤，学员实验中，能够模拟数十种条件下的实验结果，生动形象体现飞机相关系统的工作原理和流程。系统支持在网页端、PC端和平板电脑上运行，具备灵活的平台适配性。

以下对课程教学实验流程及分项进行说明：

学员进入系统后，将进入第一部分飞机环境控制系统教学实验部分。

飞机ECS环境控制系统布局实验。

实验目的：

飞行器环境控制系统布局实验分为两个部分，第一部分为制冷系统部件组成，通过该部分的学习，学员能够掌握飞行器环境控制系统中制冷系统的主要组成部分以及结构分布区域，并对每一部分的作用进行总体的了解，第二部分为管道流向与温度分布认识，该实验中，学员通过学习了解飞行器环境控制系统中制冷系统的各部件气流温度分布和气流流向，完成对系统运行原理的直观认知，遍布全机的制冷系统闭环可使学员对环控系统的复杂性产生清晰的理解。

实验步骤：

进入该部分后，首先以文字、图片等方式对飞机ECS环境控制系统的概念、作用等概述性内容进行简介，学员学习完成后，点击按键进入第一个交互式学习模块，即大型客机环控系统组成、管道布局教学实验模块。

制冷系统部件组成。

该模块以C919大型客机外观及环控系统和管路三维模型为展示核心，采用透视的表现形式展现内部结构，飞机环控系统和管路可分割为多个子系统和部件，每一个子系统和部件设置单独的热点可用于点击交互，当选择某一子系统或部件时，将会采用特写镜头对该热点进行观察。

在此模块中，视角可根据学员操作进行旋转，以便进行多角度的观察。在学员完成全部子系统和部件学习后，可激活按钮进入下一模块。

管道流向与温度分布实验模块。

该模块显示基本模式与上一模块相同，采用透视显示效果进行飞机及内部显示，同时采用红蓝色差体现座舱内压力分布和流量分布管道

在学员完成座舱压力分布、流量分布管道内容后，可激活按键进入下一教学实验模块。

飞行器环控系统虚拟仿真实验项目总体采用“逐层进阶”的设计思路，让学生在虚拟实验环境中掌握环控系统的原理和调节规律。为实现教学目标，让学生充分掌握相关知识，采用自主式学习、互动式、问题探索、现场式等多种教学方法的结合，体现了以学生为中心的实验教学理念。

1 自主式学习教学方法

自主式教学方法的教学方法目的是训练学生对课程大纲要求“掌握飞机环境控制系统组成、机上布局,通过虚拟仿真实验使学生掌握飞机座舱压力调节系统的组成、压力制度与调压系统工作原理,掌握飞机空气循环制冷系统原理”等知识内容。相对于专业知识本身，该教学方法更加注重让学生探索知识的来源。

2 互动式学习教学方法

该教学方法贯穿整个实验过程，包括原理学习探究、设计分析等层次。学生首先开展原理学习探究实验，学生依次完成环控系统基本原理、环控系统关键部件技术、系统整体测试等3个阶段的原理探究实验，之后学生开始设计分析层次的实验。教学系统中提供了“有问必答”及“经验分享”等模块，帮助老师和学生实现在线答疑、讨论与学术交流，并与平时成绩关联，有效提高了师生互动的效果。让学生从设计过程中研究不同参数对系统的影响，加深学生对不同参数的了解和认识，改变传统教学中“重理论讲授、轻过程分析”的不足。

3 问题探究式教学方法

问题探究式教学方法的目的是引导学生自主、开放性提出飞行器环境控制设计的方法和要求，同时让学生掌握优化设计方法。

飞行器环境控制系统虚拟仿真实验设置了“1套系统、2个层次、3个实验”，即一套可多终端运行的虚拟仿真系统，飞行器环境控制系统认知探究、飞行器环境控制系统设计分析两个层次，飞行器环境控制系统认知实验、座舱压力调节系统实验、空气循环制冷系统实验三个实验。

（1）按照“能实不虚”的原则，环控系统部件实验如换热器、涡轮冷却器等的特性实验采用实物仿真试验，虚拟仿真实验主要解决系统级实验条件不足、风险大、成本高的问题。

（2）从学生能力培养的角度，由浅入深设计了沉浸式认知实验和研究型实验两个部分。沉浸式认知实验主要是让学生了解环控系统在机上的安装布局、从发动机引气到座舱入口空调器的完整气体流动过程。压力调节和温度调节是飞机环控系统的主要功能，研究型实验主要设计了座舱压力调节和空气制冷循环实验。

实验室工作对任何一所大学都是十分重要的。因此，必须注重实验技术的更新提高。就实验技术而言，引进先进的实验技术可以很大程度上节省人力和物力的浪费，极大地提高实验效率。同时也可以使学生紧跟技术前沿，适应科学技术的发展。在实验室建设中，虚拟仪器技术显著的优势代表了实验室向数字化、虚拟化、集成化的发展方向和趋势。虚拟技术的开发与应用，无疑将对培养高素质创新型人才发挥重要作用[3]。