向 鑫，丁相玉，胡晓安

(南昌航空大学飞行器工程学院，江西南昌，330063)

一、引言

随着互联网技术的不断发展，中国信息化水平不断提升，虚拟仿真技术已经成为当前高校开展教学工作的重要技术之一。[1]我国教育部从2015 年开始陆续推进虚拟仿真中心建设，各大高校及时推进虚拟仿真实验教学平台和资源建设，取得了初步成果。[2-3]虚拟仿真技术促使课堂教学模式转变，丰富了教学手段，提高了教学的实践性。[4]

当前，我国高校虚拟仿真应用主要为虚拟实验教学，即通过计算机虚拟仿真技术建立虚拟实验环境。[5-6]学生可以通过计算机和虚拟设备进行试验学习相关知识和虚拟操作。虚拟仿真技术在高校课程中的运用主要为虚拟现实(virtual reality，简称VR)、增强现实(augmented reality， 简称AR)和桌面虚拟仿真技术。其中，VR和AR技术受限于昂贵的交互设备，相关的虚拟仿真建设在高校中少见。[7-8]而桌面虚拟仿真只需电脑和网络就可进行，易于实现3A特性(anywhere，anytime，anydata)，获得了广泛的运用。[9]

航空发动机专业课程具有理论知识深、工程应用性强、国防特色明显等特点，在新时代的高校教育中应注重理论与实践结合，并融入课程思政建设，这对相关专业课程建设提出了更高的要求。常规线下教学受限于教学场所、教学方式等，难以获得预期中的教学效果。[10]虚拟仿真技术则可以作为课堂教学的补充，充分发挥技术优势，与线下课堂教学互补发挥更好的教学效果。[11]本研究基于飞行器动力工程专业的专业综合实训实践教学模块中虚拟仿真技术的应用探索，对鼓励创新设计、工程应用结合、课程思政融入等特色应用进行探讨，并对虚拟仿真应用的不足进行总结。

二、课程建设目的

专业综合实训是飞行器动力工程专业实践教学模块中的一门重要的实践性课程，要求学生在教师的指导下对航空发动机总体及各部件系统进行装配与拆解，了解各类发动机的运行原理和基本结构，重点掌握航空发动机的运行、系统组成、部件构造等，并通过实验实践加深对发动机及各附件系统原理的理解和掌握。该课程注重基础理论与专业知识的融会贯通，强化理论与实践的密切关系，具有很强的工程应用背景。

但是，真正的航空发动机试车运行成本高昂，且具有一定的危险性和有害性，需要有严格的生产、运行规章制度保证安全，一旦失控容易发生事故。同时，航空发动机属于较为精密的设备，对其进行拆解、装配和运行时都必须有完整的辅助设备才能进行，且会带来潜在的设备损耗。在当前实验室条件下，无论是设备数量、成本，还是出于安全的考虑，都难以支撑学生常规化地进行实际拆、装和运行实验。

因此，南昌航空大学(以下简称我校)飞行器工程学院采用计算机虚拟仿真技术，以微小型航空发动机为虚拟对象，为学生提供了自主发挥的实验平台，与学生的实际生产实习互为补充，降低实验运行和设备维护成本，避免实际危险。同时，通过实训使学生掌握航空发动机及其主要部件的基本结构，了解基本设计思想和设计方法，了解实际工程运行中存在的细节问题，培养在从事航空发动机设计、制造、使用维护和飞行器设计与使用维护工作中分析及解决与航空发动机有关的工程问题的兴趣和能力。

三、课程特色

(一)“以虚补实”的课程建设

学生在本专业前期的课程中已学过航空发动机的结构、原理，也参观过发动机拆装和试车，但并不是每一个学生都具备实际装配、拆解、运行发动机的条件。为达到“以虚补实、虚实结合”的效果，课程选用学生均去过的实验室作为场景，复原了进行实验所需的工具、操作台、实验台架、管路等，以此真实还原发动机整机装配、运行及各系统、零部件的装配关系、结构特点，增强学生身临其境的感受，强化相关课程知识。具体课程建设结构如图1所示。

第一，“以虚补实”指导实验设计。我校常规的实验课出于安全和不破坏设备的考虑，通常会要求学生严格执行教学安排，只完成“规定动作”，学生可以接触的内容有限。特别是演示实验(如发动机试车)，学生由于观察位置、观察角度、时间限制等，不仅所学知识有限，而且很难在延伸知识上得到满足。因此，本次虚拟仿真实验课程建设将微小型涡喷发动机原型机进行了1∶1的三维实体建模，完全按照实际状态进行结构装配，大到整机，小到单个螺钉、弹簧，均可供学生进行认识和操作。

第二，“以虚补实”安排知识传授。传统的理论课课时有限，所授知识点通常侧重于专业体系中的核心知识；虚拟仿真实验由于不受时间限制，可在核心知识脉络上扩展碎片化知识，作为理论课的补充，扩展学生知识面。在虚拟仿真实验中，教师通过提示、旁白、超链接等方式，可以为学生提供更多知识入口，方便学生获取信息。

图1 以虚补实指导虚拟仿真课程建设

(二)鼓励探索的实验操作

虚拟仿真实验以学生为中心，学生主导实验过程，操作虚拟的实验装置，以此增强学生对知识的获取兴趣和能力。教师主要讲解实验方法和实验步骤，并对整个实验前、中、后全过程加以引导。学生在进行虚拟实验时，可以自由探索实验场景，自主探索课程知识，以此启发创新意识，调动学习积极性。例如，在发动机进行拆装时，学生可以调整场景位置和视角，通过不同角度观察零件形态结构，发现零部件细节特征。虚拟仿真实验允许学生在一定程度上“不按常理出牌”，但会通过提示、限制危险操作和告知不当操作后果等方式，让学生理解危险操作的原理和成因。在传统实验教学中，由于学生多、课程时间紧，教师很难及时关注并制止所有学生的不当操作，也很难将实验中所有可能突发情况在实验前一一讲解，更难实现所有学生都认真听取和坚决杜绝不当操作。而在虚拟仿真实验中，以鼓励探索的方式满足学生的好奇心，即使出现不当操作也不会发生实际危险。这种在自主探索过程中发现错误的方式更有利于加深学生的“犯错反馈”，进而从深层次让学生杜绝不当操作。

此外，在实验过程中加入随机元素，可以提高实验的可探索性。在学生操作过程中，系统会在适当节点给出随机的知识点考查或趣味任务，使学生在每次实验过程中均有不同的体验，从而使学生每次进行实验时均有一定的新鲜感。学生在多次实验过程中强化主线知识，随机获取不同的额外知识，可以增强对训练的黏性。同时，由于每个学生遇到的考查都是独特的，学生只能独立思考并完成操作，从而提高独立解决实际问题的能力。

(三)工程应用紧密结合

虚拟仿真实验课程以工程上必须经历的发动机装配、测试为基础，为学生提供实操的细节模拟，将课本抽象的知识真实化、形象化，为学生将来从事航空发动机相关实际工作打下基础。具体的课程如下。

第一，培养学生细致严谨的工程思维。航空发动机是一个高精尖产品，必须保持细致严谨的工程思维。在虚拟仿真技术的辅助下，课程可以与企业工程经验结合，严格执行工程操作。在常规实验课程中，一般由教师做好实验准备工作，如实验安全、电气调整等；在虚拟仿真实验中，教师可以要求学生自己完成相关检查，如开启通风设备、检查灭火设备等。而在具体实验过程中，通过细节处理，可以强调工程思维经验，如拆卸发动机转子时要以画线的方式记录转子零件的安装位置，否则在装配时就不能恢复发动机转子的动平衡状态，危及发动机运行安全。这些操作都是只能在实际操作中才能学到的细节知识。

第二，练习避免不当操作。在工程(或实验)中，一些不当操作往往只会在实际操作过程中体现其危害性。虚拟仿真实验可以结合工程实际，尽可能多地容纳工程问题。当学生在虚拟课程中出现必定引发不良后果的不当操作时，系统就会给予告诫。例如，螺钉的安装顺序一般为对位预紧、整圈缓慢拧入，而一些学生为了方便，会一个个依次完全拧入，虽然装配成功，但薄壁件会在装配过程中受力不均而变形，导致后续安装无法进行。又如，发动机零件拆卸下来放置时，若学生随手放置于操作台边缘，就会导致零件坠落，摔伤零件。学生在虚拟实验中犯错后，系统会通过警告、扣操作分等方式予以纠正，加深学生的印象。

(四)课程思政融合

虚拟仿真实验是一个绝佳的课程思政窗口。常规的课堂教学很难在教学设计中融入思政点，其本身课时有限，加之内容思政点不多，教师很难自然地融入。虚拟仿真实验课程则可以利用时间、空间的自由性，通过多种方式融入课程思政元素，为学生提供相应的知识应用，具体方法如下。

第一，在场景布置中融入思政教育。教师可以在实验室场景中，利用壁画、显示屏等展示航空英雄人物，讲述航空历史故事。学生在场景中自由探索时，可以调整视角位置移动到相关信息前阅读相关介绍。与真实实验室或教室环境相比，虚拟仿真实验中的壁画可动画演示、随时调整、动态链接，真正成为联通课程思政的窗口。若学生对某一故事感兴趣，可以通过其附带的网址或二维码链接至更丰富的介绍，变课堂上的被动接受为课后的主动了解。

第二，在操作过程中融入思政教育。结合系统随机给出的趣味任务，教师可以融入相关的航空故事，使学生在进行实践操作时更有代入感。例如，在学生进行发动机虚拟仿真运行实验时，系统会给出发动机需要达到的系列状态点，学生根据要求操作完毕后，系统进行评分。评分之后，系统背景将提示学生这一系列状态点来源于航空英雄王伟守卫我国南海领空时逼近敌机的操作，并提示学生如果对这一英雄故事感兴趣，可以通过扫描二维码观看相关影视资料详细了解。

虚拟仿真实验课程是将网络资源放置或隐藏在场景中，课程思政相关的资料可以通过灵活的方式安置在实验主线附近，让学生“自主”探索，真正实现润物细无声。这是其他课堂教学方法所不具备的优势。

四、未来改进与发展

未来，虚拟仿真实验课程应该不只是为了完成某些特定实验的替代，而应该作为有效的常规辅助手段成为课堂教学的一部分：在开展工程应用教育方面，可以跳出理论教学的框架，介绍更多工程案例、工程问题，将理论与实际更紧密地结合起来，发挥好实践对理论知识的补充作用；在课程思政方面，如果将专业理论知识看作“实”，将课程思政知识看作“虚”，那么真实的课堂教学更有利于“实”的传授，而虚拟仿真实验更有利于“虚”的传播。

然而，当前航空专业实训课程的虚拟仿真应用仍存在诸多尚需改进之处。首先，工程问题的融入尚需提升。工程问题是复杂多样的，在融入虚拟仿真实验时，教师需要对问题进行合理的抽象化，而这一过程会提升其融入难度。当前，虚拟仿真实验受限于软件环境、开发时间和经费，部分环节还略显粗糙，而如果工程问题数据库不够完善，就很难非常精确地发现学生在实验中存在的问题。

其次，仿真内核算法精细化不足。专业理论知识难度较大时，虚拟仿真的底层算法难以做到完全准确，最终反映在仿真效果上就体现为细节较为粗糙。例如，航空发动机运行是一个动态过程，数据参数会不断变化，真正仿求解发动机参数需要复杂的实时算法。而现有的虚拟仿真软件基本上采用提前建立数据库的方式规避理论算法，如通过数据库“模拟”仿真实验的参数改变，甚至简单地由动画代替实验过程。这将导致虚拟仿真实际上仍只能仿真有限的模式(包括问题状态)，距离真正的“以虚补实”还有很远的距离。

最后，网络利用率较低。在“互联网+”背景下，虚拟仿真实验课程通常要求进行网络共享，学生可通过网络直接开展虚拟仿真实验。虚拟仿真课程在对网络的利用上还存在很大的提升空间。事实上，与使用纸质教材的传统教学方法相比，虚拟仿真课程在融入互联网教学上具有得天独厚的优势，因此，教师应探索更多利用网络的方式，拓展网络工具的使用范围，使之成为学生获取相应知识的另一个“课堂”。

五、结语

将虚拟仿真实验教学应用于航空专业实训课程，为课程教学提供了新的教学模式，提高了学生参与程度和实验教学资源收益。在“互联网+”新工科思维下，虚拟仿真不应只局限于一个技术手段，而应成为理论到实践的桥梁，成为联通课堂和互联网的知识窗口，进而引导学生主动学习、培养工科探索精神，提升课程思政效果。探索虚拟仿真实验的教学模式，深入挖掘课程潜能，在引导学生向主动学习转型、提升教学效果及促进创新人才能力培养方面具有巨大的发展空间和现实意义。