張華磊 王平 呂雪燕 羅艷春 崔連柱 鄧俊 陳宇

摘??要：針對目前教學(xué)中存在的教學(xué)方法單一、重理論和輕實(shí)踐的現(xiàn)實(shí)問題，為了進(jìn)一步提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性的教學(xué)效果，我校積極探索將成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性專業(yè)仿真軟件GSP融入到課程教學(xué)中。介紹了GSP軟件的主要功能，并通過課前布置軟件預(yù)習(xí)作業(yè)、課中邊學(xué)邊練、課后開展虛擬實(shí)驗(yàn)等方式將GSP軟件融入到教學(xué)全過程，結(jié)果表明，該教學(xué)方法能夠極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生自主探索的能力，使得學(xué)生的獨(dú)創(chuàng)性和自主學(xué)習(xí)得到充分發(fā)揮，對于激發(fā)學(xué)生的運(yùn)用、分析、綜合、評價(jià)高階思維能力起到了重要作用，獲得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性；GSP軟件；教學(xué)改革；數(shù)值仿真中圖分類號：G642???文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Exploration?and?Practice?of?Integrating?GSP?Software?into?Aeroengine?Characteristics?Teaching

Zhang?Hualei????Wang?Ping???Lv?Xueyan??Luo?Yanchun??Cui?Lianzhu??Deng?Jun??Chen?Yu

Aviation?University?of?Air?Force???JilinChangchun??130022

Abstract：?In?order?to?improve?the?teaching?effect?of?aeroengine?characteristics，?our?school?explores?the?integration?of?GSP?software?of?aeroengine?characteristics?into?the?course?as?the?current?teaching?methods?is?unitary，?emphasize?theory?and?neglect?practice.?This?paper?introduces?the?main?functions?of?GSP?software，?and?integrates?GSP?software?into?the?whole?teaching?process?through?software?preview?before?class，?practices?in?class，?and?virtual?experiments?after?class.?The?results?show?that?this?teaching?method?can?greatly?stimulate?students'?learning?interest，?improve?students'?ability?of?independent?exploration，?give?full?play?to?students'?originality?and?independent?learning，?and?stimulate?students'?application，?analysis，?synthesis?This?method?has?played?an?important?role?in?training?the?students?higher-order?thinking?ability?and?achieves?good?teaching?effects.

Keywords：?aeroengine?characteristics；GSP?software；teaching?reform；numerical?simulation

航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性是指同一臺發(fā)動(dòng)機(jī)在不同飛行條件下和不同調(diào)節(jié)規(guī)律下發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)的變化情況。發(fā)動(dòng)機(jī)特性常常利用高空試驗(yàn)臺通過實(shí)驗(yàn)的方法獲得。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值仿真的方法計(jì)算航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性逐漸得到廣泛應(yīng)用。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性試驗(yàn)常常需要非常復(fù)雜、龐大、昂貴的設(shè)備，測量的參數(shù)相對較少，危險(xiǎn)系數(shù)高，因此這就導(dǎo)致在通過實(shí)驗(yàn)的方法講授航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性很難實(shí)現(xiàn)，為了解決這個(gè)問題，我們將發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算軟件GSP引入到課堂教學(xué)中來輔助教學(xué)，通過數(shù)值計(jì)算的方式將抽象的理論直觀地驗(yàn)證、講授，課后學(xué)生可以利用軟件開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而提高了教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的高階思維能力。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)現(xiàn)狀

（一）航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)內(nèi)容

航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性是航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)課程中學(xué)生必須要掌握的知識點(diǎn)，建立在各部件工作原理及特性的基礎(chǔ)之上，是對發(fā)動(dòng)機(jī)部件特性的綜合性高階應(yīng)用，因此掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性對于理解航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理至關(guān)重要。該部分主要講授航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間的相互匹配關(guān)系、三大特性、過渡工作特性、發(fā)動(dòng)機(jī)使用特性以及控制規(guī)律等內(nèi)容，涉及到渦噴、渦扇、渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)4種類型的多種型號的發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。

（二）航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)特點(diǎn)

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性的教學(xué)內(nèi)容，我們總結(jié)出了發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)中的教學(xué)特點(diǎn)。

1.教學(xué)內(nèi)容抽象

航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)的最大特點(diǎn)是教學(xué)內(nèi)容抽象。航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性主要關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的匹配工作以及匹配工作下的總體性能，而不關(guān)注各部件的內(nèi)部流動(dòng)情況，這是與部件教學(xué)內(nèi)容的最大區(qū)別。在部件教學(xué)內(nèi)容中，雖然空氣流動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可見，但是可以通過動(dòng)畫、三維模型[2]等展示部件的原理、結(jié)構(gòu)等來提高教學(xué)效果，但是對于發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)，由于研究的是各部件相互影響、相互約束、協(xié)同工作，影響因素眾多，而且各種影響因素相互耦合在一起，很難通過動(dòng)畫展示各部件的相互關(guān)聯(lián)。

2.涵蓋知識面廣、內(nèi)容系統(tǒng)性強(qiáng)

發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)內(nèi)容融合了工程熱力學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件工作原理及特性等大量的前期知識基礎(chǔ)，又涉及到渦噴、渦扇、渦槳和渦軸多類型的動(dòng)力裝置，每種類型發(fā)動(dòng)機(jī)又可以細(xì)分不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)，每種類型發(fā)動(dòng)機(jī)又涉及到各部件的共同工作、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律以及發(fā)動(dòng)機(jī)的使用等。各個(gè)類型發(fā)動(dòng)機(jī)之間既有聯(lián)系，又有差別，甚至同一影響因素對于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)的影響結(jié)果是相反的，這導(dǎo)致這部分內(nèi)容的知識多維、立體，涉及的專業(yè)知識點(diǎn)多、概念多、容易混淆。

（三）存在的主要問題

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性的教學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合近些年的教學(xué)情況，發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)中存在兩個(gè)典型問題。

1.教學(xué)方法單一

目前對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)內(nèi)容，主要是采用講授法。比如在發(fā)動(dòng)機(jī)匹配工作中，教學(xué)內(nèi)容主要基于一定的模型假設(shè)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件相互約束關(guān)系，結(jié)合復(fù)雜的各部件熱力學(xué)關(guān)系公式推導(dǎo)得出共同工作線方程，并分析飛行條件、幾何變化等對發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的影響。經(jīng)過多年的教學(xué)，這種教學(xué)方法已經(jīng)發(fā)展的比較完善，但是從教學(xué)效果來看，并不太理想，學(xué)生在上課過程中面對復(fù)雜的公式推導(dǎo)，容易產(chǎn)生厭煩情緒，學(xué)習(xí)積極性較差。學(xué)生學(xué)完相關(guān)知識之后，往往抓不住重點(diǎn)，對知識的理解、消化、吸收不徹底，看似明白，然而針對實(shí)際問題分析時(shí)又無從下手，捉襟見肘。

2.教學(xué)重理論、輕實(shí)踐

航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性實(shí)驗(yàn)需要在高空試車臺上完成，具有以下特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)成本高，難以對大批學(xué)生開放教學(xué)；實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)速高、排氣溫度高。實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)有限，有些工況在實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)。因此這也導(dǎo)致目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性的教學(xué)主要通過簡化的理論公式推導(dǎo)來進(jìn)行講授，而無法通過教學(xué)實(shí)踐將理論公式和特性變化情況真正落地，導(dǎo)致學(xué)生很難深入理解發(fā)動(dòng)機(jī)特性的關(guān)鍵影響因素及其變化規(guī)律和掌握發(fā)動(dòng)機(jī)特性的分析方法，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感和獲得感不強(qiáng)，分析問題、解決問題的能力沒有得到提高，與課程教學(xué)目標(biāo)還有不少的差距。

為了進(jìn)一步提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性的教學(xué)效果，我校積極探索將成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性專業(yè)仿真軟件GSP融入到課程教學(xué)中，國外也有類似做法[3]。通過課前布置軟件預(yù)習(xí)作業(yè)、課中邊學(xué)邊練、課后開展虛擬實(shí)驗(yàn)等方式將GSP軟件融入到教學(xué)全過程。

二、GSP軟件介紹

GSP軟件（gas?turbine?simulation?program）是歐洲國家航天實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的面向?qū)ο笕細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能分析軟件。GSP軟件是基于部件模型開發(fā)的零維發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算程序，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，用戶界面友好。用戶可以在集成環(huán)境窗口中，通過拖拽部件圖標(biāo)以搭積木的方式構(gòu)造任意結(jié)構(gòu)形式的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)飛行包線內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能仿真，并能輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的性能數(shù)據(jù)和各部件的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果可以直接導(dǎo)出或者借助GSP軟件完善的數(shù)據(jù)處理功能來直觀地進(jìn)行展示[4]。GSP還配備有標(biāo)準(zhǔn)控制工具條，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油控制、噴管面積控制、導(dǎo)向葉片控制等。

三、GSP軟件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

（一）總體思路

為了更好地發(fā)揮GSP軟件在發(fā)動(dòng)機(jī)特性中的作用，課程組首先將教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)進(jìn)行了梳理，確認(rèn)哪些知識點(diǎn)可以結(jié)合GSP軟件進(jìn)行展開，其次將GSP軟件的具體實(shí)施過程融入到課前、課中、課后三個(gè)教學(xué)階段。GSP軟件融入課堂的具體形式可以結(jié)合具體采用的教學(xué)方法來確定。此外還可以結(jié)合GSP軟件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展翻轉(zhuǎn)教學(xué)、混合式教學(xué)等。

（二）教學(xué)內(nèi)容梳理

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合GSP軟件的主要功能，課題組確定了課程內(nèi)容知識點(diǎn)與GSP軟件輔助教學(xué)內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

（三）實(shí)施步驟

1.課前

課前關(guān)于GSP軟件運(yùn)用主要基于以下兩方面考慮。一是讓學(xué)生結(jié)合教學(xué)內(nèi)容熟悉GSP軟件的相關(guān)操作。為了盡快地讓學(xué)生熟悉軟件操作和使用以及軟件背后計(jì)算的基本原理，課題組錄制了軟件使用視頻教程，制作了簡易版軟件使用手冊，并利用課余時(shí)間來輔導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)GSP軟件。教程涵蓋了軟件的基本使用、不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真模型的建立和求解、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算等，軟件使用的學(xué)習(xí)根據(jù)課程進(jìn)度安排，遵循循序漸進(jìn)的原則，從最簡單的單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸過渡到雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以及渦槳、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)等。二是利用預(yù)先設(shè)置的思考題，通過讓學(xué)生開展部分發(fā)動(dòng)機(jī)特性計(jì)算，引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題。比如在發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的共同工作中，在課前預(yù)設(shè)的其中兩個(gè)問題是：①發(fā)動(dòng)機(jī)各部件匹配工作時(shí)，需要滿足哪些條件，并根據(jù)仿真結(jié)果舉例說明。②利用GSP軟件構(gòu)建的單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)模型計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作線，飛行馬赫數(shù)和飛行高度變化時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)和共同工作線會(huì)如何移動(dòng)？共同工作線是靠近喘振邊界還是遠(yuǎn)離喘振邊界，為什么？這些問題的提出有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，提高學(xué)生分析問題的能力。

2.課中

課中是GSP軟件發(fā)揮作用的主戰(zhàn)場。目前教學(xué)中的主要做法是將其穿插到課堂教學(xué)之中，讓學(xué)生親自動(dòng)手計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)特性。這使得學(xué)生能夠很方便地觀察發(fā)動(dòng)機(jī)推力和耗油率的變化以及發(fā)動(dòng)機(jī)各部件匹配時(shí)工作點(diǎn)的變化情況，且當(dāng)修改飛行條件和油門桿位置等參數(shù)時(shí)，可以實(shí)時(shí)、直觀地觀察到參數(shù)變化對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和各部件工作點(diǎn)的影響。獲得計(jì)算結(jié)果后，通過與書上的特性曲線、理論解釋進(jìn)行對比分析，一方面對發(fā)動(dòng)機(jī)特性來進(jìn)行驗(yàn)證，另外一方面學(xué)生可以嘗試根據(jù)計(jì)算結(jié)果對發(fā)動(dòng)機(jī)特性的變化趨勢做理論分析，找出變化趨勢變化的內(nèi)在邏輯，加深學(xué)生對知識的理解、消化和吸收。在這個(gè)過程中學(xué)生在老師的引導(dǎo)下能夠主動(dòng)建構(gòu)知識，這種方式獲得的知識學(xué)生印象才能夠更深刻，也培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及高階思維。同時(shí)學(xué)生親自實(shí)踐獲得結(jié)果會(huì)使學(xué)生有較大的成就感，也就激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。相對于傳統(tǒng)的理論講授，這種方式使得枯燥的理論知識變得形象、具體，使得教學(xué)過程有了具體的抓手，還可以使學(xué)生不受時(shí)間、空間和物質(zhì)條件的限制驗(yàn)證所學(xué)理論知識的正確性。另外，書上的理論講解往往只從一個(gè)角度進(jìn)行解釋，而通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的自主探索，很有可能給出另外一種解釋，這無疑具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性。這種教學(xué)方式也正是“做中學(xué)、學(xué)中做”的教學(xué)理念地體現(xiàn)，即在教學(xué)過程中老師和學(xué)生雙方邊教、邊學(xué)、邊做，它充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用和突出了學(xué)生的主體地位，這一理念的實(shí)施，也必將直接的改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。

GSP在課堂上的具體融入形式，老師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)，課題組主要采用了如下兩種方法。（1）翻轉(zhuǎn)課堂：學(xué)生將預(yù)習(xí)過程中分析不明白的問題帶入課堂，在課堂上采用討論的方式，結(jié)合教師講授開展學(xué)習(xí)，然后開展相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)特性計(jì)算，進(jìn)一步鞏固知識，破解疑惑；（2）對比學(xué)習(xí)。比如在講解不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)特性、控制規(guī)律對發(fā)動(dòng)機(jī)特性影響的教學(xué)中就利用GSP計(jì)算來對比分析發(fā)動(dòng)機(jī)特性。

3.課后

課后主要是讓學(xué)生在課余時(shí)間利用GSP軟件開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性虛擬仿真自主性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以根據(jù)研究的興趣，自主地選擇實(shí)驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)類型、設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，獨(dú)立完成發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)，分析選定的分析參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響。讓學(xué)生自主探索不同類型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件參數(shù)、特性、使用條件、燃油控制對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，學(xué)生既可以開展限定性實(shí)驗(yàn)，也可以開展設(shè)計(jì)性、自主性、開放性實(shí)驗(yàn)，即由老師給定的實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)要求及可供學(xué)生選擇的實(shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自己提出設(shè)計(jì)思想、擬定實(shí)驗(yàn)方案，確定虛擬實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并基本獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的全過程。

通過將GSP軟件融入到課前、課中、課后的教學(xué)環(huán)節(jié)中，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)過程中教學(xué)方法單一、教學(xué)重理論輕實(shí)踐的教學(xué)難題，使得學(xué)生能夠課下根據(jù)自己的實(shí)踐隨時(shí)、隨地利用軟件開展發(fā)動(dòng)機(jī)特性仿真。在上課之前，學(xué)生已具備對發(fā)動(dòng)機(jī)特性初步認(rèn)知，老師可以根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)情況開展更深入的研討式教學(xué)活動(dòng)，以及教師對于重點(diǎn)、難點(diǎn)、反饋的共性問題進(jìn)行針對性講授。實(shí)現(xiàn)了從驗(yàn)證式教學(xué)模式向探究式教學(xué)模式過渡，由灌輸式教學(xué)模式向引導(dǎo)式再到自主式學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)變。

結(jié)語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性教學(xué)內(nèi)容抽象，涵蓋知識面廣、內(nèi)容系統(tǒng)性強(qiáng)，涉及到4種不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，知識多維、立體，教學(xué)過程中學(xué)生容易產(chǎn)生厭煩情緒，學(xué)習(xí)積極性差，對知識的理解、消化、吸收不徹底，與教學(xué)目標(biāo)還存在不少差距。在此背景下，課題組積極將航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性專業(yè)仿真軟件GSP引入到課堂教學(xué)全過程，實(shí)踐表明，利用GSP軟件能夠加深學(xué)生對知識的掌握，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對于培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力起到了重要作用。

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作者簡介：張華磊（1991—??），男，漢族，河南周口人，博士，講師，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)。