曲凱 董可海 王玉峰 馮佳晨 李金飛

[摘 要]隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，信息技術(shù)已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。針對導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維護(hù)課程實踐性強、實裝數(shù)量少的問題，課程組教師開發(fā)了基于信息技術(shù)的課程教學(xué)軟件，將圖像、文字、聲音、視頻等多種信息融為一體，充分調(diào)動學(xué)員的視覺和聽覺，以加深學(xué)員對理論知識的理解，增加教學(xué)信息量，提高教學(xué)效率，這種做法取得了良好的課程教學(xué)效果。同時，這種將CDIO教學(xué)理念引入課堂教學(xué)中的做法，增強了學(xué)員的知識綜合應(yīng)用能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

[關(guān)鍵詞]信息技術(shù);渦噴發(fā)動機(jī);虛擬拆裝;CDIO

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）10-0068-04

隨著我國經(jīng)濟(jì)和軍事實力的不斷提高，越來越多的高技術(shù)武器裝備到部隊一線。作為重要武器裝備之一的導(dǎo)彈，目前已經(jīng)成為我國海軍的殺手锏。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，導(dǎo)彈所使用的動力裝置向遠(yuǎn)射程、低油耗、小體積等方向不斷發(fā)展。目前，彈用渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)作為長航程導(dǎo)彈的動力裝置，已經(jīng)應(yīng)用在多個海軍型號的導(dǎo)彈中。因此，掌握彈用渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理和工作過程，對于部隊使用維護(hù)導(dǎo)彈，提升保障部隊作戰(zhàn)能力至關(guān)重要。

導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維護(hù)課程包含了海軍現(xiàn)役各種導(dǎo)彈動力系統(tǒng)構(gòu)造與維護(hù)的基本內(nèi)容，是導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)專業(yè)學(xué)員崗位任職能力培養(yǎng)課程。課程屬于裝備構(gòu)造教學(xué)范疇，實踐性強，特別是渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)更具有部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以多媒體演示為主，然后到裝備場所輔以少量的裝備構(gòu)件進(jìn)行講解，使用維護(hù)以現(xiàn)場操作、播放實際技術(shù)保障影片為主。因此，學(xué)員對發(fā)動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系、工作過程和工作原理等知識點掌握不牢固，學(xué)習(xí)效果較差。

為解決上述問題，我們利用信息化手段開發(fā)制作了導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)工作過程仿真軟件及教學(xué)演示系統(tǒng)，將圖像、聲音、視頻等多種信息融為一體，充分調(diào)動學(xué)員的視覺和聽覺，加深學(xué)員對理論知識的理解，增加教學(xué)信息量，提高教學(xué)效率，以達(dá)到事半功倍的效果。另外，針對學(xué)員知識綜合應(yīng)用能力差和團(tuán)隊協(xié)作能力不足的問題，我們將CDIO（Conceiving Designing Implementing Operation）教學(xué)理念[1-2]引入課堂教學(xué)中，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)員解決實際問題的能力。

一、彈用渦噴發(fā)動機(jī)工作工程仿真軟件開發(fā)

準(zhǔn)確掌握彈用渦噴發(fā)動機(jī)的工作過程，對于學(xué)員從整體上評估發(fā)動機(jī)的性能，理解發(fā)動機(jī)部件結(jié)構(gòu)和整體連接關(guān)系具有十分重要的意義。而發(fā)動機(jī)的工作過程以壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等部件特性為基礎(chǔ)，利用部件匹配原理建立由轉(zhuǎn)子運動方程、流量平衡方程和壓力平衡方程等組成的動態(tài)模型，然后選擇各種迭代解法進(jìn)行求解。

建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是發(fā)動機(jī)工作過程仿真軟件設(shè)計的關(guān)鍵所在，數(shù)學(xué)模型要能準(zhǔn)確反映出發(fā)動機(jī)在不同工況下的供油調(diào)節(jié)規(guī)律。軟件開發(fā)設(shè)計思路為在給定工作條件（飛行高度、飛行馬赫數(shù)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等）下，依據(jù)發(fā)動機(jī)各個部件在共同工作時的功率平衡，空氣流量平衡對發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)增壓比及渦輪落壓比進(jìn)行迭代，并進(jìn)行誤差分析，直達(dá)參數(shù)符合設(shè)計精度。然后利用迭代出來的增壓比及落壓比等參數(shù)對發(fā)動機(jī)供油量，推力等參數(shù)進(jìn)行計算，模型求解過程如圖1所示（見下頁）。在軟件開發(fā)的過程中，針對傳統(tǒng)迭代方法在求解發(fā)動機(jī)工作過程方程組過程收斂性差的問題，提出用粒子群算法對原算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。為解決粒子群算法局部收斂問題，引入遺傳算法的變異思想，改善了經(jīng)典算法的局部收斂問題，提高了求解發(fā)動機(jī)模型的精度。

按照圖1對所建立的發(fā)動機(jī)工作方程模型進(jìn)行求解，學(xué)員能夠?qū)崟r得到其重要的指標(biāo)參數(shù)，比如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、推力、耗油率等，并可以通過改變模型參數(shù)，直觀地分析研究各種輸入量對彈用渦噴發(fā)動機(jī)工作過程的影響規(guī)律，便于學(xué)員學(xué)習(xí)研究。

模型算法開發(fā)編程采用FORTRAN語言實現(xiàn)，為了便于學(xué)員實際操作，我們開發(fā)了相應(yīng)發(fā)動機(jī)工作過程仿真軟件界面，如圖2所示。該軟件使用方法簡單，只需在界面左下方的參數(shù)輸入?yún)^(qū)輸入飛行參數(shù)，包括飛行高度、飛行馬赫數(shù)和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，然后將左上方的開關(guān)點擊到開始端，軟件將開始進(jìn)行模型的仿真計算。當(dāng)需要改變飛行參數(shù)時，在輸入?yún)^(qū)重新輸入新的參數(shù)，并點擊藍(lán)色按鍵即可開始新的計算，計算結(jié)果會動態(tài)實時的輸出。通過使用該軟件可以有效解決在講授彈用渦噴發(fā)動機(jī)原理時，學(xué)員對發(fā)動機(jī)各種輸入技術(shù)參量認(rèn)識抽象，不能理解這些參量變化對發(fā)動機(jī)整體工作性能有何影響的問題。

另外，為了更好地揭示發(fā)動機(jī)在導(dǎo)彈飛行中的整個工作過程及工作原理，增加直觀性，我們開發(fā)了相應(yīng)展示視頻動態(tài)展示軟件。該視頻軟件可以展示：彈用渦噴發(fā)動機(jī)從點火到達(dá)到巡航狀態(tài)的整個動態(tài)工作過程，包括壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等分部件的工作過程，也包含燃油供應(yīng)系統(tǒng)、滑油供應(yīng)系統(tǒng)和附件系統(tǒng)的工作過程。

二、彈用渦噴發(fā)動機(jī)虛擬拆裝軟件開發(fā)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指利用計算機(jī)技術(shù)生成的一個逼真的、具有三維交互功能的虛擬環(huán)境，是一種高級的交互式計算機(jī)模擬形式。從20世紀(jì)90年代起，美國率先將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要包括：虛擬戰(zhàn)場環(huán)境、單兵模擬訓(xùn)練、諸多兵種聯(lián)合演習(xí)以及指揮員訓(xùn)練等[3]。迄今為止，美軍在全球已經(jīng)興建了30多個大型實驗室和虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。最為典型的是美軍在內(nèi)利斯等訓(xùn)練基地進(jìn)行的模擬仿真演習(xí)，為海灣戰(zhàn)爭中“沙漠風(fēng)暴”行動的成功打下了堅實的基礎(chǔ)[4]。為了使學(xué)員更加直觀地掌握彈用渦噴發(fā)動機(jī)各部件的基本構(gòu)造和它們之間的連接裝配關(guān)系，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計開發(fā)彈用渦噴發(fā)動機(jī)虛擬拆裝軟件。該軟件可有效解決實裝教學(xué)中只能觀察彈用渦噴發(fā)動機(jī)外部結(jié)構(gòu)，而對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚的問題，也能使學(xué)員掌握發(fā)動機(jī)各組成部件之間的連接關(guān)系。

（一）三維實體模型

三維建模的目的主要是將現(xiàn)實中的物體在虛擬空間中展示出來，所以測量模型的各種參數(shù)是最為重要的第一步。為了有效增加模型的逼真性，必須要等比例地將物體在場景中構(gòu)建出來。這就需要對物體外形的幾何參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。參數(shù)的測量主要包括以下3個方面內(nèi)容：1.主要部位的尺寸;2.連接部位的校準(zhǔn);3.特征參數(shù)的測量。其中最為關(guān)鍵的是連接部位的校準(zhǔn)，為了使模型與實際相符，校準(zhǔn)的誤差必須要足夠小。

彈用渦噴發(fā)動機(jī)模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，小部件較多，而三維建模軟件主要通過點、線、面的方式來表現(xiàn)模型。為了保證較少的面片數(shù)以及防止切割時導(dǎo)致點和線的錯位，在建模時主要采用布爾疊加的方式，即分別構(gòu)建各個微小部件，再將各個小部件塌陷為一個整體。這種方式既可以一定程度上減少工作量，也可以盡可能地避免模型變形。

采用上述三維建模的原則方法，建立某彈用渦噴發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、噴管等部件的三維模型。其整體結(jié)構(gòu)組裝圖如3所示，建立三維模型后可以對其分部件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)展示，便于學(xué)員掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（二）虛擬拆裝軟件開發(fā)

三維交互是指在計算機(jī)中創(chuàng)建三維模型，然后通過交互設(shè)計軟件設(shè)定程序，使用戶可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等外接設(shè)備實施人機(jī)交互的技術(shù)[5]。采用三維交互軟件開發(fā)發(fā)動機(jī)虛擬拆裝軟件，軟件界面如圖4所示。

該軟件主要用于學(xué)員進(jìn)行某渦噴發(fā)動機(jī)的拆卸與裝配演示。

1.拆卸演示：以動畫的形式演示某渦噴發(fā)動機(jī)的拆卸過程，在此過程中用戶可以通過鼠標(biāo)操作來調(diào)整任意一個部件的位置，可以改變觀看的角度，并可調(diào)整每一個部件的尺寸大小，這可以讓學(xué)員觀察各部件的內(nèi)部細(xì)節(jié)，便于學(xué)員對發(fā)動機(jī)部件結(jié)構(gòu)的認(rèn)識學(xué)習(xí)，如圖5所示。

2.裝配作業(yè)：可實現(xiàn)并訓(xùn)練操作人員的虛擬裝配，要求操作者必須認(rèn)識每一個部件，掌握部件之間的連接關(guān)系，進(jìn)而能夠按照正確的安裝順序?qū)l(fā)動機(jī)的各個部件裝配到正確的位置，如圖6所示。

3.部件的三維展示：可以根據(jù)需要，將發(fā)動機(jī)中的任意一個部件取出，讓操作者進(jìn)行三維觀察，掌握其結(jié)構(gòu)，并附帶相應(yīng)的部件原理說明文字，便于學(xué)習(xí)研究。

三、基于信息技術(shù)的CDIO課程教學(xué)實踐

利用信息化技術(shù)手段開發(fā)的軟件系統(tǒng)，可以有效地將理論計算、模型展示、結(jié)構(gòu)拆裝有機(jī)結(jié)合起來，提高學(xué)員學(xué)習(xí)效率。同時也可以與現(xiàn)場實裝教學(xué)結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的內(nèi)動力。在整個學(xué)習(xí)過程中，要使學(xué)員的認(rèn)知將書本理論知識與實物聯(lián)系起來，使學(xué)員更深刻地理解工程理論和原理，提高教學(xué)效果。這種教學(xué)模式雖然在一定程度上符合學(xué)員的認(rèn)知需求，提升了課堂教學(xué)質(zhì)量，但是學(xué)員對知識的系統(tǒng)掌握還是不夠牢固，團(tuán)隊協(xié)作能力較差，不能滿足部隊對新型軍事人才的需求。

經(jīng)過幾次教學(xué)實踐后，我們將CDIO[6-7]的課程教學(xué)理念引入到課堂教學(xué)當(dāng)中，即基于項目或產(chǎn)品研發(fā)過程，進(jìn)行構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行。這種教學(xué)理念強調(diào)“做中學(xué)”?！白鲋袑W(xué)”是杜威在批判傳統(tǒng)學(xué)校教育的基礎(chǔ)上，建立在實用主義思想之上的教育思想，它強調(diào)學(xué)員的本能和興趣?！皬淖鲋袑W(xué)”也就是從實踐中學(xué)、從經(jīng)驗中學(xué)，使學(xué)校里習(xí)得的知識與生活過程中的活動聯(lián)系起來。杜威認(rèn)為，“從做中學(xué)是比從聽中學(xué)更好的學(xué)習(xí)方法”，符合人類認(rèn)識客觀事物的規(guī)律[8]。

在CDIO教學(xué)模式下，我們對導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)專業(yè)2016級至2018級學(xué)員的導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維護(hù)課程進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)改革實踐。在實踐過程中重點加強對學(xué)員的知識綜合應(yīng)用能力、團(tuán)隊意識、合作能力等方面考核，并適度采用學(xué)員自評和學(xué)員互評以提高學(xué)員的自主意識和能力。另外，在教學(xué)條件方面，教員要為學(xué)員搭好平臺，營造出良好的教學(xué)氛圍。課程第一堂課就以自愿組合方式進(jìn)行分組，每個小組4～5人，由組員選出一位小組長。小組長的選取采用公開競聘的方式進(jìn)行，確保其公平、公開和公正。小組長選定后，其可以根據(jù)項目實施方案的具體要求，在征求組內(nèi)每個人意見和考慮組員每個人的能力特點后，進(jìn)行相應(yīng)任務(wù)分工，并確定每個人的完成時限和標(biāo)準(zhǔn)要求。

下面以具體微型發(fā)動機(jī)設(shè)計為例進(jìn)行簡單說明。教員首先提出任務(wù)方案，即為某型航空模型設(shè)計一款微型渦噴發(fā)動機(jī)。各小組在組長的帶領(lǐng)下，查閱相關(guān)國內(nèi)外技術(shù)資料，確定關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，并形成初步技術(shù)方案，該方案經(jīng)小組充分討論修改后還必須經(jīng)過項目式評審。在評審過程中，由教員和其他組學(xué)員擔(dān)任評審專家，對其方案的正確性、可行性進(jìn)行評估，如果評估不合格，必須重新設(shè)計、論證和評審，評審?fù)ㄟ^后才能進(jìn)行相應(yīng)的具體部件的設(shè)計和加工，并對發(fā)動機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的組裝拆解演示。

四、基于信息技術(shù)的CDIO課程教學(xué)效果評價

經(jīng)過三年的教學(xué)改革實踐，我們對參加完CDIO教學(xué)模式的導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)專業(yè)學(xué)員進(jìn)行了問卷調(diào)查，廣大學(xué)員總體上對CDIO模式下的教學(xué)改革持積極的支持態(tài)度。約90%的學(xué)員認(rèn)為CDIO理念可以應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維護(hù)課程教學(xué)，并認(rèn)為CDIO課程改革模式值得推廣?？梢姡瑢W(xué)員對此項導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維護(hù)課程教學(xué)改革的認(rèn)可度非同一般。隨著現(xiàn)代技術(shù)和觀念的不斷變化，軍隊院校的教員要積極轉(zhuǎn)變觀念和教學(xué)方法，適應(yīng)新一代學(xué)員的學(xué)習(xí)需要。傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)的“一言堂”教學(xué)模式已無法被學(xué)員接受，以學(xué)員為中心的、以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)模式更受到學(xué)員的喜愛。

通過改革實踐，約有92%的學(xué)員認(rèn)為CDIO導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維護(hù)教學(xué)提高了他們的綜合知識運用能力和溝通能力，約96%的學(xué)員肯定CDIO導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維護(hù)課有利于培養(yǎng)團(tuán)隊合作能力。溝通能力和團(tuán)隊合作能力是CDIO教學(xué)模式中最重要的能力素質(zhì)指標(biāo)，可見采用這種教學(xué)模式是可行有效的。導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維護(hù)課程教學(xué)應(yīng)該徹底從“應(yīng)付考試的教學(xué)模式”中解脫出來，把教學(xué)的重心放到培養(yǎng)學(xué)員的溝通能力、交際能力和合作能力等素質(zhì)教育上來。

通過對比傳統(tǒng)教學(xué)方法和CDIO教學(xué)模式下學(xué)員的理論考核成績，我們發(fā)現(xiàn)采用CDIO教學(xué)模式后學(xué)員的平均考核成績明顯高于前者。特別是理論分析類和綜合計算類題型，學(xué)員的成績有了明顯的提高，提高幅度約為20%。由此可見，學(xué)員對理論知識的綜合運用能力有了明顯的提升，他們不單單掌握了知識本身，更能將理論知識與具體的裝備結(jié)合起來，特別是能將前序課程的相關(guān)知識系統(tǒng)串聯(lián)起來，增強了解決實際問題的能力。

通過改革實踐，后續(xù)課程的所有任課教員，特別是本科畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)教員普遍反映，參加過CDIO教學(xué)模式改革的學(xué)員相比其他學(xué)員，具備更強的解決實際問題的能力、更強的動手能力、更強的語言表達(dá)能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，這些能力在學(xué)員的畢業(yè)設(shè)計中體現(xiàn)得尤為突出，使得不少學(xué)員的設(shè)計被評為學(xué)校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計。通過教學(xué)改革提高學(xué)員課堂參與度，有效鍛煉了學(xué)員的學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了學(xué)員的思維習(xí)慣和綜合素質(zhì)，為他們能夠適應(yīng)部隊奠定了堅實的基礎(chǔ)。

五、教學(xué)改革實踐后的思考

（一）緊跟時代步伐，不斷加強信息化教學(xué)手段應(yīng)用

隨著信息化技術(shù)的不斷進(jìn)步，教員必須不斷將新的技術(shù)手段應(yīng)用到課堂教學(xué)中來，必須結(jié)合各種新興技術(shù)的特點和課程教學(xué)實際，開發(fā)適合學(xué)員學(xué)習(xí)的教學(xué)軟件平臺，將學(xué)員的精確學(xué)習(xí)和訂單化學(xué)習(xí)變?yōu)楝F(xiàn)實。在今后的教學(xué)實踐中，應(yīng)該把先進(jìn)的信息化技術(shù)作為激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)熱情的有力武器，并實時將新的教育教學(xué)理念引入課堂教學(xué)中，不斷提升課堂教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)員的綜合能力素質(zhì)。

（二）課程教學(xué)必須堅持以學(xué)員為中心

以學(xué)員為中心，必須站在學(xué)員學(xué)習(xí)和思考的角度來組織教學(xué)活動。英國小說家懷特（Patrick White）曾說過：“我忘了別人教我的東西，我只記得我學(xué)的東西?！敝挥杏行У丶ぐl(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)欲望和熱情，才能取得良好的學(xué)習(xí)效果?；谛畔⒓夹g(shù)的CDIO課程教學(xué)實踐，恰恰體現(xiàn)了這一教學(xué)理念，學(xué)員不是教會的，是學(xué)會的，學(xué)員的能力是在實踐中培養(yǎng)出來的。項目的形式使每一名學(xué)員都參與到課堂教學(xué)中，獲得了成就感和自我認(rèn)同感，從而保證了持續(xù)學(xué)習(xí)的動力和信心，并且極有可能激發(fā)其繼續(xù)學(xué)習(xí)的動力和熱情。在教學(xué)實施過程中，以發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)原理為基礎(chǔ)，充分結(jié)合信息技術(shù)和CDIO教學(xué)理念，把專業(yè)所需的知識、各種能力融合在一起，形成一個整體。把彈用渦噴發(fā)動機(jī)從工作原理到結(jié)構(gòu)組成，再到性能評估，形成知識認(rèn)知的不斷深化，有效增強學(xué)員學(xué)習(xí)的主動性，必將會取得良好的學(xué)習(xí)效果。

（三）加強實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)員的實踐能力和團(tuán)隊合作能力

教員要將CDIO理念應(yīng)用于課程的實踐教學(xué)中，以培養(yǎng)學(xué)員的應(yīng)用知識能力為“核心”，將CDIO理念的“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作”與學(xué)員認(rèn)知能力培養(yǎng)思想有機(jī)結(jié)合，使學(xué)員能“看中學(xué)”“做中學(xué)”“用中學(xué)”。在實踐環(huán)節(jié)將學(xué)員分組形成多個團(tuán)隊，使學(xué)員在團(tuán)隊中通過實踐環(huán)節(jié)中的合作、交流，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神和交流溝通能力。這三個層次的實踐環(huán)節(jié)能使學(xué)員形成共享知識、應(yīng)用知識、總結(jié)知識和傳播知識的能力。這樣的改革實踐，必將能夠培養(yǎng)出未來戰(zhàn)爭所需的高素質(zhì)軍事人才。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]

[收稿時間]2020-05-27

[作者簡介]曲凱（1980-），男，山東鄒平人，博士，副教授，研究方向：導(dǎo)彈動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測與壽命評估。