朱近赤 謝迎春 劉貴杰

摘? ? 要：“柴油機(jī)拆裝實驗”是輪機(jī)工程專業(yè)的核心實驗課程。在教學(xué)過程中，教師雖將虛擬拆裝軟件作為實物拆裝的補(bǔ)充，但學(xué)生對柴油機(jī)各部件結(jié)構(gòu)的功能與原理的掌握程度仍不夠深入。經(jīng)過企業(yè)調(diào)研，教師基于GT-POWER內(nèi)燃機(jī)仿真軟件，增設(shè)仿真計算實驗項目，采用“VOS”（Virtual-Object-Simulation）虛實結(jié)合教學(xué)方法開展教學(xué)，即虛擬拆裝補(bǔ)充實物拆裝，通過仿真實驗研究實物拆裝的結(jié)構(gòu)問題。實踐結(jié)果表明，“柴油機(jī)拆裝實驗”課程教學(xué)改革不僅使學(xué)生牢固地掌握了柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點及功能原理，還提高了其對前后序課程的知識銜接能力及應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：“柴油機(jī)拆裝實驗”課程;實驗教學(xué)改革;虛實結(jié)合

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）10-0070-03

一、引言

“柴油機(jī)拆裝實驗”是配合“船舶柴油機(jī)”課程理論教學(xué)開設(shè)的工作技能層面的核心實驗課程，對于培養(yǎng)學(xué)生將柴油機(jī)的性能理論與結(jié)構(gòu)特性緊密結(jié)合及實際操作能力，進(jìn)而逐步形成全面發(fā)展的專業(yè)能力具有重要意義?！安裼蜋C(jī)拆裝實驗”課程要求學(xué)生熟練掌握柴油機(jī)的拆裝步驟及基本要領(lǐng)，了解專用工具的使用方法、相關(guān)間隙測量方法，以及柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)的檢查與調(diào)整，進(jìn)而深入了解柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理[1]。但是，由于船舶柴油機(jī)體積較大，配合行吊占用面積過大，每次拆卸安裝對柴油機(jī)有破壞性且成本較高，柴油機(jī)技術(shù)更新較快，以及受安全性及臺套數(shù)限制，學(xué)生雖能開展現(xiàn)場拆裝實訓(xùn)，但難以面面俱到，教學(xué)形式也較為單一。因此，越來越多的高校將虛擬拆裝軟件作為“柴油機(jī)拆裝實驗”課程的補(bǔ)充，雖然無法完全替代實物拆裝過程，但虛擬拆裝不受場地和時間的限制，學(xué)生學(xué)習(xí)時間充分自主，而且學(xué)生通過拆裝軟件也能掌握柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及傳動機(jī)理。從各部件的細(xì)節(jié)展示來說，虛擬拆裝比實物拆裝更能全面展示耦合關(guān)系及傳動關(guān)系，線上線下混合式教學(xué)方式也更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。虛擬仿真實驗融合信息技術(shù)前沿，交互性好、體驗感強(qiáng)，對于模擬危險性高及規(guī)模較大的實驗有較好效果[2-4]。

在傳統(tǒng)虛實結(jié)合教學(xué)模式下，“柴油機(jī)拆裝實驗”課程對柴油機(jī)整體結(jié)構(gòu)及各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，以及對傳動耦合關(guān)系的講解較為深入，但對結(jié)構(gòu)組成與柴油機(jī)原理及性能的關(guān)聯(lián)性展示不強(qiáng)，因此，文章對“柴油機(jī)拆裝實驗”課程進(jìn)行教學(xué)改革研究及探索。作者根據(jù)企業(yè)專家調(diào)研，基于GT-POWER內(nèi)燃機(jī)仿真軟件構(gòu)建“VOS”虛實結(jié)合教學(xué)方法，由三維虛擬到實物拆裝再到仿真計算，增進(jìn)學(xué)生對柴油機(jī)整體結(jié)構(gòu)的理解，并培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力。

二、“柴油機(jī)拆裝實驗”課程存在的問題

根據(jù)課程實際反饋及學(xué)生評教分析，“柴油機(jī)拆裝實驗”課程尚存在以下幾點問題。

（一）教學(xué)內(nèi)容受虛擬軟件限制

目前，基于虛擬拆裝軟件與實物拆裝構(gòu)建的虛實結(jié)合教學(xué)模式，能夠使學(xué)生通過線上線下較為自由地安排時間進(jìn)行實物拆裝前的虛擬練習(xí)，做好拆裝順序及拆裝方法的預(yù)習(xí)，增強(qiáng)對各結(jié)構(gòu)的印象，掌握傳動機(jī)構(gòu)、內(nèi)部構(gòu)造、各系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系等知識。但現(xiàn)行的虛實結(jié)合教學(xué)模式處于實物拆裝的預(yù)習(xí)階段，是對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)功能等知識的加強(qiáng)。虛擬拆裝軟件不僅存在拆卸裝配路徑單一的問題，而且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)的順序及流程進(jìn)行虛擬操作的局限性，也使得虛擬仿真的效果取決于軟件研發(fā)者的動畫制作及理論研究水平，難以滿足學(xué)生日益增長的求知欲。

（二）教學(xué)方案缺乏前后序課程聯(lián)動

柴油機(jī)各系統(tǒng)的運(yùn)行及耦合關(guān)系，涉及“機(jī)械原理”“工程制圖”等多門專業(yè)課程的知識，更能夠通過實驗設(shè)計延伸至“工程流體力學(xué)”“工程熱力學(xué)”等專業(yè)核心課程內(nèi)容。目前，雖然“柴油機(jī)拆裝實驗”課程教學(xué)方案要求鍛煉學(xué)生的柴油機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝能力，但“柴油機(jī)拆裝實驗”作為專業(yè)核心實驗課程，僅止于培養(yǎng)學(xué)生使用工具對復(fù)雜柴油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸檢測的能力，未達(dá)到呼應(yīng)前后序課程的目的。

（三）實驗設(shè)計限制創(chuàng)新能力

“柴油機(jī)拆裝實驗”作為本科階段的核心實驗課程，目前的拆裝與檢測實驗局限于驗證性實驗。在實驗過程中，學(xué)生按部就班地完成拆卸步驟與安裝步驟;同時，教師對柴油機(jī)拆裝檢修要求嚴(yán)格，要求學(xué)生在拆卸前對螺栓位置做好標(biāo)記，在擰緊時也要擰緊到相同位置。雖然能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的勞動精神，但對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不足。因此，在拆卸過程中，教師可要求學(xué)生充分測量柴油機(jī)的活塞、進(jìn)排氣管、噴油嘴等部件的尺寸，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識進(jìn)行相關(guān)創(chuàng)新訓(xùn)練。

（四）考核方式對能力體現(xiàn)不充分

“柴油機(jī)拆裝實驗”課程采用的考核方式由現(xiàn)場拆裝表現(xiàn)及實驗報告構(gòu)成，分別占總成績的30%和70%。但過程性考核及創(chuàng)新性考核不足，單一的考核標(biāo)準(zhǔn)無法充分體現(xiàn)個人能力及創(chuàng)新意識。

三、“VOS”“柴油機(jī)拆裝實驗”課程教學(xué)改革方案設(shè)計

為解決上述問題，教師整合學(xué)生反饋，并對柴油機(jī)相關(guān)企業(yè)開展調(diào)研，基于工程典型問題及學(xué)生所應(yīng)具備的能力進(jìn)行了課時調(diào)整，提出了“VOS”虛實結(jié)合教學(xué)方法。其中，V（Virtual）即虛擬現(xiàn)實的虛擬拆裝環(huán)節(jié)，O（Object）即實物拆裝環(huán)節(jié)，S（Simulation）即基于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)開展的仿真計算環(huán)節(jié)。同時，教師將考核標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為虛擬軟件拆裝占20%，實物拆裝占30%，仿真計算實驗占20%，實驗報告占30%。不僅降低了實驗報告所占比例，加大了對學(xué)生實踐能力的考核，而且虛擬軟件及仿真計算實驗具備線上記錄功能，可以針對學(xué)生個人學(xué)習(xí)情況客觀打分。實物拆裝過程中的熟練程度及拆裝流程規(guī)劃是考核的重點。

GT-POWER內(nèi)燃機(jī)軟件是柴油機(jī)企業(yè)實際設(shè)計生產(chǎn)中使用的基于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行柴油機(jī)性能分析的軟件工具，可以通過設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對目標(biāo)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行性能分析。運(yùn)用該軟件進(jìn)行仿真計算實驗，可以幫助學(xué)生理解柴油機(jī)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機(jī)性能的影響。

采用“VOS”虛實結(jié)合教學(xué)方法的“柴油機(jī)拆裝實驗”課程教學(xué)分為5個環(huán)節(jié)，具體如下。

（一）安全思想政治教育

本環(huán)節(jié)共2課時。實驗室安全是“柴油機(jī)拆裝實驗”課程教學(xué)最需遵守的守則，因此，教師在第一課就應(yīng)反復(fù)強(qiáng)調(diào)在拆裝過程中的操作安全與規(guī)范，避免出現(xiàn)因操作失誤導(dǎo)致學(xué)生受傷的情況。同時，教師應(yīng)立足“柴油機(jī)拆裝實驗”課程，對學(xué)生進(jìn)行勞動精神培養(yǎng)。不論是場地維護(hù)、工具收納，還是操作過程的規(guī)范，都應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的勞動意識。通過具體部件的拆裝維護(hù)及設(shè)計制造工藝的講解，學(xué)生了解重要機(jī)械設(shè)備發(fā)展過程中體現(xiàn)的工匠精神。

（二）理論回顧及拆裝實驗準(zhǔn)備

本環(huán)節(jié)共2課時。在理論回顧環(huán)節(jié)，教師通過讀銘牌的方式使學(xué)生掌握柴油機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、排量等信息，并以提問的形式帶領(lǐng)學(xué)生回顧柴油機(jī)基本骨架、兩大機(jī)構(gòu)、五大系統(tǒng)的組成，分析實物拆裝所用的四缸直列柴油機(jī)的點火順序及不同角度時的活塞運(yùn)動方向、氣門的開閉情況等。在拆裝實驗準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，教師需向?qū)W生闡明課時安排及最終的考核形式，并引導(dǎo)學(xué)生完成虛擬拆裝軟件及GT-POWER內(nèi)燃機(jī)軟件的使用流程預(yù)習(xí)。

（三）虛擬軟件拆裝（Virtual）

本環(huán)節(jié)共6課時。虛擬軟件拆裝作為“VOS”虛實結(jié)合教學(xué)方法的第一步，是實物拆裝的預(yù)習(xí)階段。依托虛擬軟件，學(xué)生在線上對柴油機(jī)三維模型進(jìn)行拆裝。由于虛擬軟件拆裝實訓(xùn)不受時間及場地的限制，學(xué)生可以隨時上線進(jìn)行操作、回顧，充分掌握柴油機(jī)模型結(jié)構(gòu)，了解拆裝流程，引發(fā)思考。虛擬軟件的動畫演示功能可以將水路、油路、機(jī)構(gòu)的傳動關(guān)系以剖面動畫的形式進(jìn)行清晰展示，加深學(xué)生的理解。在虛擬軟件的演示模式及練習(xí)模式下，學(xué)生可深入了解拆裝工藝流程及關(guān)鍵部件的檢測方法。

（四）實物拆裝（Object）

本環(huán)節(jié)共16課時。實物拆裝是“柴油機(jī)拆裝實驗”課程的核心與基礎(chǔ)。學(xué)生通過虛擬軟件拆裝環(huán)節(jié)在了解柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特征、部件的安裝特性及耦合關(guān)系后，再使用專業(yè)工具對柴油機(jī)實物進(jìn)行拆卸與裝配將得心應(yīng)手。同時，在拆裝過程中，由機(jī)體到各總成、由兩大機(jī)構(gòu)到五個系統(tǒng)，以及柴油機(jī)實物的細(xì)節(jié)及虛擬軟件難以體現(xiàn)的潤滑及冷卻回路乃至柴油機(jī)啟用后造成的各部件的磨損及失效檢修都能得到充分展示。本環(huán)節(jié)不僅要求學(xué)生對活塞等主要零部件進(jìn)行測繪，還要求學(xué)生對機(jī)構(gòu)簡圖及相位圖進(jìn)行繪制，對于“工程制圖”“機(jī)械原理”等前后序課程的知識也將得到充分應(yīng)用。例如，在精密的柴油機(jī)拆裝過程中，學(xué)生結(jié)合柴油機(jī)結(jié)構(gòu)聯(lián)系在“船舶柴油機(jī)”課程上所學(xué)的理論知識，回顧結(jié)構(gòu)對應(yīng)的原理，思考結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)的“機(jī)械原理”“流體力學(xué)”“控制基礎(chǔ)”“工程熱力學(xué)”等前后序課程中的專業(yè)知識。

（五）GT-POWER仿真計算實驗（Simulation）

本環(huán)節(jié)共6課時。在實物拆裝環(huán)節(jié)，關(guān)于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機(jī)性能的影響是學(xué)生普遍感興趣的問題，如柴油機(jī)缸徑、進(jìn)排氣管尺寸等對于動力輸出、尾氣噪音的影響都是有意義的科研課題;同時，理論計算可以解決單一的結(jié)構(gòu)性能問題，而學(xué)生對于多部件的尺寸調(diào)整對性能的影響亦有極強(qiáng)探索欲。本環(huán)節(jié)給學(xué)生提供了解決這些問題的機(jī)會，使學(xué)生可以通過GT-POWER仿真計算實驗進(jìn)行研究，從而加強(qiáng)對科學(xué)問題的探索。

1.仿真計算實驗導(dǎo)入環(huán)節(jié)——單缸柴油機(jī)性能計算

企業(yè)工程師以單缸柴油機(jī)模型為例，講解通過調(diào)整柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及邊界環(huán)境參數(shù)得到不同性能參數(shù)的方法。在使用GT-POWER內(nèi)燃機(jī)仿真軟件進(jìn)行柴油機(jī)的一維仿真計算建模過程中，學(xué)生首先應(yīng)在模型庫中挑選本模型所需部件，如進(jìn)排氣管、進(jìn)排氣閥、氣缸、噴油器、曲軸等，其次根據(jù)教程進(jìn)行缸徑100 mm、行程100 mm、連桿長度220 mm、壓縮比16.5、上止點間隙高度0.5 mm的單缸柴油機(jī)模擬計算，并通過處理得到單缸柴油機(jī)的運(yùn)行云圖，最后分析在不同曲軸角度下柴油機(jī)的整體、燃燒、未燃燒熱交換率等情況。

2.仿真計算實驗創(chuàng)新環(huán)節(jié)——柴油機(jī)測繪數(shù)據(jù)建模計算

實物拆裝過程所用的柴油機(jī)為云內(nèi)4102四沖程四缸直列式柴油機(jī)，點火順序為1、3、4、2，相比單缸柴油機(jī)，其增加了空氣濾清器、穩(wěn)壓腔等單元，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)已于實物拆裝環(huán)節(jié)測量得出。學(xué)生在測繪環(huán)節(jié)，使用專業(yè)測量工具得到該柴油機(jī)的主要參數(shù)，即缸徑102 mm、行程115 mm、額定轉(zhuǎn)速2 400 rpm?；诖四Ｐ?，學(xué)生選擇使用GT-POWER內(nèi)燃機(jī)軟件，通過改變缸徑結(jié)構(gòu)參數(shù)，對比5個工況下的輸出功率，研究發(fā)現(xiàn)缸徑越大輸出扭矩就越大。

綜上所述，“VOS”虛實結(jié)合教學(xué)方法首先通過虛擬軟件拆裝初步認(rèn)知柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特性，其次通過實物拆裝強(qiáng)化對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，最后通過仿真計算實驗對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)性能的科學(xué)問題進(jìn)行研究，這種教學(xué)方法既具備線上線下教學(xué)的靈活度，又具備知識結(jié)構(gòu)的完整性。

四、“柴油機(jī)拆裝實驗”課程教學(xué)改革的成效及反饋

第一，增強(qiáng)了學(xué)生對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的掌握?！癡OS”虛實結(jié)合教學(xué)方法讓學(xué)生從柴油機(jī)結(jié)構(gòu)出發(fā)，在虛擬軟件拆裝到實物拆裝的過程中針對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、研究問題，層層遞進(jìn)，多角度掌握柴油機(jī)結(jié)構(gòu)。在課程改革探索中，學(xué)生均表示經(jīng)過虛實結(jié)合的“柴油機(jī)拆裝實驗”課程教學(xué)改革使其對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)有了更深的理解。

第二，促進(jìn)了學(xué)生對前后序課程的專業(yè)知識的應(yīng)用?！癡OS”虛實結(jié)合教學(xué)方法要求學(xué)生綜合運(yùn)用“船舶柴油機(jī)”“工程制圖”“機(jī)械原理”“流體力學(xué)”等多門專業(yè)課程所學(xué)知識進(jìn)行測繪、建模、分析，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力。

第三，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，為學(xué)生開拓了新思路。41個學(xué)生中，有33個學(xué)生表示在拆裝過程中，由機(jī)架到總成，由機(jī)構(gòu)到系統(tǒng)，對各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及形狀特征感到好奇，而GT-POWER仿真計算實驗提供了修改各部件結(jié)構(gòu)及形狀的研究機(jī)會，求知欲得到了滿足。

第四，完善了對學(xué)生能力提升的考核評價標(biāo)準(zhǔn)。課時的精確調(diào)整，以及過程性的考核標(biāo)準(zhǔn)，充分考查了學(xué)生的動手能力及思考能力，聚焦學(xué)生能力的全面提升，得到了學(xué)生的良好反饋。

五、結(jié)束語

文章對“柴油機(jī)拆裝實驗”課程進(jìn)行了虛實結(jié)合的教學(xué)研究探索，結(jié)果表明：虛擬軟件拆裝、實物拆裝、仿真計算實驗相結(jié)合的教學(xué)方法有助于學(xué)生加深對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的掌握程度，測繪、傳動機(jī)構(gòu)簡圖、GT-POWER仿真計算實驗的設(shè)置讓學(xué)生的綜合能力得到了充分鍛煉，學(xué)時及考核評價指標(biāo)的調(diào)整全面考查了學(xué)生的能力。學(xué)生基于“VOS”虛實結(jié)合的教學(xué)方法，不僅懂原理、熟結(jié)構(gòu)，更對探索復(fù)雜工程問題表現(xiàn)出明顯興趣。教師在后續(xù)可通過與企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)的形式向?qū)W生提供更多解決實際工程問題的機(jī)會，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新意識。

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收稿日期：2022-12-14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-02-20

作者簡介：朱近赤（1996—），男，湖北潛江人，中國海洋大學(xué)工程學(xué)院助理實驗師，研究方向為流體流動及傳熱。

通信作者：謝迎春

基金項目：國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點“機(jī)械設(shè)計制造及其自動化”;山東省一流本科專業(yè)建設(shè)點“輪機(jī)工程”;2022年中國海洋大學(xué)實驗室研究基金項目“基于GT-POWER的‘柴油機(jī)拆裝實驗課程教學(xué)改革研究”（202251012）;教育部第二批新工科研究與實踐項目“多學(xué)科交叉融合的海洋工程卓越人才培養(yǎng)模式探索與實踐”（E-TMJZSLHY20202132）