張國慶，楊慶祥，黃燃東，蔣明松

（1.安陽工學(xué)院飛行學(xué)院，河南安陽455000；2.航太信息科技（上海）有限公司，上海200000）

2010年5月國務(wù)院常務(wù)會議審議并通過的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》將“加快教育信息化進(jìn)程”作為專題重點闡述，并指出“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”[1]。2012年3月，教育部印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，要求推動信息技術(shù)與高等教育資源深度融合，建立優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和共建共享環(huán)境[2]。2013年8月，教育部高等教育司頒布了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函〔2013〕94號），啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作，按照分年度、分批次建設(shè)原則，共計劃建設(shè)500個左右虛擬仿真實驗教學(xué)中心。2017年7月，教育部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4號），啟動了示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)工作，按照先建設(shè)應(yīng)用、后評審認(rèn)定并進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測評估的方式，分年度、分批次建設(shè)1000項左右虛擬仿真實驗教學(xué)項目，進(jìn)一步提高實驗教育質(zhì)量水平，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。2018年6月，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》（教高函〔2018〕5號），指出國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目是示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的進(jìn)一步深化與拓展，而虛擬仿真實驗教學(xué)項目是虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的重要內(nèi)容之一。

安陽工學(xué)院(以下簡稱“我?！?在虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)過程中，堅持應(yīng)用型人才培養(yǎng)理念，依托航空特色學(xué)科專業(yè)，合理選取實驗教學(xué)內(nèi)容，細(xì)化實驗操作步驟，通過校企合作模式，全面推進(jìn)信息科學(xué)技術(shù)與實驗教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合，積極探索實驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、共享化，建立創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式，將實驗教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，以高質(zhì)量實驗教學(xué)助推高等教育教學(xué)質(zhì)量實現(xiàn)變軌超車。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)意義

航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷虛擬仿真實驗教學(xué)項目是以我校飛行技術(shù)、飛行器制造工程、交通運(yùn)輸（民航機(jī)務(wù)工程）等航空類特色專業(yè)為依托，以航空發(fā)動機(jī)課程為載體，以拓展學(xué)生實驗教學(xué)資源為指向，以培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)而建設(shè)的實驗教學(xué)項目。

航空活塞發(fā)動機(jī)是提供航空器飛行動力的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，發(fā)動機(jī)帶動空氣螺旋槳等推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推進(jìn)力，在其工作過程中，活塞與氣缸產(chǎn)生高速相對運(yùn)動，兩者之間會有摩擦作用力存在，隨著發(fā)動機(jī)工作時數(shù)的增加，氣缸會因相互間摩擦作用而磨損，其磨損程度可直接導(dǎo)致航空器飛行性能、安全性能下降。為保證航空器實現(xiàn)安全穩(wěn)定飛行，航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷是航空器維修及定檢過程中必不可少的一項檢測項目。由于購置航材費(fèi)用較高，實驗室實物無法滿足教學(xué)和培訓(xùn)需求，同時實驗室器材破損率較高，極大增加了后期維護(hù)費(fèi)用。為解決傳統(tǒng)教學(xué)過程中的一些難題，我校以優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源開放與共享為目標(biāo)，根據(jù)“虛實結(jié)合、虛實互補(bǔ)”的教學(xué)思想，將虛擬仿真技術(shù)引入實驗教學(xué)，開發(fā)建設(shè)航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷虛擬仿真實驗教學(xué)項目，實現(xiàn)線上線下教學(xué)相結(jié)合，極大拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間和學(xué)習(xí)資源，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。

通過該虛擬仿真實驗教學(xué)項目，學(xué)生初步了解航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷的相關(guān)實驗步驟與具體操作流程，更準(zhǔn)確地理解其實驗原理，掌握相應(yīng)知識要點，學(xué)習(xí)的主動性和積極性不斷增強(qiáng)，思考能力、分析解決問題能力和實際操作技能不斷提高。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)方法

航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷虛擬仿真實驗教學(xué)項目，采用虛擬仿真信息技術(shù)，構(gòu)建虛擬三維視角航空活塞發(fā)動機(jī)模型及工作平臺，結(jié)合人機(jī)交互模式，實時再現(xiàn)航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷實況，使學(xué)生沉浸至具體實驗操作場景中。如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗場景

在該虛擬仿真實驗教學(xué)項目中，分別設(shè)置有訓(xùn)練模式和考核模式兩個模塊，學(xué)生通過賬號登錄至實驗界面后可自行選擇實驗?zāi)Ｊ剑鐖D2所示。在訓(xùn)練模式下，實驗系統(tǒng)通過文字、動畫等方式逐步提示學(xué)生進(jìn)行具體實驗操作步驟，若學(xué)生在實驗過程中遇到難點時，可以點擊“幫助”按鈕查閱問題具體解決方案。同時，在該模式下，學(xué)生對具體實驗操作步驟可實現(xiàn)可逆操作，進(jìn)一步熟悉實驗原理及具體操作流程。

圖2 虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ竭x擇界面

若學(xué)生對該虛擬仿真實驗項目的實驗原理及具體實驗操作步驟均已掌握，可選擇進(jìn)入考核模式對該實驗項目進(jìn)行考核評測。在考核模式下，學(xué)生需在無任何文字、動畫直接提示的情況下，獨立完成實驗操作步驟。在實驗過程中，若學(xué)生遺忘某一具體實驗操作步驟，可點擊系統(tǒng)頁面中“請求提示”操作按鈕，獲取對應(yīng)實驗操作步驟提示信息，但每次請求幫助均會在最終實驗考核成績中扣除對應(yīng)分?jǐn)?shù)。待所有實驗操作步驟結(jié)束后，學(xué)生需整理分析實驗所得數(shù)據(jù)，在線填寫并提交實驗總結(jié)報告。實驗系統(tǒng)會對整個實驗操作步驟及實驗總結(jié)報告進(jìn)行評測打分，對實驗過程中錯誤或遺漏的操作步驟進(jìn)行相應(yīng)分?jǐn)?shù)的扣減，并自動形成錯因分析報告，使學(xué)生對錯因一目了然，有助于學(xué)生糾錯。最后，實驗系統(tǒng)將最終考核評測成績及學(xué)生實驗報告上傳至教師管理系統(tǒng)。

在實驗操作過程中，學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤按鍵進(jìn)行具體實驗步驟操作。進(jìn)入實驗頁面后，首先鼠標(biāo)點選航空活塞發(fā)動機(jī)待檢測氣缸，隨后進(jìn)入氣缸測量場景，在工具箱中選擇游標(biāo)卡尺量具對氣缸外部口徑進(jìn)行基準(zhǔn)測量，并記錄實驗所得數(shù)據(jù)，根據(jù)測量結(jié)果在工具箱中選擇合適的內(nèi)徑百分表結(jié)構(gòu)組件，并對其進(jìn)行正確組裝。對組裝完成的內(nèi)徑百分表做調(diào)零處理，選擇已組裝完成的內(nèi)徑百分表對待測氣缸內(nèi)徑的上部、中部、下部分別進(jìn)行橫向測量與縱向測量，同時對測量所得實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析，計算得出所測氣缸內(nèi)徑各部位的圓度偏差與整體圓柱度偏差，根據(jù)計算結(jié)果判別該航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸的磨損程度。圖3為虛擬仿真實驗操作界面。

圖3 虛擬仿真實驗操作界面

通過該虛擬仿真實驗教學(xué)項目，學(xué)生可了解航空活塞發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，熟悉航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸的磨損機(jī)理，掌握量具游標(biāo)卡尺及內(nèi)徑百分表的構(gòu)件組成及使用方法，學(xué)會使用內(nèi)徑百分表對航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸不同部位內(nèi)徑進(jìn)行橫向測量與縱向測量，理解圓度偏差和圓柱度偏差的計算原理，并可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果診斷航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸的磨損狀況。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)項目網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷虛擬仿真實驗教學(xué)項目以計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件構(gòu)架開發(fā)，集三維實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能教學(xué)、實驗測評和教學(xué)管理于一體，是具有良好自主性、交互性和擴(kuò)展性的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。該虛擬仿真實驗教學(xué)項目的總體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖4所示。

圖4 虛擬仿真實驗總體構(gòu)架

用戶可隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷虛擬仿真實驗教學(xué)項目。該虛擬仿真實驗教學(xué)項目可提供的并發(fā)響應(yīng)數(shù)量為500個，并提供在線排隊提示服務(wù)。訪問用戶可選用的操作系統(tǒng)為Windows7及以上版本，在登錄實驗操作界面時可直接通過IE瀏覽器登錄，無須下載相關(guān)插件。該虛擬仿真實驗教學(xué)項目開發(fā)主體包括多媒體資源制作和計算機(jī)軟件程序編寫，采用3D仿真開發(fā)技術(shù)、WebGL技術(shù)、HTML、Unity3D、Visual Studio、Notepad++、Photoshop等開發(fā)工具，構(gòu)建了交互式虛擬仿真實驗平臺，同時采用JAVA語言進(jìn)行程序編寫。數(shù)據(jù)庫構(gòu)建選用MySQL形成集成化管理模式，進(jìn)而使得學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器高效、快捷地訪問該虛擬仿真實驗教學(xué)項目，打破時間與空間限制，使得學(xué)生能夠更加自主學(xué)習(xí)，有效提升學(xué)生自身求知欲[3]。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)項目特色創(chuàng)新

航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷虛擬仿真實驗教學(xué)項目是本科航空發(fā)動機(jī)課程實驗之一，學(xué)生通過虛擬仿真實驗自主學(xué)習(xí)，解決了傳統(tǒng)實驗中只有少數(shù)學(xué)生動手操作、其他學(xué)生旁觀的問題。學(xué)生可通過校內(nèi)或校外互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)鏈接至本實驗教學(xué)項目進(jìn)行虛擬仿真實驗，從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，讓學(xué)生由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。同時虛擬仿真實驗無須擔(dān)心實驗器材破損，可隨時隨地重復(fù)實驗操作，鞏固對應(yīng)知識要點[4]。

該虛擬仿真實驗教學(xué)項目結(jié)合“虛實結(jié)合、虛為實用、以虛補(bǔ)實”的思想，運(yùn)用信息技術(shù)生成全景模式，使學(xué)生置身于虛擬3D學(xué)習(xí)環(huán)境中，重現(xiàn)真實實驗內(nèi)容，縮短實驗周期。在教學(xué)評價體系方面，實驗老師可通過實驗操作平臺綜合分析學(xué)生實驗成績，并對實驗班級學(xué)生做整體考核，建立了教師、企業(yè)、學(xué)生等多主體“共同參與、交互作用”的多元化評價設(shè)計。系統(tǒng)軟件構(gòu)建了考試自主評分規(guī)則，有利于學(xué)生自我檢測[5]。

5 虛擬仿真實驗教學(xué)項目持續(xù)建設(shè)計劃

我校航空活塞發(fā)動機(jī)氣缸磨損診斷虛擬仿真實驗教學(xué)項目今后將持續(xù)面向校內(nèi)外開放，根據(jù)航空發(fā)動機(jī)課程特點，面向飛行技術(shù)、飛行器制造工程、交通運(yùn)輸（民航機(jī)務(wù)工程）等航空類特色專業(yè)持續(xù)有序開展相應(yīng)教學(xué)工作。為更好地促進(jìn)其他專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)和實踐能力的培養(yǎng)，面向全校學(xué)生開設(shè)開放選修實驗課程，供學(xué)生自主選擇，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約實驗并實現(xiàn)自主操作。本項目始終堅持以學(xué)生為本，為培養(yǎng)優(yōu)秀民用航空類制造、維修等相關(guān)人員提供良好的教學(xué)資源。

該虛擬仿真實驗教學(xué)項目要逐步由面向高校師生過渡為面向社會青少年航空愛好者推廣，幫助青少年航空愛好者了解和學(xué)習(xí)更多航空類科學(xué)知識，培養(yǎng)其航空興趣愛好。同時要建立有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的開放實驗教學(xué)體系，全方位開放服務(wù)的實驗教學(xué)環(huán)境。這一措施將使優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)資源得以充分共享，提高實驗教學(xué)開放的成效[6]。