叶轮机械综合实验课线上线下混合教学探索与实践

摘  要：叶轮机械是航空发动机以及能源动力系统的关键部件，在国家积极推进“航空发动机和燃气轮机重大专项”的背景下，立足本校学情，对专业实验课叶轮机械综合实验的教学模式进行探索与实践。通过对目前叶轮机械实验课程的教学情况进行分析，根据线上线下混合式教学理念及其教学模式优势，针对所提出的问题，对实践课混合教学模式进行研究与探索。该教学方法探索全方位解决学生在课前预习、课堂实验操作及课后实验报告这三个主要环节中存在问题的途径，并且解决传统高速跨声速叶轮机械实验受安全限制无法线下开展的问题。通过线上线下混合式教学模式的实施，不仅保留传统实验教学的实际操作体验，而且将信息化网络化创新带入实验课堂，进一步优化当前的叶轮机械实验课教学模式，提升实验教学的新高度。

关键词：叶轮机实验；线上线下；混合教学；虚拟仿真；信息化教学

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）32-0113-05

Abstract： Turbomachinery is a key component of aviation engines and energy power systems. Against the backdrop of the country's active promotion of the "Major Special Project for Aviation Engines and Gas Turbines"， based on the academic situation of our school， we explore and practice the teaching mode of the professional experimental course "Comprehensive Experiment of Vane Machinery". By analyzing the current teaching situation of impeller machinery experimental courses， based on the concept of blended online and offline teaching and the advantages of the teaching mode， research and exploration are conducted on the blended teaching mode of practical courses in response to the problems raised. This teaching method explores ways to comprehensively solve the problems that students face in the three main stages of pre class preparation， classroom experimental operations， and post class experimental reports. It also solves the problem of traditional high-speed transonic turbomachinery experiments being unable to be conducted offline due to safety restrictions. The implementation of a blended online and offline teaching mode not only preserves the actual operating experience of traditional experimental teaching， but also brings information and network innovation into the experimental classroom， further optimizing the current teaching mode of impeller machinery experimental courses and elevating experimental teaching to a new height.

Keywords： turbomachinery experiment; online and offline; hybrid teaching; virtual simulation; information technology teaching

基金项目：2021年教育部高等学校能源动力类教学研究与实践项目“‘虚实结合’的叶轮机械实验课教学模式创新与实践”（NSJZW2021Y-38）；2024年西北工业大学教育教学改革研究重点项目“基于虚拟仿真的线上线下混合式复杂工程系统实践教学研究与探索”（2024244166）

第一作者简介：刘汉儒（1985-），男，汉族，陕西咸阳人，博士，副教授。研究方向为叶轮机械气动热力学。

*通信作者：王掩刚（1976-），男，汉族，陕西咸阳人，博士，教授。研究方向为叶轮机械气动热力学。

航空发动机与燃气轮机“两机”重大项目的实施，培养一大批高素质的相关专业工程技术人才，已成为重要的发展方向[1]。叶轮机械综合实验作为飞行器动力工程专业的一门主要实验课程，其教学内容涵盖了航空压气机和平面叶栅这两大核心模块的基础理论知识，具有较强的工程实际意义[2-3]。本课程以气体动力学、工程热力学、传热学、机械设计为主要内容，并以此为基础，为后续的航空发动机理论研究奠定了良好的基础。在现实层面，由于叶轮机械本身的结构十分复杂，其内部的流体流动更是无法直接进行观测的，在理论学习层面，这门课程的内容有许多的抽象概念，并且有很强的综合性和连续性，所以学习起来也就变得十分困难。叶轮机械综合实验课程的设置，既是通过实验实践过程对所学内容的理解和掌握，又是对学生实验创新能力的培养。通过一系列设计和验证类实验，使学生认识了叶轮机械的基本结构形式、工作性能和调节控制，以及航空叶轮机械的性能测试、流动测试、设计和虚拟实验的基本方法，提高了学生的实际操作能力[4]。叶轮机械综合实验课程打造了一个让学生掌握专业仪器、专业实验操作、专业软件操作、专业资料分析等知识的主阵地，把实验教学提高到了复杂系统工程化思维和理念培养的高度，是“总师型”创新人才培养不可缺少的重要途径。

目前高校教师积极探索利用各种网络直播平台开展理论课程的线上教学[5]，以虚拟仿真实验技术、翻转课堂为基础，构建出一种“虚实结合”的线上线下混合教学模式，受到了广泛的关注[6-8]。虚拟实验为叶轮机械原理教学实验课程的教学研究探索提供了新的思路[2]。本文分析总结了教学团队在叶轮机械综合实验课程中所遇到的教学问题，结合本教学团队所使用的失速/喘振虚拟实验平台与叶轮机械实验室开展实体叶轮机械实验构成线上线下虚实结合的混合式教学模式，并进行探索研究。

一  叶轮机械实验教学现状

当前，在西北工业大学的叶轮机械综合实验课程的教学环节中，课前需要每名学生提前完成课前预习报告，课中学生自主组队，以每组5～10人的团队协作方式完成当前的实验操作，课后以实验指导书与叶轮机械原理等书本为依据，对实验结果进行处理，完成和提交相应实验的实验报告。目前，本教学团队的叶轮机械综合实验课程在教学实践环节中存在以下几个问题。

（一）  课前预习效果不佳

叶轮机械综合实验主要包含压气机稳态特性实验、进出口流场分布实验、叶片攻角测试实验、进气畸变条件性能实验、非定常压力测试和压气机失速和喘振实验等，每个实验项目所使用的实验仪器和实验方法都不尽相同。为了得到较高的课堂效率，一般需要学生对实验目的、实验原理有一个清晰的认识，实验仪器和实验注意事项等需要提前熟悉。所以要求学生将自己预习的项目写成一个实验预习报告。在这一环节中，学生一般都是阅读叶轮机械实验指导书，根据以前所学的有关叶轮机械的知识来进行推理，但是学生并不能很好地从指导书和原有的知识储备中，直接掌握实验原理，熟悉实验仪器，了解实验步骤，观察实验现象。所以实验的预习报告就成为了一种形式层面的东西，如果学生只是单纯地想要完成一篇关于实验的预习报告，那么预习的效果将会很差。

（二）  课时安排紧凑，实验独立操作时间受限

叶轮机械综合实验操作内容较多，操作具有一定难度。由于课时安排比较紧凑，导致学生的自主探索操作时间有限。同时，由于实验和理论不能完全同步，因此，在实验教学中，经常会出现理论知识滞后的现象。比如，在平面叶栅迎角特性测量的实验中，需要将探针对准气流方向，如何正确且快速地将探针对准气流方向，是学生在理论教学中几乎接触不到的，因此，对于三孔探针的使用，还需要任课老师对其进行原理方面的介绍，理论授课时间占比的增加，减少了学生独立操作的时间。

（三）  高转速叶轮机械实验受安全限制难以开展

高速叶轮机械实验通常需要高强度的叶轮机械实验件，对于压气机的失速/喘振实验，实验过程中气流延压气机轴线方向发生的低频率，高振幅的气流震荡现象，这种气流震荡会导致压气机内部伴有强烈的机械振动，在极短的时间内造成机件的严重损坏，这种不稳定的因素可能会影响到学生的安全。强烈的机械振动对试验器材有很大的损伤，每完成一组实验可能就会需要一次维修，实验成本昂贵。叶轮机械设备在高速运行中，容易发生意外，对学生的安全有一定的风险，即便在部分高校开设了类似的高转速叶轮机械试验台，也仅限于教师演示，学生观摩，不利于学生实践能力的培养。

（四）  数据处理不规范，抄袭现象明显

叶轮机械综合实验的理论课只有2学时，主要讲授不同实验科目的基本原理、操作方法及数据处理分析，理论课难点和重点较多。由于理论授课时间有限，老师需要在有限的时间内讲授叶轮机械的理论知识与课程评分标准，对于大部分的学生来说并不能很好地学到对于实验数据的处理方法与实验报告的规范撰写。在实验结束后就会有许多学生面对实验数据，不知道如何将自己在理论上学习到的知识应用到数据处理中去，而且大部分学生也不具备课后科学规范地处理实验数据的能力。实验实践课的考核方式通常是以实验报告为主、实验操作为辅，书写工整、数据合理的实验报告为评判原则。因此，针对同学之间相互抄袭实验结果的现象很多，也不容易甄别。

（五）  学生缺乏科研思维和创新能力训练

学生的科研思维和创造力的培养受到了许多方面的影响，如：学生自身的学习动机，学校的教学环境，教师的教学方式等。大多数的学生都受限于原有的“填鸭式教学”，依赖于授课老师，学习被动。在实验的过程中，他们只是根据老师的观点，进行重复的实验操作，没有对叶轮机械实验的兴趣和好奇心，忽视了对自己的科研思考能力和创新能力的提高。

另外，在教学过程忽视教学技术、教学方法和教学内容的改进，以及对学生创新思维和实验能力培养的深入研究。大多数教师认为，本科生的基础比较薄弱，不太可能让他们参与到科研计划中来。所以，在大多数高校中，能有机会接触到新科技、新方法的学生寥寥无几。当前，“以分论分”和“以成绩论分”的现象严重地影响了创造力的评价，也制约了学生的发散思维能力。由于学生自身、教师和学校等诸多因素的影响，目前高校学生的创新意识和创新能力普遍不足。

二  叶轮机械线上线下混合实验教学平台建设

（一）  实体教学资源建设

西北工业大学叶轮机械精细化实验室在国家及学校相关条件建设资源的支持下，建立了用于线下叶轮机实验教学的低速轴流对转压气机试验台，以及相关的控制设备、测试设备、采集及可视化设备和数据处理分析模块。能够开展的线下叶轮机械实验教学内容包括轴流压气机稳态特性试验、叶轮机非定常压力参数测量与数据处理、进气畸变条件压气机性能实验、压气机进出口流动参数分布测量、压气机转子攻角特性测量和静叶尾迹损失实验等。线下教学实验平台设备如图1所示，线下实验在西北工业大学叶轮机械实验室中进行，线下实验满足学生实际操作层面实验技术的需求，同时让学生对叶轮机械有更加直观和深刻的认识。

（二）  虚拟实验原理与设计