基于虛實結(jié)合的“柴油機拆裝實驗”課程教學改革初探

朱近赤 謝迎春 劉貴杰

摘? ? 要：“柴油機拆裝實驗”是輪機工程專業(yè)的核心實驗課程。在教學過程中，教師雖將虛擬拆裝軟件作為實物拆裝的補充，但學生對柴油機各部件結(jié)構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)燃機仿真軟件，增設仿真計算實驗項目，采用“VOS”（Virtual-Object-Simulation）虛實結(jié)合教學方法開展教學，即虛擬拆裝補充實物拆裝，通過仿真實驗研究實物拆裝的結(jié)構問題。實踐結(jié)果表明，“柴油機拆裝實驗”課程教學改革不僅使學生牢固地掌握了柴油機結(jié)構特點及功能原理，還提高了其對前后序課程的知識銜接能力及應用能力。

關鍵詞：“柴油機拆裝實驗”課程;實驗教學改革;虛實結(jié)合

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

一、引言

“柴油機拆裝實驗”是配合“船舶柴油機”課程理論教學開設的工作技能層面的核心實驗課程，對于培養(yǎng)學生將柴油機的性能理論與結(jié)構特性緊密結(jié)合及實際操作能力，進而逐步形成全面發(fā)展的專業(yè)能力具有重要意義?！安裼蜋C拆裝實驗”課程要求學生熟練掌握柴油機的拆裝步驟及基本要領，了解專用工具的使用方法、相關間隙測量方法，以及柴油機技術參數(shù)的檢查與調(diào)整，進而深入了解柴油機的結(jié)構及原理[1]。但是，由于船舶柴油機體積較大，配合行吊占用面積過大，每次拆卸安裝對柴油機有破壞性且成本較高，柴油機技術更新較快，以及受安全性及臺套數(shù)限制，學生雖能開展現(xiàn)場拆裝實訓，但難以面面俱到，教學形式也較為單一。因此，越來越多的高校將虛擬拆裝軟件作為“柴油機拆裝實驗”課程的補充，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，學生學習時間充分自主，而且學生通過拆裝軟件也能掌握柴油機的內(nèi)部結(jié)構及傳動機理。從各部件的細節(jié)展示來說，虛擬拆裝比實物拆裝更能全面展示耦合關系及傳動關系，線上線下混合式教學方式也更能激發(fā)學生學習興趣。虛擬仿真實驗融合信息技術前沿，交互性好、體驗感強，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)合教學模式下，“柴油機拆裝實驗”課程對柴油機整體結(jié)構及各系統(tǒng)結(jié)構的認知，以及對傳動耦合關系的講解較為深入，但對結(jié)構組成與柴油機原理及性能的關聯(lián)性展示不強，因此，文章對“柴油機拆裝實驗”課程進行教學改革研究及探索。作者根據(jù)企業(yè)專家調(diào)研，基于GT-POWER內(nèi)燃機仿真軟件構建“VOS”虛實結(jié)合教學方法，由三維虛擬到實物拆裝再到仿真計算，增進學生對柴油機整體結(jié)構的理解，并培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力。

二、“柴油機拆裝實驗”課程存在的問題

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

（一）教學內(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建的虛實結(jié)合教學模式，能夠使學生通過線上線下較為自由地安排時間進行實物拆裝前的虛擬練習，做好拆裝順序及拆裝方法的預習，增強對各結(jié)構的印象，掌握傳動機構、內(nèi)部構造、各系統(tǒng)之間的耦合關系等知識。但現(xiàn)行的虛實結(jié)合教學模式處于實物拆裝的預習階段，是對柴油機結(jié)構功能等知識的加強。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)標準預設的順序及流程進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，難以滿足學生日益增長的求知欲。

（二）教學方案缺乏前后序課程聯(lián)動

柴油機各系統(tǒng)的運行及耦合關系，涉及“機械原理”“工程制圖”等多門專業(yè)課程的知識，更能夠通過實驗設計延伸至“工程流體力學”“工程熱力學”等專業(yè)核心課程內(nèi)容。目前，雖然“柴油機拆裝實驗”課程教學方案要求鍛煉學生的柴油機結(jié)構拆裝能力，但“柴油機拆裝實驗”作為專業(yè)核心實驗課程，僅止于培養(yǎng)學生使用工具對復雜柴油機結(jié)構進行拆卸檢測的能力，未達到呼應前后序課程的目的。

（三）實驗設計限制創(chuàng)新能力

“柴油機拆裝實驗”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，教師對柴油機拆裝檢修要求嚴格，要求學生在拆卸前對螺栓位置做好標記，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，教師可要求學生充分測量柴油機的活塞、進排氣管、噴油嘴等部件的尺寸，讓學生結(jié)合所學專業(yè)知識進行相關創(chuàng)新訓練。

（四）考核方式對能力體現(xiàn)不充分

“柴油機拆裝實驗”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，單一的考核標準無法充分體現(xiàn)個人能力及創(chuàng)新意識。

三、“VOS”“柴油機拆裝實驗”課程教學改革方案設計

為解決上述問題，教師整合學生反饋，并對柴油機相關企業(yè)開展調(diào)研，基于工程典型問題及學生所應具備的能力進行了課時調(diào)整，提出了“VOS”虛實結(jié)合教學方法。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）即基于柴油機結(jié)構開展的仿真計算環(huán)節(jié)。同時，教師將考核標準調(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，可以針對學生個人學習情況客觀打分。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)燃機軟件是柴油機企業(yè)實際設計生產(chǎn)中使用的基于柴油機結(jié)構參數(shù)進行柴油機性能分析的軟件工具，可以通過設置不同的結(jié)構參數(shù)對目標內(nèi)燃機進行性能分析。運用該軟件進行仿真計算實驗，可以幫助學生理解柴油機各結(jié)構參數(shù)對柴油機性能的影響。

采用“VOS”虛實結(jié)合教學方法的“柴油機拆裝實驗”課程教學分為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“柴油機拆裝實驗”課程教學最需遵守的守則，因此，教師在第一課就應反復強調(diào)在拆裝過程中的操作安全與規(guī)范，避免出現(xiàn)因操作失誤導致學生受傷的情況。同時，教師應立足“柴油機拆裝實驗”課程，對學生進行勞動精神培養(yǎng)。不論是場地維護、工具收納，還是操作過程的規(guī)范，都應培養(yǎng)學生的勞動意識。通過具體部件的拆裝維護及設計制造工藝的講解，學生了解重要機械設備發(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生掌握柴油機的功率、轉(zhuǎn)速、排量等信息，并以提問的形式帶領學生回顧柴油機基本骨架、兩大機構、五大系統(tǒng)的組成，分析實物拆裝所用的四缸直列柴油機的點火順序及不同角度時的活塞運動方向、氣門的開閉情況等。在拆裝實驗準備環(huán)節(jié)，教師需向?qū)W生闡明課時安排及最終的考核形式，并引導學生完成虛擬拆裝軟件及GT-POWER內(nèi)燃機軟件的使用流程預習。

（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)合教學方法的第一步，是實物拆裝的預習階段。依托虛擬軟件，學生在線上對柴油機三維模型進行拆裝。由于虛擬軟件拆裝實訓不受時間及場地的限制，學生可以隨時上線進行操作、回顧，充分掌握柴油機模型結(jié)構，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、機構的傳動關系以剖面動畫的形式進行清晰展示，加深學生的理解。在虛擬軟件的演示模式及練習模式下，學生可深入了解拆裝工藝流程及關鍵部件的檢測方法。

（四）實物拆裝（Object）

本環(huán)節(jié)共16課時。實物拆裝是“柴油機拆裝實驗”課程的核心與基礎。學生通過虛擬軟件拆裝環(huán)節(jié)在了解柴油機結(jié)構特征、部件的安裝特性及耦合關系后，再使用專業(yè)工具對柴油機實物進行拆卸與裝配將得心應手。同時，在拆裝過程中，由機體到各總成、由兩大機構到五個系統(tǒng)，以及柴油機實物的細節(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)不僅要求學生對活塞等主要零部件進行測繪，還要求學生對機構簡圖及相位圖進行繪制，對于“工程制圖”“機械原理”等前后序課程的知識也將得到充分應用。例如，在精密的柴油機拆裝過程中，學生結(jié)合柴油機結(jié)構聯(lián)系在“船舶柴油機”課程上所學的理論知識，回顧結(jié)構對應的原理，思考結(jié)構參數(shù)對應的“機械原理”“流體力學”“控制基礎”“工程熱力學”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)，關于柴油機結(jié)構參數(shù)對柴油機性能的影響是學生普遍感興趣的問題，如柴油機缸徑、進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)構性能問題，而學生對于多部件的尺寸調(diào)整對性能的影響亦有極強探索欲。本環(huán)節(jié)給學生提供了解決這些問題的機會，使學生可以通過GT-POWER仿真計算實驗進行研究，從而加強對科學問題的探索。

1.仿真計算實驗導入環(huán)節(jié)——單缸柴油機性能計算

企業(yè)工程師以單缸柴油機模型為例，講解通過調(diào)整柴油機結(jié)構參數(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)燃機仿真軟件進行柴油機的一維仿真計算建模過程中，學生首先應在模型庫中挑選本模型所需部件，如進排氣管、進排氣閥、氣缸、噴油器、曲軸等，其次根據(jù)教程進行缸徑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的單缸柴油機模擬計算，并通過處理得到單缸柴油機的運行云圖，最后分析在不同曲軸角度下柴油機的整體、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)——柴油機測繪數(shù)據(jù)建模計算

實物拆裝過程所用的柴油機為云內(nèi)4102四沖程四缸直列式柴油機，點火順序為1、3、4、2，相比單缸柴油機，其增加了空氣濾清器、穩(wěn)壓腔等單元，相關結(jié)構參數(shù)已于實物拆裝環(huán)節(jié)測量得出。學生在測繪環(huán)節(jié)，使用專業(yè)測量工具得到該柴油機的主要參數(shù)，即缸徑102 mm、行程115 mm、額定轉(zhuǎn)速2 400 rpm?；诖四Ｐ停瑢W生選擇使用GT-POWER內(nèi)燃機軟件，通過改變缸徑結(jié)構參數(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)合教學方法首先通過虛擬軟件拆裝初步認知柴油機結(jié)構特性，其次通過實物拆裝強化對柴油機結(jié)構的認知，最后通過仿真計算實驗對柴油機結(jié)構性能的科學問題進行研究，這種教學方法既具備線上線下教學的靈活度，又具備知識結(jié)構的完整性。

四、“柴油機拆裝實驗”課程教學改革的成效及反饋

第一，增強了學生對柴油機結(jié)構的掌握。“VOS”虛實結(jié)合教學方法讓學生從柴油機結(jié)構出發(fā)，在虛擬軟件拆裝到實物拆裝的過程中針對柴油機結(jié)構發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、研究問題，層層遞進，多角度掌握柴油機結(jié)構。在課程改革探索中，學生均表示經(jīng)過虛實結(jié)合的“柴油機拆裝實驗”課程教學改革使其對柴油機結(jié)構有了更深的理解。

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

第三，激發(fā)了學生的求知欲，為學生開拓了新思路。41個學生中，有33個學生表示在拆裝過程中，由機架到總成，由機構到系統(tǒng)，對各部件的結(jié)構參數(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)構及形狀的研究機會，求知欲得到了滿足。

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

五、結(jié)束語

文章對“柴油機拆裝實驗”課程進行了虛實結(jié)合的教學研究探索，結(jié)果表明：虛擬軟件拆裝、實物拆裝、仿真計算實驗相結(jié)合的教學方法有助于學生加深對柴油機結(jié)構的掌握程度，測繪、傳動機構簡圖、GT-POWER仿真計算實驗的設置讓學生的綜合能力得到了充分鍛煉，學時及考核評價指標的調(diào)整全面考查了學生的能力。學生基于“VOS”虛實結(jié)合的教學方法，不僅懂原理、熟結(jié)構，更對探索復雜工程問題表現(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會，進一步提高學生的學習能力與創(chuàng)新意識。

參考文獻：

[1]? 陳銀平.淺談船用柴油機拆裝實習的組織與教學[J].職業(yè)，2013（30）：122-123.

[2]? 郭磊，趙俊豪，張均東，等.船舶柴油機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺的開發(fā)與應用[J].航海教育研究，2021，39（3）：64-68.

[3]? 高躍峰，張均東，趙俊豪，等.虛實結(jié)合船舶柴油機拆裝實驗教學實踐[J].航海教育研究，2021，38（4）：54-59.

[4]? 米潔，高宏. 課程—實踐—創(chuàng)新相輔相成的教學模式改革[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：167-170.

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，中國海洋大學工程學院助理實驗師，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)建設點“機械設計制造及其自動化”;山東省一流本科專業(yè)建設點“輪機工程”;2022年中國海洋大學實驗室研究基金項目“基于GT-POWER的‘柴油機拆裝實驗課程教學改革研究”（202251012）;教育部第二批新工科研究與實踐項目“多學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）