“航空发动机总体设计”课程教学模式改革

刘 君，杨荣菲，李传鹏，吉洪湖，谢旅荣

（南京航空航天大学能源与动力学院 江苏 南京 210016）

飞机被誉为现代工业的“皇冠”，而航空发动机则是“皇冠上的明珠”，能否研制航空发动机体现了一个国家综合实力的强弱。目前，世界上能够研制航空发动机的国家仅有美国、英国、俄罗斯、法国和中国[1]。英、美等国走过了从无到有的设计和制造的完整阶段，从最初的活塞式发动机(1903-1945)到喷气式发动机(1939-至今)，其中喷气式发动机主要包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。目前，军用战斗机和民航客机多采用涡轮风扇发动机，经过六十多年的发展已经到了第五代，其中军用发动机的推重比从第一代的1左右增大到第五代的10以上，如F119、AL41F等[2]。

一般认为，中国的航空制造业始于1939年创立于贵州大定县（今大方县）的航空发动机制造厂[3]。由于当时决策层存在“造不如买”的思想，导致航空制造业的发展错失了良机[4]。新中国成立后，航空发动机工业从修理和制造活塞式发动机开始。朝鲜战争时期，从苏联购买了米格15及其发动机RD-45。1956年中国第一台涡喷发动机——涡喷5仿制成功，仿制的是苏联的RD-45改进型。在仿制的同时，还根据空军的需求对发动机进行改进，如涡喷6甲，涡喷7甲等。20世纪80年代，为满足歼7和歼8的动力改装需求，开始自主设计高性能中等推力的涡喷发动机（“昆仑”），2002年设计定型，标志着中国航空发动机从仿制和改进到自主设计的转变[5]。历经27年，沈阳航空发动机研究所设计的“太行”涡扇发动机于2005年通过国家定型审查，是我国自主研制的第一种大推力加力式涡扇发动机，标志着我国自主研制的航空发动机从中等推力到大推力、从涡喷到涡扇发动机，从第二代发动机到第三代发动机的跨越[6]。综上所述，我国的航空发动机已经从最初的维修、仿制、改进发展到自主研制，为了满足国家的战略需求，需要培养更多的具有自主研制能力的航空发动机人才。

课程组结合国家航空发动机研制需求，在国内首次开设了“航空发动机总体设计”课程，经过多年的探索，形成了较为完善的教学资源和教学方法，但教学过程中仍然有许多不足之处，如教学内容偏多，实践指导环节课时太少以及教学过程未结合学生兴趣等。本课程组针对上述问题提出了一种新的教学模式，旨在提升本课程的教学质量。首先，结合已有的教学模式及其考核方式，通过分析其教学特点以及不足，进而引出教学模式改革的必要性；其次，结合学生的反馈以及课程组多年的教学积累，详细阐述本次教学改革内容以及要达到的目标。

1 目前的教学模式

根据国家在发展航空发动机过程中的需求，航空院校前期开设的专业课程主要包括“航空发动机原理”“航空发动机结构”[7-8]。随着我国的航空发动机制造业从仿制进入自主研制阶段，对航空发动机设计人才的需求也越来越大，在此背景下，南京航空航天大学自2011年将“航空发动机总体设计”课程纳入飞行器动力工程培养计划[9]。根据培养计划，在本课程学习之前，已经完成了包括工程热力学、流体力学、航空发动机原理、燃烧室原理、航空叶片机原理、航空发动机结构等专业课程的学习，具有一定的航空发动机及其部件工作原理等相关理论基础。

南航的“航空发动机总体设计”课程的前身是“航空发动机设计概论”双语选修课，该课程是在教育部2010年立项的“飞行器动力工程国家特色专业建设”教改项目支持下开设的课程，开设教师为教学经验丰富且具有留学背景的知名教授，面向对象为本专业“动优班”本科生。本课程采用AIAA教育系列丛书为全英文教材，该教材共10章内容，总体结构可个阶段：

第一阶段是2014-2017年，在课程建设的第一阶段，教学课时为34课时，包括课堂授课30课时，实践教学4课时，教学内容包含上册内容，包括发动机需求分析和发动机总体性能设计两个部分。这两个部分内容相比于本专业前期的课程来说属于新知识，其中发动机需求分析是从飞行器任务剖面的角度对发动机的推力载荷、机翼载荷、起飞重量以及起飞推力进行需求分析；根据上述发动机需求分析，开展发动机总体性能分析，通过参数循环分析、非设计点性能分析以及安装性能分析，最终获得发动机总体性能参数，包括发动机流量、总增压比、涵道比、涡轮前温度以及各部件效率等参数。

第二阶段是2018-2021年，经过第一阶段课程建设的积累后，教学经验和教学队伍有了一定的提升和壮大，为了更全面地体现航空发动机整个设计过程，教学课时增加到56课时，教学内容也增加了发动机部件设计，包括进排气系统、叶轮机械和燃烧室设计，即根据上册获得的航空发动机总体设计参数，并基于各部件的设计准则分别进行进排气系统、叶轮机械和燃烧室的设计，并最终获得一台满足飞行任务需求的航空发动机。

本课程考核方法采用平时作业（30%）与小组大作业（期中考核40%、期末考核30%）相结合的方式。平时作业包括个人作业和小组作业，小组大作业以完成一台满足某飞行器任务需求的发动机总体设计为任务，要求期中考核完成发动机的需求分析和总体性能设计，期末考核完成航空发动机的部件设计，并最终组装成一台完整的发动机，考核方式为现场答辩和提交电子报告，现场答辩评审组由三位老师组成。每个班分成若干小组，小组成员一般为6人左右。

2 教学模式改革

根据课程组前期的问卷调查，有超过一半的学生认为本课程学习难度较大，讲授内容过多，并希望增加实践指导环节，减少理论讲解课时。此外，原有的考核方式也存在一定弊端，如：小组成员团队协作意识低，导致参与程度差别大，由于最终成绩按照团队给定，无法体现每个人的贡献程度，造成一定的不公平，从而打击学生的积极性，并最终影响本课程的教学质量。

基于上述学生反馈情况以及多年的教学经验，结合飞行器动力工程专业本科生培养计划，课程组提出了一种新的教学模式。在总教学课时保持56课的时前提下，将课程分为必修和选修两部分，其中上册为必修，下册为选修。上册内容对于本专业本科生来说属于新知识，因此课时增加到40课时，其中课堂教学34课时，实践教学6课时；下册内容需有一定的前期知识储备，因此本科生在进排气系统、叶轮机械和燃烧室设计三个内容中选择一个部件学习，其中课堂教学11课时，实践教学1课时。采用上述教学模式不仅增加了上册的授课时长，让学生更容易掌握新知识，此外还增加了实践教学课时，让学生能够在学习新知识的同时进行灵活的运用。为了满足不同学生的学习需求，本次教学改革还将保留1个班级采用阶段二的教学模式，即上册和下册全部学习，本班级适合自学能力较强的学生，其他学生则根据自身的兴趣爱好，在部件设计中选择一个分为三部分，分别是发动机需求分析、发动机总体性能设计和发动机部件设计。前期的课程建设过程主要分为两部件进行学习。

本次教学模式改革针对前期教学过程出现的问题，逐一解决。首先，针对教学内容偏多的问题，采用了必修和选修的方式，缩减教学内容，必修部分为新知识，增加教学课时有利于提高对新知识的掌握程度，选修部分已有前期航空叶片机原理和燃烧室原理等课程的基础，因此可结合个人兴趣对某一部件深入学习；其次，针对实践指导环节课时不足的问题，在必修内容的每一个章节后增加1个实践课时来增加实践指导，提升学生动手的能力；最后，针对学生的兴趣问题，在选修部分，学生根据自己的兴趣爱好选择一个部件进行深入学习，既减少了学习内容，又提升了学习的深度。此外，本次教学改革还保留一个班级采用阶段二的教学模式，即学生可以结合个人的学习能力以及爱好选择学习部件设计的全部内容。采用两种方式并存的教学模式，不仅有利于培养航空发动机总师级人才，而且又兼顾航空发动机部件设计人才的培养。

此外，本课程前期一直采用大作业的形式进行考核，课程开始后学生自由组队，每个小组人数5~6人，并分配不同的飞行任务，各小组成员根据飞行任务分析满足飞行任务需求的航空发动机总体参数，并设计相应的发动机部件，最后组成一台航空发动机。经过课程组多年的教学实践，并根据学生的反馈，对考核方式进行改革。为了检验学生对理论知识的运用能力，仍采用5~6人为一组的方式开展大作业的形式，此外，为了突出每个人的知识掌握程度，可以引入随堂考试，对课堂讲授的基本概念进行考核。采用大作业考核和随堂考试相结合的方式，既能对学生运用知识的能力进行考核，又能体现小组内不同成员之间的差距。

3 结语

本文通过回顾我国航空发动机的发展历史，明确了目前我国航空发动机制造业的发展阶段，已经从建国初期的维修、仿制、改进发展到自主研制，并成功研制军用涡喷发动机(“昆仑”)和涡扇发动机（“太行”）。为了培养国家在航空发动机领域需要的设计人才，南京航空航天大学于2011年将“航空发动机总体设计”课程作为专业必修课引入飞行器动力工程专业培养计划。在课程建设初期，采用国外英文教材并参考国外教学方法和考核方式，经过7年的教学积累，形成了较为完善的教学资源和教学方法。在此基础上，根据学生的反馈情况，并结合国家的战略需求进行“航空发动机总体设计”课程改革，通过本次改革，减轻了学生的学习负担，充分提升了学生的兴趣，提高了实践课时的比例，增强学生的动手能力和团队合作意识，有利于进一步提升本课程的教学质量，从而为国家培养航空发动机领域自主设计人才，进而提升我国航空发动机制造业水平创造了条件。