項目效果:實驗過程按先后順序包括點火、穩定燃燒和熄火三個過程階段。實驗中先將油氣配比調至點火包線范圍內實現燃燒室點火;然后固定空氣流量不變,通過調節燃油流量在穩定工作包線范圍內觀測不同油氣配比下的火焰形態;最后緩慢減小燃油流量至貧油熄火邊界附近,將燃燒室熄火,確定熄火油氣比。當前實驗中,對于旋流主燃燒室實驗器實驗,固定空氣流量,逐漸調節供油量,可得到一個貧油熄火點;然后調整到另一個空氣流量,可以得到另一個熄火點,這樣反復實驗即可得到一條完整的貧油熄火邊界線;對于加力鈍體燃燒實驗器實驗,通過更換鈍體火焰穩定器,獲得在相同空氣流量(氣流速度)條件下,不同型式和阻塞比的鈍體火焰穩定器的貧油熄火性能比較。
實驗目的:
(1) 節省實驗成本:航空發動機主燃燒室及加力燃燒室實驗成本高昂,一般而言,常規中型航空發動機主燃燒室的燃燒實驗成本約為低工況下的1.0萬元/小時到高工況下的3.0萬元/小時以上。以一個包含20個火焰筒頭部的主燃燒室為例,其設計工況(高工況)下耗油量按10噸/小時計算,因此即使將其簡化成單頭部進行實驗,油耗也將達到500kg/小時,以當前市場的航空煤油價格計算,僅油耗一項約為9000元/小時;此外,實驗中還將使用大量的水、電、氣等資源。相對于主燃燒室而言,加力燃燒室的實驗成本則更加高昂,每小時實驗成本至少為主燃燒室的2倍以上。因此,本實驗項目的實體實驗不可能實現每個學生的動手操作,然而利用開發的燃燒室虛擬仿真實驗,可以讓學生全面了解實驗過程,實際動手操作,克服實體實驗的不足。
(2) 提高實驗安全性及實現健康保護:航空發動機燃燒室燃燒實驗中需要使用高壓氣源、航空煤油及惰性氣體等危險品;燃燒室工作中涉及了1000oC以上高溫部件及燃氣;點熄火實驗中存在點火前燃油噴出、熄火后未燃碳氫混氣噴出等情況;此外,實驗過程中還會產生一氧化碳、氮氧化合物、UHC、碳煙顆粒等對人體健康存在較大危害的煙氣及顆粒;實驗中對燃油加壓的情性氣體也存在室內窒息的安全隱患。因此,學生在上課之前,通過開發的虛擬仿真實驗教學項目,事先熟悉實驗流程,了解實驗要注意的事項,可以提前避免,并消除隱患;而且,通過采用虛擬實驗替代部分實體實驗,也提高了實驗安全性,實現了對學生身體健康的保護。
實驗意義:
(1)以學生為中心,開展混合式教學
貫徹以學生為中心的理念,開展混合式教學,即將線上教學和線下教學、虛擬仿真實驗與實體物理實驗有機結合,把學生的學習由淺到深地引向深度學習。在實驗中將虛擬實驗教學置于課程教學之前,熟悉學習實驗流程及實驗操作,利用教師預先設置的思考題,引導學生在虛擬實驗中發現問題、思考問題,而后帶著問題進入課堂,在課堂上采用討論、演講等形式,結合教師講授開展學習,然后開展相應的實際操作實驗,獲得實踐操作能力和對實驗現象的直觀認識,取得實驗數據。通過采用這種混合式教學方法,解決了航空發動機燃燒室點熄火與火焰穩定實驗在此之前因不能建設多套實驗設備、水電氣實驗成本高、燃燒危險性大而帶來的難以獲得實操機會與能力、對實驗過程與理論領會不深等教學難題,實現了“線上有資源,線下有活動”的良好教學條件與模式。“線上”、“虛擬”教學使學生根據自己的時間隨時、隨地進行個體性實驗操作,在走進實驗室前已具備較好的知識基礎和深入的專業問題;“線下”、“實體”教學不再是傳統實驗教學活動的照搬,而主要是基于“線上”的前期學習成果而開展的更加深入的研討式教學活動,以及教師對于重點、難點、反饋的共性問題進行針對性講授。實現了從驗證式教學模式向探究式教學模式過渡,由灌輸式教學模式向引導式再到自主式學習模式的轉變。
(2)以問題為導向,開展討論式教學
在實驗教學的過程中,堅持“授之以漁”,而不是“授之以魚”。在講課過程中,通過對于實驗教學內容的剖析,提煉設置一系列與實驗內容密切相關, 循序漸進的探索性問題。通過連續提問, 使學生的思維步步深入,引導學生通過對實驗的觀察、研究和分析獲得的感性信息去思考問題, 探索問題, 逐步引導學生掌握解決問題的方式方法,充分發揮學生的主觀能動性,開發學生的創新能力,使學生在學習中有成就感。
綜上,“混合式”和“討論式”教學方法的實施,極大地調動了學生學習的主觀能動性、激發了對實驗的興趣及愛好,對科研的好奇與探索,使得教學重心發生了“由教到學”的關鍵轉變,起到了良好的教學效果。