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

西北工业大学跨声速压气机失速/喘振虚拟实验平台，具体内容如图2所示，它是在动力能源学院叶轮机械精细研究团队多年在压气机领域科研积累的基础上，以航空航天航海、能源、化工冶金领域高端动力装备为背景，依托西北工业大学工信部“航空动力实验教学示范中心”和陕西省“航空动力系统虚拟仿真实验教学中心”平台，开发出来的虚拟实验系统。本虚拟仿真平台将为学生提供一个完整的在线学习过程，能够有效地解决跨声速测验中的安全性差，实验台数目数少，参与时间和空间受限等教学方面的问题[9]。

图1线下教学实验平台———轴流对转压气机试验台

图2西北工业大学跨声速压气机失速/喘振虚拟实验平台

西北工业大学跨声速压气机失速/喘振虚拟实验平台的整个使用流程包括：根据项目简介视频了解实验背景，对教学引导视频进行学习，对实验仪器设备和系统进行认识，对软件操作界面进行学习，对安全知识进行学习（包括安全教育和实验操作规范），对实验进行操作，对实验数据进行下载和处理。经过操作步骤的指导，最终得到相应的压气机特性线，分析不同工况对压气机失速/喘振的影响机制、失速/喘振的周向演变规律。值得一提的是，该虚拟实验结合动态流场可视化、激波观测等手段，对实际应用中存在的高危险性、难验证的跨声速压气机流动进行更直观和深层次的理解。

（三）线上线下混合教学模式实现

线上线下混合教学模式的实现是从课前、课中与课后三个方面去展开。线上线下混合教学模式原理图如图3所示。

课前模块：教师在网络平台发布实验指导书，提出思考问题。学生可以登录西北工业大学跨声速压气机失速/喘振虚拟实验平台，在软件中漫游，提前了解实验原理，学习实验仪器的介绍，进行文献的调研，总结叶轮机械实验方法，独立完成预习实验报告。

课中模块：叶轮机械综合实验线上线下同时进行。基础性实验是综合实验的前提，在老师的指导下利用西北工业大学叶轮机械实验室中的多功能平面叶栅和标定风洞试验器进行平面叶栅综合实验与三孔探针标定等基础性实验，让学生对课堂上的基础知识进一步深化认识。综合性实验的进行，利用线上线下混合教学平台，如图4所示。线下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等实验，可以让学生用最直观的感触去研究压气机的稳态特性，观察不同转速下由于转子叶片与压气机端壁相干涉作用产生的流场周期性变化等实验现象，让学生对压气机在不同转速下的工作特性有一个直观的感受。再结合虚拟实验平台，完成跨声速压气机失速/喘振虚拟实验，为学生提供一个全程在线的教学体验，让学生在科技的帮助下，变成流场中的一个流体质点，使学生可以身临其境般地在跨声速压气机中流动，通过压气机流动的CFD动画，将抽象的概念原理和叶轮机械内复杂的流动过程形象地表达出来，使学生对概念原理和流程的理解更加清楚。学生再结合线下实验操作，综合提高了他们对高低速叶轮机械分析、设计、综合和创新实验的认识。

图3线上线下混合教学模式

课后模块：学生根据自己的实验结果完成线下线上两份实验报告，其中以线下报告为主，包含实验数据的处理与思考题，线上报告为辅助，体现实验的在线时间，实验数据与实验完成度等关键要素。利用线上线下的实验报告，老师可以根据学生在线学习时间，实验完成度和实验数据处理的是否标准来进行成绩评判和评估学生学习情况。

把线上线下混合教学模式应用到实验教学课堂上，在教学目标的指导下，把学生放在主要位置，教师进行辅助教学，使混合教学模式的优点得到了很好的发挥，使教学效果得到了很大的优化。

三、线上线下混合式教学模式特色

图4线上线下混合实验平台

从当前叶轮机械专业实验课程的教学现状出发，对基于虚拟仿真与线下课堂相结合的方式进行研究与探索，建立一种以学生为中心，个性化地学习与指导的叶轮机械实验课程，这种方式能够有效地打破时间、空间与实验器材不足的限制，能够有效地提高学生的交流、协作、创新与综合能力。

（一）更充分的预习与独立完成实验任务

通过结合线下线上混合实验教学课程体系，学生可以使用的学习资源将不再仅限于现有的线下实验设备，可以使用不同种类的学习资源，比如：课程所建立的虚拟仿真实验、各种视频资源等。网络教学资源的丰富，使学生获得更多的知识。学生可以以所学内容为基础，按照个人的学习习惯，选择适合自己的在线资源，直观、独立、高效地完成实验课的课前预习及数据处理等学习任务。并且在叶轮机械实验课程中，学生可以结合自己在线下实验课程中的所思所想所感，利用自己的计算机，独立完成属于自己的线上实验任务。使学生对叶轮机械实验的理解更为深刻，完成属于自己的实验报告，使学生之间互相剽窃的情况大大减少。

（二）丰富教学内容及改进教学方法

在传统的叶轮机械实验中，教师主要利用教材、教案、教辅资料和幻灯片作为教学资源。学生则操作有限的设备进行实验。采用线上线下混合式教学，丰富了原本的教学内容，使不能在实际中实现的高危险、高成本实验可以顺利开展，同时能够增加学生的参与度和开放性实验的进行，实现了虚实结合，线上线下结合的教学模式，促进了实践教学模式的创新和学生实践创新能力的培养。

（三）解决高速叶轮机械教学实验难以开展的问题

线上线下混合教学的教学模式，结合数值仿真和可视化技术，模拟跨声速压气机的运行和失速/喘振过程。通过交互式界面，学生可以控制实验参数、观察实验现象并进行数据分析，提供一种近似真实实验的学习体验。这种近似真实的实验体验，降低了实验成本和安全风险，并能够扩展实验研究的范围。同时，结合理论知识和实验模拟，能够更全面地理解和研究跨声速压气机失速/喘振现象。

（四）多元化成绩评价方式

采用线上线下混合教学模式的方式，在对学生的预习和报告这两个环节展开评价的时候，不仅可以查看学生的预习报告和实验报告的完成质量，还可以与在线开放课程的学习情况相结合，从学生的在线学习时长、学习内容、回答问题的情况等方面展开综合评价，对学生的课前预习成绩和课后学习成绩进行全面评定。平时考勤成绩所占比例为10%，其中有线下实验的出勤率，课堂回答思考题的情况，线上考评包括在线时间，实验完成度和实验数据处理的是否标准；实验过程成绩所占比例为30%，考核学生协作和灵活操作能力；创新能力，也就是学生参与开放性实验活动部分，所占成绩比例为20%；实验报告比重为40%，其中以线下报告为主。具体实验课成绩构成比例如图5所示。采用线上线下混合教学模式的评价方式，能够对学生的成绩进行最大程度的综合评判，从而能够更客观、更公正地对学生的综合成绩进行评价。

图5叶轮机械综合实验课程线上线下教学考核成绩评判

四、结束语

将叶轮机械线上虚拟实验与线下实体实验进行融合的教学模式，与信息化时代的发展需求相适应。在实验课程具备实践性这一特点的基础上，本文探究了线上线下混合式叶轮机械综合实验教学模式。通过现有的线下实验设备与线上所构建的叶轮机械虚拟试验台，为学生的课前、课中、课后的学习提供了丰富的学习资源。学生能够灵活方便地安排实验课程的课前预习和课后学习的相关内容，将此线上自主学习作为一种辅助教学模式，提高课前预习的效率及课后学习的效果。线上线下混合教学的模式将虚拟模拟实验与实体实验相结合，将虚拟实验的直观性特点充分发挥出来，让学生能够更好地掌握实验原理，在线下实体实验的过程中，体会到更接近工程实际的叶轮机械相关实验现象，线上线下相结合真正提升叶轮机械综合实验课程的教学效果，同时提升工科学生的专业实践能力与工程系统知识理解能力，满足了创新实践性人才的培养目标，以及厚基础、强实践、严过程、求创新的人才培养理念。

参考文献:

[1]陈绍文,李德友,罗磊,等.“两机”背景下校企协同育人机制的探索与构建[C]//教育部高等学校航空航天类专业教学指导委员会.第三届全国高等学校航空航天类专业教育教学研讨会论文集.北京航空航天大学出版社(BEIHANG UNIVERSITY PRESS),2022:891-897.

[2]高丽敏,赵磊,曹志远,等.“教学并重､主体突出”的叶轮机械原理课程改革[J].高等工程教育研究,2019(S1):97-98.

[3]刘汉儒,王掩刚.叶轮机械综合实验课程教学改革的探索[J].高教学刊,2017(19):124-126.

[4]孙艳,于丹,高源,等.疫情下大学物理实验课程教学的变革及思考[J].高教学刊,2021(18):131-134.

[7]叶舟,武卫东,李春,等,虚拟设计与仿真教学平台实践与探索———以叶轮机械类专业教学为例[J].高教学刊,2019(26):118-122.

[9]刘汉儒,王掩刚,尚珣,等.基于模型和数据驱动的航空发动机跨音速压气机失速/喘振虚拟仿真实验设计[J].实验技术与管理,2021,38(11):212-217.

基金资助: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);

文章来源:刘汉儒,王掩刚,王昊,等.叶轮机械综合实验课线上线下混合教学探索与实践[J].高教学刊,2024,10(32):113-117.