摘要：文章从课程目标制定、课程内容整合、教学方法革新、考核方式优化、专家讲座举办、课程思政开展六个方面阐述了“航空发动机控制系统”课程教学改革，其中教学方法革新包括互动式教学、案例分析教学、虚拟仿真教学、科研见习、在线教学、跨学科整合教学。
关键词：“航空发动机控制系统”课程,课程目标,课程内容
航空发动机是一种复杂而精密的动力装置，作为飞机的动力来源，其性能对飞行器的安全性、可靠性和经济性有着至关重要的影响[1]。飞机的飞行条件和工作状况在不断地变化，如起飞、爬升、巡航、机动飞行、下降及着陆滑跑等，故其需要的推力是不断变化的，这就要求动力装置要适时地改变推力以满足飞机飞行的需要。动力装置通过控制系统控制发动机的工作状态来改变推力或功率，如果没有一个与之相匹配的高效控制系统，那么在实际飞行循环中就很容易因操作不当或系统故障导致发动机喘振、超速、超温，甚至空中停车[2]。因此，开发发动机控制系统最主要的目的是保证航空发动机能够稳定、可靠工作，不超出所规定的各项限制条件，同时充分发挥其性能[3]。高效控制系统的建立有利于提高发动机效率、提升响应速度、降低对环境的影响及促进可持续发展，从而充分发挥发动机的性能。
此外，航空发动机属于技术密集型产业，具有研发投入大、研发周期长与研发壁垒高的特征，因此需要不断加大投入，让其技术发展日新月异。另外，航空发动机不仅关系着民用航空市场份额，而且与领空与领海安全密切相关。2016年，我国审查通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，航空发动机及燃气轮机被列为该文件中100项重点项目之首，自此，拥有自主设计的航空发动机成了国家战略目标中的重要一环[4-5]。“航空发动机控制系统”课程是西北工业大学飞行器动力工程专业的一门重要的专业核心课程。如今，在“卓越工程师教育培养计划”和推进“总师型”人才培养的教育背景下，这门课程的教学内容、教学资源和授课方式也需要与时俱进[6-8]，一方面，需要及时更新教学内容与教学资源，使其能够涵盖主流技术内容；另一方面，需要着重培养学生追踪航空发动机控制学科发展热点与趋势的能力，激发学生学习与科研的主观能动性。新工科的理念为加快我国高等教育改革创新提供了重要方向，对于培养航空发动机领域高层次人才具有重要指导意义[9-10]。“航空发动机控制系统”涉及相对复杂的工程知识和控制理论，其教学工作近年来也受到了广泛关注。如何通过改变教学思维模式及改进传统教学方式，使学生能够在学习理论知识，增强专业能力的同时，充分地锻炼和提升自主学习、团队合作、创新思维能力，并开阔国际化视野，是值得教师认真思考和研究的问题。
一、课程目标制定
“航空发动机控制系统”课程的开设，一方面旨在提高学生的专业知识和专业技能，要求学生首先需要学习航空发动机的基本工作原理，包括航空发动机的建模方法、机械液压系统、数字电子式控制系统、控制规律、控制模式和控制算法等，了解航空发动机在不同工作情况下的性能特性，如高度特性、速度特性和节流特性，进而掌握航空发动机控制系统的基本原理、结构组成、控制规律和控制模式，同时初步了解控制系统的设计方法及常见的故障类型、故障诊断算法、健康管理基础理论；另一方面要求教师在授课过程中，能够有目的、有针对性地培养学生的科研创新能力及团队合作沟通能力，通过改进课程设计和实践，提升学生对航空发动机控制领域前沿技术和方法的了解程度，并让其在共同解决问题的过程中培养团队合作精神和集体荣誉感。这些方面的提升将为学生今后从事航空发动机控制领域的研究打下坚实的理论基础，同时能促使学生拥有主动进行文献调研的学习能力，进而可以对他们未来的科研工作和工程实践起到良好的促进作用。
二、课程内容整合
在“航空发动机控制系统”的授课中，学生需要掌握的内容包括航空发动机的基本工作过程、控制系统结构、控制规律、控制模式和控制算法，以及目前国内外航空发动机广泛采用的机械液压式控制系统和数字电子式控制系统的工作原理与结构组成。同时，本课程还考虑了行业内最新的发展趋势，通过引入智能化控制、自适应控制、数字孪生等前沿技术，使学生对未来航空发动机控制领域的发展方向有更加深入的了解。笔者所在课题组针对“航空发动机控制系统”课程具体安排了以下八项授课内容。
第一，航空发动机基础理论教学。这部分内容包括航空发动机的结构组成、工作原理及性能参数等方面的基础知识。学生将系统性地学习不同类型航空发动机的结构特点和工作过程，包括涡轮喷气发动机（涡喷发动机）、涡轮风扇发动机（涡扇发动机）、涡轮螺旋桨发动机（涡桨发动机）、开式转子发动机、分布式推进系统、自适应变循环发动机与组合发动机，以及它们的工作特点、结构特点和实际应用场景。
第二，发动机控制系统概述教学。概述部分的教学是这门课程的核心，学生需要全面学习发动机控制系统的基本概念与基本组成，包括控制系统各部分的功能和作用、航空发动机控制系统设计要求，以及国内外航空发动机控制系统发展历程与现状。
第三，发动机控制策略教学。策略部分的教学要求学生深入学习各种发动机控制策略和调节技术，包括基于传统PID控制的策略、模型预测控制（MPC）策略、自适应控制策略，以及各调节器件的种类和工作原理、调节系统的设计和优化等。此外，学生还将要学习这些控制策略和调节技术的优缺点，以及在不同场景下的具体应用。
第四，发动机控制系统设计与仿真教学。在此部分内容中，学生将学习如何具体地设计和优化航空发动机控制系统，熟悉非线性模型和数学模型的建立，以及基于仿真分析发动机总体性能和控制规律等方面的内容，其中还涉及热力学仿真软件和控制系统仿真软件的实践。
第五，航空发动机控制系统应用教学。学生要掌握航空发动机控制系统的基本概念与理论，包括在航空发动机稳态控制基本原理、稳态控制基本结构、稳态控制设计方法，以及发动机加减速、起动、加力过渡等动态控制方案，超限保护控制方法，控制系统的整体结构和液压机械控制系统的发展，典型系统和控制原理等。
第六，燃油系统与执行机构教学。学生要掌握柱塞泵、齿轮泵及离心泵的基本原理与结构，了解航空发动机典型燃油系统的原理与结构，熟悉航空发动机可调部件（可调放气阀门、矢量喷管和可变几何叶片）的功能及其控制装置。
第七，智能控制发展趋势调研。在此部分，教师要带领学生开展航空发动机控制系统发展趋势文献综述调研，特别是要研究智能控制方向的发展趋势，包括优化控制、进发排一体化控制、飞发一体化控制、主/被动容错控制等方面的内容。
第八，航空发动机健康管理教学。此部分内容包括气路故障、执行机构故障和传感器故障影响、诊断方法与故障处置等方面的内容。由于航空发动机长期运行在高温、高压、强振动的复杂工作环境下，随着时间的推移，其各部件会不可避免地发生蜕化，而通过学习，学生能及时发现发动机性能蜕化，进而开展视情维修，这将有助于提高发动机的安全性、经济性和可用性。
三、教学方法革新
学生是学习的主体，教师在授课过程中，要充分考虑学生自身的认知水平、学习能力、学习兴趣，开展有针对性的教学工作，根据设定的具体教学目标不断调整和优化教学方法，这样有助于促使学生更加有针对性地学习和理解课程内容，同时培养学生开拓创新、科技报国的精神，最终造就一批铸国之重器、担时代大任的卓越工程师。
（一）互动式教学
“航空发动机控制系统”课程内容丰富且理论复杂，在授课过程中各种概念和逻辑经常会使学生感到晦涩难懂，如果仅靠教师口头讲述，容易使学生感到枯燥乏味，甚至失去学习兴趣。因此在授课时，教师要充分调动学生的积极性，通过多种互动方式提升学生的参与感，从而激发学生的学习兴趣。如针对课程中的复杂理论和主要疑难问题，教师可先布置开放式作业，然后引导学生进行思考，让学生独立完成相关的文献查询、问题分析、解决方案设计等。在讨论过程中，教师要适当进行引导，在学生思维出现偏差时及时纠正并解决问题，最后要针对学生汇报的情况在课堂上进行系统性答疑。同时，在授课过程中，教师要充分利用多媒体和网络，如通过雨课堂等教学软件与学生进行“线上+线下”互动，而且为了增强课程的趣味性，可以在雨课堂中设置弹幕、提问等功能，每当学生参与互动时，还可以“红包”的形式发放对应的奖励。
（二）案例分析教学
在“航空发动机控制系统”课程教学中，案例分析是一个非常重要的教学环节。通过引入真实的控制案例进行分析，有助于促使学生将理论知识与实际工程问题相结合，通过分析航空工程中的发动机控制问题，不仅可以加深学生对课程内容的理解，学到实际应用技能，还可以提高学生解决问题的能力。
在案例分析教学过程中，首先，教师需要选择与课程内容相关、具有代表性且能够引发学生兴趣的案例，既可以是真实的工程案例，也可以是模拟的情境，但无论哪种都应能涵盖课程所讲授的核心概念和原理。其次，教师需要对选定的案例进行详细的讲解和分析，包括案例背景、问题描述、解决方案等。通过对案例的分析，引导学生理解案例中涉及的控制系统、工程应用技术及解决问题的方法。接下来可以开展小组讨论与合作，将学生分成不同的小组，要求学生共同讨论案例，提出自己的看法和解决方案。通过小组合作的方式，可以促进学生之间的交流与合作，培养他们的团队合作能力和解决问题的能力。再次，如果条件满足，可以引入实践操作或仿真模拟，让学生实际操作航空发动机控制系统，加深他们对课程知识的理解和掌握。最后，进行案例总结，梳理案例分析过程中涉及的重要知识点并总结学习收获。
（三）虚拟仿真教学
传统航空发动控制理论的教学由于受专业特点和教学条件限制，教师往往只注重理论知识的传授，这就容易导致课程内容晦涩难懂，学生上课注意力不集中，学习兴趣下降等问题。随着科技水平和社会生产力的不断提高，以及在“卓越工程师教育培养计划”的背景下，教师在授课时应更加注重理论与实践的结合，尤其要充分发挥融合工程实践、产教结合的作用，使学生在科研实践中最大限度地发挥主观能动性和创造性。针对上述问题，笔者在教学过程中为学生提供了一个开源、简单、界面友好的虚拟仿真实践平台，让学生在虚拟环境中进行航空发动机控制系统的操作和测试，以此来激发学生的学习兴趣，具体方法如下所示。
第一，本课程依托NASA的开源软件TTECTrA，进行航空发动机控制系统仿真实践，学生可以模拟不同环境条件和状态下的发动机运行情况，得到不同情境下的仿真结果，并通过对不同的控制策略进行设计、调试和评估，能够更加充分地理解“航空发动机控制系统”课程理论知识，并且掌握在实践应用中所需的工程技能。TTECTrA的使用界面和内部程序框架如图1、图2所示，该软件常用于航空发动机总体气动热力学参数计算和闭环控制分析。
第二，引导学生积极参与项目设计与制作，每个学生负责不同的功能实现，从理解航空发动机控制系统架构出发，充分利用TTECTrA仿真平台，分析不同控制规律下发动机的动态响应。在完成项目的过程中，通常需要学生之间合作完成任务，因此这种实践可以锻炼学生的团队合作和沟通能力，培养学生团队意识和协作精神，同时还能帮助学生积累实际操作经验，提升就业竞争力，为未来从事相关领域的工作打下坚实基础。
第三，基于虚拟仿真实践平台，教师与学生一起分析真实的航空发动机控制案例，学生不但能够了解实际工程中的难题和解决方法，而且还可以从案例中学习到实践经验，并学会如何将理论知识与实际应用相结合。这种方法有助于提升学生的综合素养，有效加深了学生对所学知识的理解，能够很好地培养学生的学习能力。
（四）科研见习
当教师的课堂授课任务基本完成后，接下来就可以因材施教，选择学有余力的学生进行科研实践训练，包括与航空发动机主机所控制部门对接实践训练、参与主机所科研项目和参与科研论文/报告撰写等。这样能促使学生尽早熟悉科研实践，提升学术思维与工程实践能力，激发学习兴趣，提高创造力与沟通能力，进而能够加强学生对科研实践进行探索的主观能动性，完善“航空报国+产学研用”的教学模式，为卓越工程师培养打牢基础。
学生在科研见习过程中会遇到各种问题和挑战，教师应及时给予反馈和指导，以帮助他们分析和解决问题。学生应该学会从各类项目中总结经验，不断提高自己的科研能力。在学生完成项目后，教师应引导学生进行科研成果的归纳，并进行相应的展示和分享，这不仅可以增加学生的自信心，还能够强化学生学术交流能力的培养，提升学生在未来参与学术会议与科研进展汇报时的逻辑思维与表述能力。
（五）在线教学
利用在线资源进行课程教学是一种灵活、便捷的教学方法。这种方法可以通过多样化的在线资源，如网络课程、教学视频、交互式教材等，借助多种形式的教学资源满足不同学生的学习需求，增强学生对“航空发动机控制系统”课程内容的理解并提高学习效果。该教学方法的具体实施方式有如下两种。①网络课程和教学视频。教师可以选择或创建在线网络课程，或者利用已有的优质网课资源进行教学。这些课程涵盖课程的核心概念，能够提供系统化的教学内容。教学视频可以用于实践演示、难点知识讲解，为学生提供视觉化的学习体验。②在线学习平台。教师可以利用在线学习平台创建虚拟教室、在线讨论区等，促进学生之间的交流与合作。这种学习方式可以打破时间和地域的限制，方便学生在各种环境下进行学习，包括讨论、分享学习心得和提问，有助于建立学生之间的“学术网络”，促进合作与互助。同时，教师还可以利用在线工具与学生进行实时互动，如即时通信、在线答疑等，以及通过在线测验和作业来及时评估学生的学习进度，并提供针对性的反馈。
（六）跨学科整合教学
跨学科整合教学是一种将不同学科领域的知识和方法相互结合，以解决复杂问题或创造新知识的教学方法。在“航空发动机控制系统”课程教学过程中，教师不应局限于这门课程，而要通过与其他学科进行整合，如计算机科学、人工智能等，促进学生跨学科思维和能力的培养，提高他们解决复杂问题和应对现实挑战的能力，同时可以开阔他们的学科视野，促进学科交叉与创新。基于此，教师可以不定时组织跨学科研讨会，邀请不同学科领域的专家和学者分享各自的研究成果和观点。
此外，还要注重跨学科案例的收集，如依靠人工智能手段开展发动机故障诊断方法研究、利用计算机科学开展可视化控制系统设计和利用工程管理知识改善发动机机群管理等，课程应结合数学建模和工程设计等学科知识进行有益探索，让学生通过文献调研和案例分析，探索学科交叉的学习和研究方法，突破单一学科对学生知识掌握的局限性，进而促进科技创新，并最终提升航空发动机控制学科的影响力与竞争力。
四、考核方式优化
传统的“航空发动机控制系统”课程考核方式侧重考查学生对理论知识和基本概念的理解程度，考试成绩通常由期末考试得分和平时作业得分等构成，但这种考核方式并不能很好地评估学生在实际工程项目中面对真实场景和复杂情境时解决问题的能力。本课程拟采取的对学生学习情况的评估考核方式如图3所示，考核内容包括课堂作业及问答、实验报告、项目成果展示、期末考试及科研成果加分情况。通过综合考核学生在理论知识、实践能力及创新思维等方面的表现，全面评估学生的学习成果。
要为学生提供丰富的实践和项目设计机会，在实践中对每个学生的表现进行打分，学生可参与发动机模拟仿真、控制系统调试等实践活动，通过动手操作和实际应用，加深对理论知识的理解和掌握。同时，要积极组织学生参与相关科技竞赛，设计并测试新型发动机控制系统，从而进一步培养学生的实践能力和团队合作精神。在参加科技竞赛的过程中，要鼓励学生将相关实践成果用于申请软件著作权和专利，以展示他们在航空发动机控制领域的研究成果和创新成果，如果学生在科技竞赛中获奖或发表学术成果，教师可在课程的最终成绩中酌情给予加分。
五、专家讲座举办
要开展“总师进课堂”“翱翔讲堂”等活动，定期邀请相关企业的专家或工程师到校授课或举办线上讲座，让学生有机会接触国内工程前沿的重大关键技术难题和解决方案，以增强航空报国、追求卓越的使命感和责任担当。在讲座开始前，学校要先与专家协商以确定讲座的主题和内容，确保其符合学生的学习需求和学校的教学计划。讲座的主题可包括航空发动机控制技术、发展趋势、应用案例等。同时，还要利用学校的官方网站、校园广播、社交媒体等渠道进行推广宣传，提高学生的关注度，以吸引更多的学生参加讲座。在讲座结束后，学生还可以与专家学者进行面对面的交流和互动，提出问题，分享观点，促进学术交流和思想碰撞。这样的课外讲堂能够得到广大学生的热烈反响，为学生提供了更广阔的学习平台，使他们既巩固了课程专业知识，又了解了行业最新的发展动态，增长了学识，还开阔了视野。概言之，教师要教育学生以国际化的眼光看待科技发展，努力将自己打造成国际化人才。
六、课程思政开展
要在课程教学过程中恰到好处地融入思政元素。教师可以国产航空发动机控制系统的发展现状和技术瓶颈为切入点，详细介绍我国航空工业与航空发动机控制技术的艰辛发展历程，以及航空先辈们攻坚克难，拼搏奉献的感人故事，结合中国航空工业从相对落后到与发达国家同台竞技的发展历程，培养学生的使命担当精神，增强学生“立大志向，上大舞台，入主战场，干大事业”的远大抱负，引导学生将个人理想与国家发展、民族复兴的新征程紧密结合，将个人奋斗融入航空事业的发展。具体措施包括学习中国笕桥中央航校第一代飞行员的感人历史、西北工业大学航空航天类专业前辈或师长的光荣征程，参观发动机主机所历史馆，以及了解歼-15舰载机工程总指挥罗阳用生命践行“航空报国”铮铮誓言的故事。
七、结语
“航空发动机控制系统”课程是航空工程领域至关重要的课程之一，当今高校在该课程的教学中不仅要体现学科专业特点，提高学生的知识水平和专业技能，同时还要紧跟时代科技和行业发展趋势，通过多元化授课方式培养学生的自主学习能力、团队合作能力、动手实践能力和创新精神。本文探讨了该课程的教学改革思路与方法，构建了一种课内与课外结合、校内与校外结合、理论与实践结合的新型混合式教学体系。通过上述举措的实施，从教学方式、教学资源、考核方式等方面提出了课程教学改革方案，丰富和拓展了该课程的教学资源。针对如何激发学生的学习兴趣，提高学习效率，培养学生的团队合作和科研实践能力，提高学生在解决复杂工程问题方面的思维与动手能力，提出了具体的教学改革建议。将这种现代化的教学方式和“总师育人文化”融入卓越工程师培养全过程，不但能有效提升学生技术创新和解决实际工程问题的能力，而且有助于引导学生从被动学习逐渐转变为主动学习，提升专业兴趣和科研实践的主观能动性，并在此过程中培养学生的爱国情怀，使学生坚定文化自信，让学生真正感受到我国在航空发动机控制领域取得的巨大进步，促使学生向成为“总师型”人才逐步迈进。
参考文献：
[1]冯正兴,张青,卢堂宝.最优组合赋权在航空发动机性能评估中的应用[J].机械设计与制造,2024(3):224-228.
[2]李轲,马文杰,寇争利,等.某型航空发动机控制原理研究[J].航空维修与工程,2023(10):31-34.
[3]王晔.航空发动机控制系统主动容错控制研究[D].大连:大连理工大学,2020.
[4]国家“十三五”规划:新常态下大有可为的重要战略机遇期[J].中华纸业,2016,37(24):100-102.
[5]周文祥,潘慕绚,黄金泉,等.飞行器动力工程专业核心课程教学改革初探:以“航空发动机控制原理”课程为例[J].工业和信息化教育,2021(6):11-14.
[6]马静,缑林峰,韩小宝.“自动控制理论”全英文课程建设与实践研究[J].教育现代化,2019,6(42):120-123.
[7]马静,缑林峰,彭凯.基于“雨课堂”的智能控制理论与工程应用课程混合式教学改革[J].现代职业教育,2019(31):43-45.
[8]王红林.新工科背景下自动控制原理课程教学改革方法[J].科技经济市场,2023(9):128-130.
[9]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017(3):1-6.
[10]宋树丰,刘锋,胡宁.党的二*大精神指引航空航天类教学的实践探索[J].高教学刊,2024,10(S2):27-30.
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