获奖等级：国家级
课程类别：虚拟仿真实验教学一流课程
完成单位：自动化学院
课程负责人：王莉
课程团队其他主要成员：杨善水、魏佳丹、张卓然、王晓琳
一、课程概况
飞机供电系统是飞机上的重要组成部分，多电飞机供电管理和故障重构技术对保障飞机安全可靠飞行有至关重要的作用。多电飞机供电管理和故障重构实验因具有系统复杂、高危险性、实验成本高、故障不可逆、高空飞行环境不可达等特点，难以用真实的系统开展。因此借助虚拟仿真手段构建虚拟仿真教学实验系统，开展虚拟仿真教学实验，可以解决实物实验存在的问题，直接为《航空航天供电系统》等课程的教学服务。实验提高学生对飞机供电系统的认知和实践水平，培养学生对飞机供电系统及其控制策略的设计能力。
本虚拟仿真实验4个学时。
二、课程建设与改革举措
（一）课程思政
研制大飞机是国家意志，急需爱岗敬业、航空报国人才。飞机安全性、可靠性要求高，供电管理与故障重构技术关系到飞机安全可靠飞行，因此迫切需要培养飞机供电管理与故障重构的设计人才。
（二）教学资源建设
建成《多电飞机供电管理与故障重构》虚拟仿真实验教学平台，持续建设与更新，进一步加强科教融合，建设飞机电气系统综合仿真实验室。收集学生使用后的反馈信息，不断整改，完善虚拟仿真实验的内容，持续提高平台质量，提升育人成效。根据大飞机的飞行和下一代研制情况，持续整合大型多电飞机供电系统的虚拟仿真实验案例，补充故障类型，增加故障底层数据，进一步开阔学生的视野。
（三）教学内容
实验分为四个环节，逐步完成飞机供电系统的认知、设计、调试、故障重构，实现飞机的余度和容错供电。
在认知环节采用提示引导和提示讲解相结合的实验方法，在系统设计环节采取理论指导、提示引导、自主设计和自主操作相结合的方法，在系统动态测试环节采取引导学习、理论指导、自主操作的实验方法，在系统故障重构环节采取观察、类比和自主设计相结合的实验方法。
（四）教学方法
在各实验环节的设计中，分别采用了任务驱动式教学方法、交互体验式教学方法和探究式教学方法。学生基于给定任务完成相应实验，通过实验调试过程中的不同实验现象，进行任务驱动式、交互体验式和探究式教学，充分调动了学生探索未知领域的实践兴趣，培养学生现场解决问题的能力，达到了虚拟仿真实验的目的。
（五）教学设计
1.“飞机供电系统部件、结构和布局”的基础认知实验环节
这一层面的实验环节着眼于提升学生对《航空航天供电系统》课程知识点和基本理论的掌握程度，适当覆盖《飞机电气系统》《航空电机学》《航空电力系统》《电力电子技术》等课程，以“实验环节—实验子环节—实验步骤”逐级细化的结构来组织实验教学过程。以“子环节”为单位组织体验式实验过程，实验过程与知识点相对应，实验教学内容贯穿于“步骤”之中。基于交互体验式教学方法，学生通过交互式操作和全方位多角度的深入观察，可有效建立对飞机供电系统总体结构和发电机、蓄电池、变换器等知识的全面认知和理解。
2.飞机供电系统设计环节
首先采取任务驱动教学方法，以满足电气负载对供电系统的需求为设计任务，可以自由设计供电系统的结构，也可以在软件给定的一个不完整的双发电通道飞机供电系统结构图的基础上，选择配置发电机、变压整流器和逆变器、蓄电池等部件，并配置参数。然后进入交互体验式教学，由软件对学生设计的供电系统和参数进行静态评估，评估其功率、可靠性、体积重量等指标是否符合任务需求。满足需求则可以进入下一个环节，否则重新设计。
3.飞机供电系统动态调试环节
这个环节主要是交互体验式教学。包括“发动机起动和发电机建压发电”与“飞行阶段动态调试”两个实验子环节。通过让学生“亲身”参与发电机建压和电网管理操作的实验过程，培养学生综合运用专业知识分析处理问题的能力。在发动机起动和发电机建压子环节中，学生需要掌握电机作为电动机起动发动机的流程和顺序，理解发电机建压的条件，当转速或者电压达不到要求时间则发电机无电能输出，掌握操作步骤所涉及的物理问题本质。飞机在飞行阶段中出现不同的外部环境变化，学生开展动态调试工作，通过操作控制不同的电气负载以应对外部环境变化，满足供电需求。
4.系统故障重构探索创新实验环节
这部分实验置身于各个飞行阶段，突出“随机性”和“突发性”，学生根据声、光、电信号判断定位故障，然后探索最优故障重构策略，给重要设备继续可靠供电，这部分侧重于探究式教学。
随机设置供电系统的故障，包括电弧故障、参数优化实验是本的探索创新实验环节，根据随机产生的故障，学生应能快速进行故障定位并隔离。实验系统首先默认给出了基本控制结构下发电系统能够工作，后由学生根据故障现象，开展故障诊断、定位和隔离。通过该实验环节，学生能够全面认识飞机供电系系统，克服了飞机供电系统实物教具难以展示其内部复杂结构的不足，有效解决了实物教学实验成本高、学生受众面小、极端实验情况危险性大、故障不可逆以及某些实验环境不可达等难题，达成了虚拟仿真实验的基本目标。
因此，在各实验环节的设计中，分别采用了任务驱动式教学方法、交互体验式教学方法和探究式教学方法。学生基于给定任务完成相应实验，通过实验调试过程中的不同实验现象，进行任务驱动式、交互体验式和探究式教学，充分调动了学生探索未知领域的实践兴趣，培养学生现场解决问题的能力，达到了虚拟仿真实验的目的。
5.考核评价
要求学生独立完成各个实验环节，并完成实验报告。
本实验中各个模块的考核由软件客观判断完成，不需要后台老师干预。
主要考核学生：
（1）对知识的掌握程度；
（2）关键参数的设置能力；
（3）供电系统的设计能力；
（4）供电系统的综合测试能力；
（5）供电系统的故障定位、隔离能力。
三、课程主要特色
本虚拟仿真实验软件在开发、运行过程中始终贯彻“以学生为根本，以创新求发展”的思想，突出特色，突出高阶性、创新性和挑战度，又注重仿真度。
（一）瞄准国家急需，培养航空报国人才
习近平总书记考察中国商用飞机有限公司时指出，我们一定要有自己的大飞机。研制大型飞机是国家的意志，研制大飞机紧缺的就是人才。我们的责任就是培养飞机设计、飞机供电系统设计、供电管理与故障重构设计方面的人才，培养“爱岗敬业、航空报国”的人才。这是本虚拟仿真实验的出发点。
（二）瞄准科技前沿，培养高科技人才
“多电飞机”是未来先进飞机的发展方向，是飞机发展的前沿技术，融入飞机相关很多专业，用“电”牵起了飞机上的各个系统。“多电飞机”有很多关键技术需要突破，飞机供电管理与故障重构也是关键技术之一。
（三）校企共建共享，培养工程设计人才
本着“需求牵引、技术驱动、共建共享、开放运行”的原则，本课程组与中国商用飞机有限公司上海飞机设计研究院合作开展虚拟仿真实验软件的开发，底层数据由商飞提供，开发的软件由商飞试用。为员工培训提供一个平台，解决了企业的急需。
（四）融入创新性，培养创新人才
本课程在实验技术方案、互动教学方法、教学形式、实验方法、信息技术应用等各个方面都融入了创新思想，从无到有，突破传统实验教学方法、教学内容的约束。
（五）具有挑战度，培养拔尖人才
个性化实验、随机性出题、开放式任务、寻优式设计。实验中做到一人一题，自由设计子环节要求学生大胆创新，故障重构子环节各种故障随机出现，要求学生能积极探索。激发学生创新欲望。
（六）注重仿真度，培养务实人才
特备注重提高核心要素的仿真度。供电系统、底层数据和模型都来源于大型飞机C919和科研实际，给学生展现出真实的系统和性能，以“真”的知识传授给学生。
四、课程建设成效
课程自2019年上线以来，5年来累计本校教学超5500人时，向中国商飞上海飞机设计研究院、海军航空大学等科研机构和高校开放共享，总实验人次逾11500人次，覆盖全国11省、3个自治区、21所高校，受到了积极评价，取得了很好的育人成效。
具体效果如下：
（1）本课程克服了航空供电系统实物教具难以展示其内部复杂结构的不足，有效解决了双发电机台架试车教学实验成本高、学生受众面小、极端实验情况危险性大等难题，达成了虚拟仿真实验的基本目标。采用任务驱动式教学方法，模拟飞机从起飞到降落过程中的电气系统整体操作控制，充分激发了学生的学习热情和动手操作兴趣，使得参加实验人员印象深刻，能够强化虚拟实验的效果。
（2）本课程为学生提供了发电机控制参数优化的探索实践平台，规避了传统实验教学操作过于标准程式化、实验结果单一的情况，大幅提升了学生创新设计的能力。实验中所构建的虚拟场景，反映真实的供电系统的实物部件、系统结构和监测的特点，有利于学生通过交互式操作和全方位观察加速理解大型飞机供电系统的构成、工作原理和综合控制。学生能够直观体会到多电化飞机中错误判断、误操作和高危故障带来的严重后果，充分体现了交互体验式教学方法的优越性。
（3）本课程基于探究式教学方法，通过对实验方法、实验步骤和实验任务要求的设置，充分体现了对学生在面向工程问题探索最优控制参数的工程实践能力和创新能力等方面的培养。具体体现在学生自主设计参数进行仿真实验，根据结果优化参数，其次系统自动进行个性化分配任务，每个人面临的任务都不相同，从而激发学生的探索精神和实践兴趣，启发并培养学生的创新意识和创新能力。
课程组持续推进实验课程建设，围绕虚拟仿真实验教学，课程组先后主持获批江苏省高等教育教改研究项目2项（其中重点项目1项）、“实验室品质提升工程”实验教学条件建设类项目1项（面向新工科与学科交叉的虚实结合创新教学与实践体系建设）、产教融合课程建设项目1项（航空航天供电系统）等项目，有力支撑虚拟仿真实验教学。