航空復(fù)合材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗建設(shè)教學(xué)研究

路鵬程 李娜 王志平

[摘 要] 民航特色人才培養(yǎng)的目標(biāo)是培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的滿足社會和行業(yè)需求的創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才。為了適應(yīng)航空業(yè)對高素質(zhì)、高技能專業(yè)性人才不斷增長的需求，推動航空復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)改革，對中國民航大學(xué)航空復(fù)合材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗建設(shè)思路和教學(xué)功能進(jìn)行分析，從學(xué)科專業(yè)特點、教學(xué)改革及本科生培養(yǎng)角度出發(fā)，總結(jié)航空復(fù)合材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗項目和教學(xué)建設(shè)特色。

[關(guān)鍵詞] 民航;復(fù)合材料;實驗教學(xué);虛擬實驗教學(xué)

[基金項目] 2019年度天津市科學(xué)技術(shù)局“碳纖維樹脂基復(fù)合材料電-濕-熱耦合作用損傷機(jī)理研究”（19CQNJC02500）

[作者簡介] 路鵬程（1986—），男，陜西榆林人，碩士，中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院實驗師，主要從事復(fù)合材料設(shè)計、制造和損傷修理研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）25-0031-04? ?[收稿日期] 2021-02-26

一、前言

中國民航大學(xué)是中國民用航空局直屬的唯一一所綜合性高等院校，以培養(yǎng)“具有扎實的民航基礎(chǔ)知識、強(qiáng)烈的民航工程創(chuàng)新意識、較強(qiáng)的實踐動手能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力”的民航特色專業(yè)創(chuàng)新性人才為目標(biāo)。高等教育是知識傳播、應(yīng)用和創(chuàng)新的過程，更是培養(yǎng)社會所需要人才的重要途徑。

復(fù)合材料是材料科學(xué)與工程發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一，是國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)所需的高新技術(shù)新材料。我國各大高校開設(shè)了復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)，目標(biāo)是培養(yǎng)具備復(fù)合材料相關(guān)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識、實驗技能和創(chuàng)新能力的人才，適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)合材料高新技術(shù)發(fā)展趨勢，掌握復(fù)合材料設(shè)計、制備與評價等技術(shù)和專業(yè)知識，能從事先進(jìn)復(fù)合材料的設(shè)計、制造、檢測、維修、評價和工程應(yīng)用。

在復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，實驗教學(xué)占有很高的比重，是實現(xiàn)專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)必不可少的內(nèi)容。然而，該專業(yè)實驗項目具有高危險、高成本、高消耗、不可逆，以及涉及特種設(shè)備和?；返忍攸c，實際實驗項目操作難度較大、耗時長，嚴(yán)重影響了實驗教學(xué)效果，導(dǎo)致學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)不足，已經(jīng)成為復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)中的共性問題[1-4]。隨著互聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)、多媒體和虛擬技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，促進(jìn)了高等教育教學(xué)的變革和發(fā)展，也為實驗教學(xué)的信息化帶來了機(jī)遇[5-7]。中國民航大學(xué)復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)結(jié)合新時代高校實驗教學(xué)新變化，著力推動信息技術(shù)與實驗教學(xué)的緊密融合，建設(shè)具有航空特色的虛擬仿真實驗教學(xué)實驗項目。本文以航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、檢測、損傷修理技術(shù)和工程應(yīng)用實驗教學(xué)項目為例，介紹中國民航大學(xué)復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)在虛擬仿真實驗教學(xué)方面的探索。

二、虛擬實驗建設(shè)

（一）真實實驗教學(xué)的不足

航空復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)實踐能力培養(yǎng)具有非常重要的地位。在目前常規(guī)真實實驗教學(xué)過程中，學(xué)生需要按照實驗大綱要求在實驗室完成實驗內(nèi)容，需要實驗場地、設(shè)備，準(zhǔn)備價格昂貴的實驗材料，學(xué)生需要操作大型儀器及特種設(shè)備制備試樣，再采用精密貴重儀器對其進(jìn)行檢測分析，最后還需要實操培訓(xùn)，最終完成實驗并上交實驗報告。通過對國內(nèi)高等院校復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)的調(diào)研分析，結(jié)合本校該專業(yè)的實驗教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料科學(xué)與工程真實實驗教學(xué)存在以下不足。

1.復(fù)合材料本身價格昂貴、材料種類規(guī)格繁多，在成型過程中需要大量輔助材料和防護(hù)，以及使用大型儀器設(shè)備能耗高，實驗總體成本很高。

2.復(fù)合材料成型制備設(shè)備（如熱壓罐、熱壓機(jī)等）、檢測設(shè)備（如超聲C掃設(shè)備、X射線設(shè)備等）、修理設(shè)備（如打磨工具、除塵打磨臺、熱補(bǔ)儀、烤燈、烘箱等）價格昂貴，且部分為特種設(shè)備，操作前需要進(jìn)行安全培訓(xùn)獲得資格。因設(shè)備數(shù)量少，實驗課程計劃就要減少，每名同學(xué)的實驗實踐操作的機(jī)會很少，且在實驗前需要花大量時間用于儀器設(shè)備操作規(guī)程和安全注意事項的培訓(xùn)，導(dǎo)致實驗實操能力的訓(xùn)練不夠。

3.復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)大部分實驗帶有高危險性、輕微毒性，導(dǎo)致一些實驗項目暫時無法開設(shè)。

（二）虛擬實驗建設(shè)的意義

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國家對高等教育事業(yè)發(fā)展提出了新要求：構(gòu)建虛擬教學(xué)實驗環(huán)境和實驗對象，發(fā)展和實現(xiàn)實驗教學(xué)的信息化，形成真實實驗和虛擬仿真實驗有機(jī)結(jié)合的專業(yè)實驗教學(xué)體系，提升實驗教學(xué)的深度和廣度，拓展實驗教學(xué)的空間和時間，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力和創(chuàng)新意識，從而適應(yīng)國家、社會對專業(yè)人才的高素質(zhì)復(fù)合型要求[8，9]。結(jié)合復(fù)合材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)大綱的要求，積極探索可靠、經(jīng)濟(jì)、安全、內(nèi)容豐富、受益面廣的虛擬仿真實驗教學(xué)模式，形成虛擬仿真實驗與真實實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，對克服真實實驗環(huán)境中的諸多限制，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生能夠更為深刻地領(lǐng)悟?qū)I(yè)知識具有重要的現(xiàn)實意義。

（三）教學(xué)方法創(chuàng)新

1.采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，學(xué)生利用計算機(jī)可隨時隨地遠(yuǎn)程登錄云平臺服務(wù)器，進(jìn)行預(yù)習(xí)和文獻(xiàn)閱讀、設(shè)計實驗，管理系統(tǒng)提供指導(dǎo)手冊、知識點和思考題。

2.課內(nèi)提供沉浸感好的虛擬仿真系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其主動學(xué)習(xí)，利用大數(shù)據(jù)建模，實現(xiàn)一人一結(jié)果的個性化培養(yǎng)。利用虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生可反復(fù)練習(xí)直至熟練掌握。

3.課后學(xué)生通過分組討論對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，在電腦端完成實驗報告和思考題。

4.采用線上線下相結(jié)合的模式，在通過虛擬仿真實驗平臺的測試后，可預(yù)約進(jìn)行實物操作考核，獲得獨立上機(jī)操作資格。

5.對傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行延伸與拓展?；谟嬎銠C(jī)的虛擬仿真實驗，解決了實物高成本實驗設(shè)備儀器投入、材料投入、時間需求、防護(hù)危險、安全培訓(xùn)等問題。通過仿真實驗可以幫助學(xué)生較快地了解知識原理，掌握樣品制備和設(shè)備儀器使用的步驟和安全注意事項，熟悉相關(guān)的分析方法，直觀了解航空復(fù)合材料設(shè)計、制備、檢測、損傷修理原理和工藝過程等，具有安全、高效的特點，可以提高實物操作的準(zhǔn)確率，減少財力、物力的消耗。