路鹏程 李娜 王志平

[摘 要] 民航特色人才培养的目标是培养德智体美劳全面发展和可持续发展的满足社会和行业需求的创新型、复合型、应用型人才。为了适应航空业对高素质、高技能专业性人才不断增长的需求，推动航空复合材料科学与工程专业实验教学改革，对中国民航大学航空复合材料科学与工程虚拟仿真实验建设思路和教学功能进行分析，从学科专业特点、教学改革及本科生培养角度出发，总结航空复合材料科学与工程虚拟仿真实验项目和教学建设特色。

[关键词] 民航;复合材料;实验教学;虚拟实验教学

[基金项目] 2019年度天津市科学技术局“碳纤维树脂基复合材料电-湿-热耦合作用损伤机理研究”（19CQNJC02500）

[作者简介] 路鹏程（1986—），男，陕西榆林人，硕士，中国民航大学航空工程学院实验师，主要从事复合材料设计、制造和损伤修理研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）25-0031-04   [收稿日期] 2021-02-26

一、前言

中国民航大学是中国民用航空局直属的唯一一所综合性高等院校，以培养“具有扎实的民航基础知识、强烈的民航工程创新意识、较强的实践动手能力和创新创业能力”的民航特色专业创新性人才为目标。高等教育是知识传播、应用和创新的过程，更是培养社会所需要人才的重要途径。

复合材料是材料科学与工程发展的前沿领域之一，是国防和国民经济建设所需的高新技术新材料。我国各大高校开设了复合材料科学与工程专业，目标是培养具备复合材料相關的基础理论、专业知识、实验技能和创新能力的人才，适应现代复合材料高新技术发展趋势，掌握复合材料设计、制备与评价等技术和专业知识，能从事先进复合材料的设计、制造、检测、维修、评价和工程应用。

在复合材料科学与工程专业人才培养过程中，实验教学占有很高的比重，是实现专业教学培养目标必不可少的内容。然而，该专业实验项目具有高危险、高成本、高消耗、不可逆，以及涉及特种设备和危化品等特点，实际实验项目操作难度较大、耗时长，严重影响了实验教学效果，导致学生能力和素质的培养不足，已经成为复合材料科学与工程专业实验教学中的共性问题[1-4]。随着互联网、计算机、多媒体和虚拟技术的迅速发展和应用，促进了高等教育教学的变革和发展，也为实验教学的信息化带来了机遇[5-7]。中国民航大学复合材料科学与工程专业结合新时代高校实验教学新变化，着力推动信息技术与实验教学的紧密融合，建设具有航空特色的虚拟仿真实验教学实验项目。本文以航空复合材料结构设计、制造、检测、损伤修理技术和工程应用实验教学项目为例，介绍中国民航大学复合材料科学与工程专业在虚拟仿真实验教学方面的探索。

二、虚拟实验建设

（一）真实实验教学的不足

航空复合材料科学与工程专业教学实践能力培养具有非常重要的地位。在目前常规真实实验教学过程中，学生需要按照实验大纲要求在实验室完成实验内容，需要实验场地、设备，准备价格昂贵的实验材料，学生需要操作大型仪器及特种设备制备试样，再采用精密贵重仪器对其进行检测分析，最后还需要实操培训，最终完成实验并上交实验报告。通过对国内高等院校复合材料科学与工程专业实验教学的调研分析，结合本校该专业的实验教学实践，发现复合材料科学与工程真实实验教学存在以下不足。

1.复合材料本身价格昂贵、材料种类规格繁多，在成型过程中需要大量辅助材料和防护，以及使用大型仪器设备能耗高，实验总体成本很高。

2.复合材料成型制备设备（如热压罐、热压机等）、检测设备（如超声C扫设备、X射线设备等）、修理设备（如打磨工具、除尘打磨台、热补仪、烤灯、烘箱等）价格昂贵，且部分为特种设备，操作前需要进行安全培训获得资格。因设备数量少，实验课程计划就要减少，每名同学的实验实践操作的机会很少，且在实验前需要花大量时间用于仪器设备操作规程和安全注意事项的培训，导致实验实操能力的训练不够。

3.复合材料科学与工程专业大部分实验带有高危险性、轻微毒性，导致一些实验项目暂时无法开设。

（二）虚拟实验建设的意义

随着科学技术的发展，国家对高等教育事业发展提出了新要求：构建虚拟教学实验环境和实验对象，发展和实现实验教学的信息化，形成真实实验和虚拟仿真实验有机结合的专业实验教学体系，提升实验教学的深度和广度，拓展实验教学的空间和时间，增强学生的自主学习能力、工程实践能力和创新意识，从而适应国家、社会对专业人才的高素质复合型要求[8，9]。结合复合材料科学与工程专业培养目标和教学大纲的要求，积极探索可靠、经济、安全、内容丰富、受益面广的虚拟仿真实验教学模式，形成虚拟仿真实验与真实实验相结合的实验教学模式，对克服真实实验环境中的诸多限制，激发学生自主学习的积极性，使学生能够更为深刻地领悟专业知识具有重要的现实意义。

（三）教学方法创新

1.采用翻转课堂模式，学生利用计算机可随时随地远程登录云平台服务器，进行预习和文献阅读、设计实验，管理系统提供指导手册、知识点和思考题。

2.课内提供沉浸感好的虚拟仿真系统，激发学生的学习兴趣，使其主动学习，利用大数据建模，实现一人一结果的个性化培养。利用虚拟仿真实验平台，学生可反复练习直至熟练掌握。

3.课后学生通过分组讨论对实验数据进行深入分析，在电脑端完成实验报告和思考题。

4.采用线上线下相结合的模式，在通过虚拟仿真实验平台的测试后，可预约进行实物操作考核，获得独立上机操作资格。

5.对传统教学进行延伸与拓展。基于计算机的虚拟仿真实验，解决了实物高成本实验设备仪器投入、材料投入、时间需求、防护危险、安全培训等问题。通过仿真实验可以帮助学生较快地了解知识原理，掌握样品制备和设备仪器使用的步骤和安全注意事项，熟悉相关的分析方法，直观了解航空复合材料设计、制备、检测、损伤修理原理和工艺过程等，具有安全、高效的特点，可以提高实物操作的准确率，减少财力、物力的消耗。

三、航空复合材料实验室建设

（一）虚拟仿真实验建设思路

结合复合材料科学与工程专业培养目标和专业特色，坚持“科学、高效、绿色、发展”的指导思想，以“虚实结合、相互补充”为基本原则，建设先进的信息化实验教学资源，实现真实实验难以实现或不具备的教学功能。针对中国民航大学航空特色院校复合材料科学与工程专业方向，建立复合材料设计、制造、检测和损伤修理虚拟仿真实验，形成虚拟仿真实验与真实实验相结合的教学模式，从而满足教学大纲要求，实现专业培养目标。

由于复合材料科学与工程专业涉及知识面广、信息量大，在虛拟仿真实验建设过程中，确立了多模块知识体系：（1）复合材料结构设计和制造;（2）复合材料结构缺陷检测分析;（3）复合材料结构损伤维修方案制定及实施。三个模块相辅相成，符合航空复合材料结构设计、制造、检测和损伤修理的关键知识体系和工程实际能力需求。

（二）虚拟仿真实验的建设内容

实验教学系统由前台和后台两大部分组成。前台部分包括复合材料三个模块实验项目的实验性质与目的、实验原理、实验仪器与设备、实验材料、实验场景分布、实验操作图片或视频、虚拟交互实验操作、实验考核、实验报告等内容;后台部分包括教学学生管理、实验项目与内容管理、实验成绩管理、实验报告评阅与管理等内容。

1.复合材料设计与制造模块。复合材料的可设计性是指材料的性能（如强度、刚度、不同方向的力学性能等）、形状与物理化学性能都可以通过复合材料的基体和增强材料的选择及工艺的选择来实现各种不同的需求，如图1所示。

根据专业教学规划，在模块Ⅰ中建设了增强材料、树脂体系、增强材料编织类型、复合材料铺层角度选择等数据库。在该模块中学生能够应用三维交互技术模拟复合材料结构设计过程。

在该模块中还建立了热压罐设备，借助该设备，学生能够应用三维交互技术模拟大型特种设备仪器热压罐的操作过程，以及复合材料结构采用热压罐技术的制备过程。此外，学生还可以利用现有商业设计软件（如ABAQUS、ANSYS等）设计复合材料结构需求类型，也可以自行设计真空封装和固化流程，从而不断丰富虚拟仿真教学资源，实现该虚拟仿真教学系统的持续完善。

2.复合材料结构缺陷检测模块。模块Ⅱ建立复合材料超声C扫大型精密仪器检测系统，该模块包括设备拆装、特征提取和分析设计三个功能。设备拆装主要用来让学生学习超声C扫无损检测设备构造和工作原理;特征提取是指对复合材料结构进行检测，获取损伤类型及尺寸;分析设计是指在确定损伤类型和尺寸后分析是否可维修，以及初步设计维修工艺技术方案。

同时，在该模块系统中还建立复合材料结构损伤数据库，包括：（1）磨损;（2）刮痕;（3）凿槽和刻痕;（4）凹坑;（5）脱胶;（6）分层;（7）孔洞等。更复杂的损伤类型数据库也在陆续完善。

3.复合材料结构修理方案制定及实施模块。模块Ⅲ建立了复合材料修理热补仪，建立复合材料不同损伤类型维修方案数据库（包括保护性修理、填充胶修理、边缘损伤修理、加强片粘接修理、纤维层增强修理、层板穿透损伤修理、挖补斜坡搭接修理、蜂窝注胶修理、更换蜂窝修理、蜂窝夹层贯穿损伤修理等20多种典型结构及损伤维修方案数据库）。学生可以根据模块Ⅰ的材料设计情况和模块Ⅱ中检测的缺陷类型和尺寸，在模块Ⅲ中自行设计合理的修理方案，并采用3D动态模拟过程实施复合材料结构损伤修理。每个实验项目均按照实验预习、实验学习、实验练习、实验考核流程进行，并最终完成和提交实验报告。

四、实验教务管理

实验教学实施过程如图2所示。采用该复合材料科学与工程虚拟仿真实验教学模块，每名学生实验结束后能够获得一份自行设计的复合材料结构设计、制造、检测和修理实验的成绩报告。通过实验报告，学生可以“自检”操作过程，修正操作步骤，直至各操作环节完全掌握。通过小组讨论，学生对航空复合材料设计、制造、检测和损伤修理过程的原理、设备和各个因素的影响等有了更深刻的认识和理解，结合文献和理论知识分析其作用机理，完成实验报告。实现难以采用真实实验教学完成的实验内容，由“有限参与”转变为全体学生“实景操作”，可实现学生100%“全流程”参与，还可突破空间和时间限制，实现在设备终端随时随地进行实验项目的预习、操作及自主测验等，使学生对实验结果和结论掌握得更充分、到位。

实验进程实行数字化管理，内容包括课程资源、预习、实验环节记录、成绩管理、网上考试等内容。全过程了解教师、学生对实验各环节的掌握情况和存在的问题，并通过长时间的积累，取得一定数据后，优化整个实验课程体系，提高实验课程的教学效果，提高实验室的运行效果，提高学生的动手实践能力。

五、结语

复合材料结构损伤修理虚拟仿真实验建设，使学生能够在虚拟环境中开展在真实实验环境中无法开设的实验，教师能在虚拟环境中管理实验，达到了优化教育资源、有效提高教学质量的目的，实现了信息技术和实验教学的有机融合。

采用个性化、智能化、沉浸式教学模式，将多种信息技术手段与计算机大数据相结合，采用抛锚式教学法设计应用情景，学生根据文献和商用有限元软件等自主设计复合材料结构，完成制备，获得具有不同的复合材料结构、损伤类型的个性化样品，并利用无损检测技术对个性化样品的损伤类型进行分析表征，通过分组讨论、数据分析、科学研究，建立复合材料结构损伤修理技术方案设计之间的直观联系。

利用虚拟仿真技术使学生能够快速、安全地体验实验教学，营造真实应用情景，培养学生的综合应用能力和逻辑分析能力。解决了实验周期长、实验设备台套数不足、热压罐，以及无损检测设备等精密设备仪器、特种设备原理抽象，学生操作技能不熟练等问题，建立了复合材料结构设计、制造、损伤检测和维修之间的直观分析和认知，可拓展性强。

参考文献

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[9]教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].（2013-08-13）[2021-01-20].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t

20130821_156121.html.

Teaching Research on the Virtual Simulation Experiment Construction of Aeronautical Composite Materials Science and Engineering

LU Peng-cheng， LI Na， WANG Zhi-ping

（Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance， College of Aeronautical Engineering， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： The goal of civil aviation talent training is to cultivate innovative， compound and application-oriented talents who can meet the needs of society and the industry for the all-round development of morality， intelligence， physical education， art and labor education. In order to meet the growing demand of aviation industry for high-quality and high-skilled professional talents， and promote the experiment teaching reform of aviation composite materials science and engineering specialty， this article describes the construction ideas and teaching functions of aviation composite materials science and engineering virtual simulation experiment of Civil Aviation University of China. From the perspectives of the characteristics of disciplines， teaching reform and undergraduate training， the virtual simulation experiment project and teaching construction characteristics of aviation composite materials science and engineering are clarified.

Key words： civil aviation; composite material; experiment teaching; virtual experiment teaching