航空復合材料科學與工程虛擬仿真實驗建設教學研究

路鵬程 李娜 王志平

[摘 要] 民航特色人才培養的目標是培養德智體美勞全面發展和可持續發展的滿足社會和行業需求的創新型、復合型、應用型人才。為了適應航空業對高素質、高技能專業性人才不斷增長的需求，推動航空復合材料科學與工程專業實驗教學改革，對中國民航大學航空復合材料科學與工程虛擬仿真實驗建設思路和教學功能進行分析，從學科專業特點、教學改革及本科生培養角度出發，總結航空復合材料科學與工程虛擬仿真實驗項目和教學建設特色。

[關鍵詞] 民航;復合材料;實驗教學;虛擬實驗教學

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

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

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] 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“具有扎實的民航基礎知識、強烈的民航工程創新意識、較強的實踐動手能力和創新創業能力”的民航特色專業創新性人才為目標。高等教育是知識傳播、應用和創新的過程，更是培養社會所需要人才的重要途徑。

復合材料是材料科學與工程發展的前沿領域之一，是國防和國民經濟建設所需的高新技術新材料。我國各大高校開設了復合材料科學與工程專業，目標是培養具備復合材料相關的基礎理論、專業知識、實驗技能和創新能力的人才，適應現代復合材料高新技術發展趨勢，掌握復合材料設計、制備與評價等技術和專業知識，能從事先進復合材料的設計、制造、檢測、維修、評價和工程應用。

在復合材料科學與工程專業人才培養過程中，實驗教學占有很高的比重，是實現專業教學培養目標必不可少的內容。然而，該專業實驗項目具有高危險、高成本、高消耗、不可逆，以及涉及特種設備和危化品等特點，實際實驗項目操作難度較大、耗時長，嚴重影響了實驗教學效果，導致學生能力和素質的培養不足，已經成為復合材料科學與工程專業實驗教學中的共性問題[1-4]。隨著互聯網、計算機、多媒體和虛擬技術的迅速發展和應用，促進了高等教育教學的變革和發展，也為實驗教學的信息化帶來了機遇[5-7]。中國民航大學復合材料科學與工程專業結合新時代高校實驗教學新變化，著力推動信息技術與實驗教學的緊密融合，建設具有航空特色的虛擬仿真實驗教學實驗項目。本文以航空復合材料結構設計、制造、檢測、損傷修理技術和工程應用實驗教學項目為例，介紹中國民航大學復合材料科學與工程專業在虛擬仿真實驗教學方面的探索。

二、虛擬實驗建設

（一）真實實驗教學的不足

航空復合材料科學與工程專業教學實踐能力培養具有非常重要的地位。在目前常規真實實驗教學過程中，學生需要按照實驗大綱要求在實驗室完成實驗內容，需要實驗場地、設備，準備價格昂貴的實驗材料，學生需要操作大型儀器及特種設備制備試樣，再采用精密貴重儀器對其進行檢測分析，最后還需要實操培訓，最終完成實驗并上交實驗報告。通過對國內高等院校復合材料科學與工程專業實驗教學的調研分析，結合本校該專業的實驗教學實踐，發現復合材料科學與工程真實實驗教學存在以下不足。

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

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

3.復合材料科學與工程專業大部分實驗帶有高危險性、輕微毒性，導致一些實驗項目暫時無法開設。

（二）虛擬實驗建設的意義

隨著科學技術的發展，國家對高等教育事業發展提出了新要求：構建虛擬教學實驗環境和實驗對象，發展和實現實驗教學的信息化，形成真實實驗和虛擬仿真實驗有機結合的專業實驗教學體系，提升實驗教學的深度和廣度，拓展實驗教學的空間和時間，增強學生的自主學習能力、工程實踐能力和創新意識，從而適應國家、社會對專業人才的高素質復合型要求[8，9]。結合復合材料科學與工程專業培養目標和教學大綱的要求，積極探索可靠、經濟、安全、內容豐富、受益面廣的虛擬仿真實驗教學模式，形成虛擬仿真實驗與真實實驗相結合的實驗教學模式，對克服真實實驗環境中的諸多限制，激發學生自主學習的積極性，使學生能夠更為深刻地領悟專業知識具有重要的現實意義。

（三）教學方法創新

1.采用翻轉課堂模式，學生利用計算機可隨時隨地遠程登錄云平臺服務器，進行預習和文獻閱讀、設計實驗，管理系統提供指導手冊、知識點和思考題。

2.課內提供沉浸感好的虛擬仿真系統，激發學生的學習興趣，使其主動學習，利用大數據建模，實現一人一結果的個性化培養。利用虛擬仿真實驗平臺，學生可反復練習直至熟練掌握。

3.課后學生通過分組討論對實驗數據進行深入分析，在電腦端完成實驗報告和思考題。

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

5.對傳統教學進行延伸與拓展。基于計算機的虛擬仿真實驗，解決了實物高成本實驗設備儀器投入、材料投入、時間需求、防護危險、安全培訓等問題。通過仿真實驗可以幫助學生較快地了解知識原理，掌握樣品制備和設備儀器使用的步驟和安全注意事項，熟悉相關的分析方法，直觀了解航空復合材料設計、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確率，減少財力、物力的消耗。