“飛機構造”實踐教學改革探索

［摘 要］ 飛機結構及零部件特征決定了“飛機構造”這門飛行器制造工程專業基礎課具有很強的理論性和工程技術性，教學過程中需要完善的實踐教學資源做支撐。針對“飛機構造”實踐教學過程中存在的問題，從教師自身素養、實踐教學方法和資源等方面對“飛機構造”實踐教學進行了改革探索。利用面向對象技術，基于Visual C#和ACCESS數據庫平臺，開發了飛機零部件三維數字化模型管理系統，實現了飛機零部件的瀏覽、增加、刪除、修改和查找等操作功能，建立了數字航空館。該系統在“飛機構造”課堂中得到了成功的應用，提高了學生對飛機零部件的感性認識，激起了學生探索飛機結構的好奇心，顯著提升了教學效果。

［關鍵詞］ 實踐教學；數字化資源庫；飛機零部件三維模型；數字航空館；飛機構造

［基金項目］ 2020年度江西省高等學校教學改革研究項目“《飛機構造》課程‘理—數’一體化教學改革研究”（JXJG-20-8-11）；2020年度南昌航空大學校級教學改革研究項目“課程思政視域下《工程制圖》課堂構建”（JY2011）

［作者簡介］ 趙剛要（1979—），男，河南駐馬店人，博士，南昌航空大學航空制造工程學院副教授，主要從事精確塑性成形技術及建模仿真研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）35-0069-04 ［收稿日期］ 2023-10-11

引言

飛機的結構特點決定了飛機的制造技術，飛機的制造工藝過程特點與飛機產品的使用要求和結構特點密切相關。“飛機構造”是飛行器制造工程本科專業的一門重要學科基礎課。其教學內容不僅涉及機翼、機身和起落架等構造學和材料科學內容，而且涉及空氣動力學和結構力學的基礎知識，是一門理論性與技術性很強的專業核心課程，需要完善的實踐教學資源做支撐［1］。因此，建設好“飛機構造”課程實踐教學資源，可為提升與飛行器制造相關的專業課程教學效率，提高相關專業培養質量，以及學生從事航空制造專業領域工作打下堅實基礎。

一、“飛機構造”實踐教學改革的必要性

空間薄壁、結構復雜是飛機結構的重要特點之一。飛機結構的復雜性不僅指零件外形上的復雜，而且包含零件之間結構關系的復雜。高結構效率是現代飛機結構追求的重要目標。換句話說，在保證飛機結構完整性的前提下，結構重量應盡可能輕［2］。為了實現這一目標，飛機結構絕大部分構件的布置必須是為了合理地傳遞載荷。飛機結構的這些特征決定了“飛機構造”這門課教學既包含抽象的理論教學，又包括具體的結構現場實踐教學，是一門理論性和實踐性很強的專業核心課程，需要完善的實踐教學資源來實現現場教學，達到理想的教學效果。

隨著我國航空工業發展黃金期的到來，社會對飛行器制造工程專業人才的需求越來越大，且越來越多的高校開設了飛行器制造工程專業，飛行器制造工程專業人才和教學資源愈發匱乏，特別是實踐教學資源。國內除了西北工業大學、北京航空航天大學和哈爾濱工業大學等重點大學擁有豐富的飛機構造實踐教學資源以外，大多院校飛機結構教學資源短缺，特別是新增飛行器制造工程專業的高校。因此，有必要對“飛機構造”實踐教學進行改革，建立數字化實踐教學資源庫和數字航空館，以提升學生的學習興趣，提高教學效果。

二、“飛機構造”實踐教學過程存在的問題

（一）理論與實踐教學相脫節

飛機結構的特性，決定了“飛機構造”課程必須輔以合理的實踐教學。然而，在實際教學過程中，或者是因為實踐教學資源匱乏，或是其他原因，部分教師仍以教師為中心，借助于PPT課件，采用傳統的“灌輸式”教學，忽略了“飛機構造”實踐教學。這就易導致一些學生學完飛機構造內容，但還不清楚飛機零件長啥樣，對飛機零部件的要求和功用理解不夠深入，整體教學效果不佳。

（二）教師缺乏航空背景，對飛機內部構造認識不深刻

飛行制造工程與機械制造、材料成型及控制工程等專業相比較小眾，人才培養能力不足，特別是隨著我國航空工業的大發展，越來越多的高校開設了飛行器制造工程專業，從而導致專業師資和教學資源短缺。為了解決教師隊伍建設問題，部分高校往往從機械和材料專業引進師資，進而出現飛行器制造工程專業存在大量沒有航空背景教師的現象。所以，一些教師對飛機內部構造認識不深刻，講授時只能局限于教材，教學效果可想而知。

（三）實踐教學資源匱乏

飛機機體較大，占地面積廣，價格昂貴；飛機數量少，有的還涉密，獲取難度大，這些勢必會導致普通高校“飛機構造”實踐教學資源建設與養護成本高、難度大。甚至有些高校根本就不愿意拆卸蒙皮建設“飛機構造”現場教學資源，進而導致其實踐教學資源十分匱乏。

眾所周知，飛機結構不但尺寸大、外形和結構復雜、剛性差、精度要求高，而且零件數量眾多，一架飛機的零件數量從幾十萬到百萬不等。此外，飛機零件圖紙大都涉密，無法有效獲取。這些原因都會加大“飛機構造”數字化實踐教學資源庫建設難度，增加“飛機構造”數字化實踐教學改革的難度。

三、“飛機構造”實踐教學改革探索

“飛機構造”現場教學是飛行器制造工程專業實踐教學體系的有機組成部分，是培養學生綜合相關理論、知識解決飛行器制造領域復雜工程問題專業素養的核心內容。為此，本文針對目前南昌航空大學“飛機構造”實踐教學過程中存在的問題，開展了教學改革研究，以促進“飛機構造”課程整體的教學改革與發展。研究成果可作為參考，應用到其他工科專業教學改革中，具有廣闊的應用推廣價值。

（一）提高教師的素養

高校教師是實施高等教育的主力軍，肩負著傳道授業解惑的重任，教師的素養直接影響著大學生的培養質量。因此，教師不但要具有過硬的政治素養，為人師表，熱愛學生，而且應具有淵博的專業知識、創新能力和航空專業從業背景等。飛行器制造工程專業人才匱乏，一些飛行器制造工程專業教師缺乏航空背景，進而易導致“飛機構造”實踐教學效果低下。鼓勵相關缺乏航空背景的專業課教師參加航空企業培訓，或到主機廠掛職鍛煉，抑或去主機廠帶隊畢業實習，增加航空知識，是提高其教學能力、提升教學質量的良好途徑。

（二）改進實踐教學方法

傳統的“飛機構造”實踐教學以教師為主，主要結合文字、圖片和動畫等PPT案例講授課本知識，且課時量少。面對厚重的課本，龐大、種類繁多的飛機結構及其晦澀難懂的功能原理，一般情況下，難以激發學生的學習興趣。在教學過程中引入數字化虛擬教學資源，以數字化飛機零部件模型為基礎，構建“飛機構造”實踐教學資源庫，把“飛機構造”現場教學通過數字化平臺搬到課堂上，以彌補學生對飛機結構及其零部件宏觀認識的不足。

此外，以科研為驅動，以學生為主體，在教學過程中，引領學生參與相關科研項目，建立飛機零部件三維數字化模型，不僅可以解決飛機零部件數量龐大、種類繁多，人員不足等問題，而且可以加深學生對飛機零部件和飛機構造的認識，使學生獲得成就感，激發其學習“飛機構造”的興趣，提高其學習效果。

（三）建立“飛機構造”實踐教學數字化資源庫

1.飛機零部件三維建模。飛機結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形的重要部分，其種類繁多，形狀復雜，材料各異，特別是為了減重而進行的強度設計，往往在結構件上具有復雜的型腔［3］，進而導致其三維數字化模型設計難度加大。本文以作者參與的×××飛機零件三維數模設計為基礎，分析了飛機零件的幾何特征，對飛機零件進行了分類；根據某飛機零件工程圖，建立了該飛機零件三維模型。（1）蒙皮類零件三維建模：飛機蒙皮類零件大多具有復雜曲面（特征截面大多為樣條曲線）氣動外形，且協調精度高，并要求為光滑流線。例如，機翼前緣蒙皮、整流罩和發動機艙內外蒙皮等。此類零件的建模方法主要是：先根據飛機工程圖對蒙皮特征截面進行點離散，構建蒙皮點云，再采用CATIA的逆向建模功能建立蒙皮的三維零件圖。（2）框肋類零件［4］建模：飛機框肋類零件的幾何特征主要為平面帶彎邊、變斜角、外緣變曲率和多減輕孔等，有的還帶有加強窩和下限。因此，這類零件建模主要采用航空鈑金模塊，并有機結合實體建模抽殼命令完成建模。（3）厚壁、接頭類零件建模：雖然飛機結構零件大多為薄壁或超薄壁零件，但也有部分飛機零件，其外形相對簡單、壁厚較厚。例如：機翼機身接頭、加強隔框、起落架支撐桿和扭力臂等零件。此類零件雖然結構復雜，但幾何特征相對簡單。因此，采用結合了以特征為基礎的實體設計和實體間的布爾操作的零件設計模塊，以提高此類零件建模效率，方便模型的修改和參數化。

2.“飛機構造”實踐教學資源庫構建。（1）需求分析。在“飛機構造”實踐教學資源庫構建之前，首先要弄清楚教師要采用軟件解決哪些問題，以及其功能、性能要求和運行平臺等。該資源庫主要是用飛機結構、零部件數字化三維模型來代替飛機結構實物，完成“飛機構造”實踐教學。其功能具體如下：①安全性功能。系統須設置用戶注冊、登錄權限，以保障系統及數據庫的安全性。②用戶登錄成功后，可對零件進行管理，包括添加、修改和刪除等操作。③飛機結構零件部件查詢功能，包括零件查詢及零件類型查詢和展示等。（2）“飛機構造”實踐教學資源系統結構分析。“飛機構造”實踐教學資源系統是高校教師的教學輔助手段，主要應用于高校內部網絡。開發“飛機構造”實踐教學資源系統時選用C/S結構模式。考慮到系統涉及的飛機結構零部件數量以及高校教學系統的硬件設施，選定Access數據管理系統作為該資源系統的數據庫開發平臺，系統結構如圖1所示。（3）數據庫設計。①數據模型設計［5］：首先基于“飛機構造”實踐教學資源庫需求分析，對其現實進行抽象，建立Access概念模型；然后對其進行抽象，把E-R模型轉化為Access數據庫系統可處理的數據庫邏輯結構；最后根據Access數據庫系統提供的方法、技術以及優化的數據存取路徑和存放位置等，設計可以高效實現的物理數據庫結構。②數據庫創建：首先基于建立的物理數據模型，采用數據定義語言，建立飛機結構數據庫結構、組織數據入庫，并進行調試運行，然后根據數據庫特點和處理的需求，創建相應的索引、視圖［6］，進而完成“飛機構造”實踐教學資源庫的創建。

3.建立數字航空館。數字航空館不僅可以彌補部分航空類院校“飛機構造”實踐教學資源匱乏的問題，而且可以向學生展示飛機結構三維、動畫和音像等，使學生如身臨其境，更好地理解飛機的零件和結構信息，實現數字化實踐教學，提高教學效果。

數字航空館主要包含航空館數字化管理系統、數字化展示系統和飛機結構資源庫三個部分。以ACEESS為數據庫平臺，采用C/S架構實現對飛機零件三維模型、動畫和軟件多種數據的管理，基于面向對象技術和可視化編程Visual C#開發工具建立了數字航空館，實現了飛機零部件的管理、瀏覽查看等功能，運行界面和效果如圖2、圖3所示。

結語

飛機結構特點決定了“飛機構造”課程教學須要輔以完善的實踐教學資源，以實現現場教學。然而，實踐教學資源匱乏是目前普通院校飛行器制造、設計和維修工程等專業的教學現狀。結合南昌航空大學飛行器制造工程相關專業的教學現狀，從教師素養、實踐教學方法和實踐教學資源建設等方面對“飛機構造”實踐教學進行了多個方面、多個角度的改革創新。基于“飛機構造”數字化教學與數據庫技術的有機結合，開發了飛機結構零部件教學資源管理系統，建立了數字航空館，實現了飛機結構零部件聲、圖、文一體全方位直觀、真實展示，提高了學生對飛機零部件的感性認識，增強了其主動探究飛行器制造的意識和自主學習的能力，提升了教學效果。

參考文獻

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［2］胡婕，王如華，王穩江，等.客機機翼氣動/結構多學科優化方法［J］.南京航空航天大學學報，2012，44（4）：458-463.

［3］許建新，孔憲光，賈曉亮，等.基于CAPPFramework的智能化CAPP技術［J］.航空制造技術，2001（2）：41-44.

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［5］王珊，薩師煊.數據庫系統概論［M］.5版.北京：高等教育出版社，2014：5-8.

［6］郭正華，賀超，崔俊華，等.攪拌摩擦焊CAPP系統設計與開發［J］.焊接，2014（12）：52-55+67.

Research on Teaching Reform of Practical Teaching of Aircraft Structure

ZHAO Gang-yao， ZHANG Ran-yang， GUO Zheng-hua， ZHU Yong-guo

（School of Aeronautical Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang， Jiangxi 330063， China）

Abstract： The “Aircraft Structure” is a highly theoretical and engineering basic course， which is determined by the characteristics of aircraft structure and components. As a result， the comprehensive practical teaching resources are essential during the teaching process.In response to the problems during the practical teaching process of “Aircraft Structure”， the exploration of practical teaching reform in the teaching process has been carried out from the teacher’s professional accomplish， practical teaching methods， and practical teaching resources. Using the object oriented programming method， a 3D digital model management system for aircraft components has been developed based on Visual C # and ACCESS database platform， and the functions of browsing， adding， deleting， modifying， and searching of aircraft components have been implemented， then a digital aviation pavilion has been established. The system has been successfully applied in the teaching process of “Aircraft Structure”， the students’ perceptual understanding of aircraft components has been enhanced， the curiosity of students to explore the structure of aircraft has been aroused， and the teaching effect has been significantly improved.

Key words： practical teaching; digital resource library; 3D model of aircraft parts; digital aviation pavilion; aircraft structure