航空复合材料科学与工程虚拟仿真实验建设教学研究

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。