“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)改革探索

［摘 要］ 飛機(jī)結(jié)構(gòu)及零部件特征決定了“飛機(jī)構(gòu)造”這門飛行器制造工程專業(yè)基礎(chǔ)課具有很強(qiáng)的理論性和工程技術(shù)性，教學(xué)過程中需要完善的實(shí)踐教學(xué)資源做支撐。針對“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)過程中存在的問題，從教師自身素養(yǎng)、實(shí)踐教學(xué)方法和資源等方面對“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了改革探索。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，基于Visual C#和ACCESS數(shù)據(jù)庫平臺，開發(fā)了飛機(jī)零部件三維數(shù)字化模型管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)零部件的瀏覽、增加、刪除、修改和查找等操作功能，建立了數(shù)字航空館。該系統(tǒng)在“飛機(jī)構(gòu)造”課堂中得到了成功的應(yīng)用，提高了學(xué)生對飛機(jī)零部件的感性認(rèn)識，激起了學(xué)生探索飛機(jī)結(jié)構(gòu)的好奇心，顯著提升了教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］ 實(shí)踐教學(xué)；數(shù)字化資源庫；飛機(jī)零部件三維模型；數(shù)字航空館；飛機(jī)構(gòu)造

［基金項(xiàng)目］ 2020年度江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“《飛機(jī)構(gòu)造》課程‘理—數(shù)’一體化教學(xué)改革研究”（JXJG-20-8-11）；2020年度南昌航空大學(xué)校級教學(xué)改革研究項(xiàng)目“課程思政視域下《工程制圖》課堂構(gòu)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(xué)航空制造工程學(xué)院副教授，主要從事精確塑性成形技術(shù)及建模仿真研究。

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

引言

飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了飛機(jī)的制造技術(shù)，飛機(jī)的制造工藝過程特點(diǎn)與飛機(jī)產(chǎn)品的使用要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)。“飛機(jī)構(gòu)造”是飛行器制造工程本科專業(yè)的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課。其教學(xué)內(nèi)容不僅涉及機(jī)翼、機(jī)身和起落架等構(gòu)造學(xué)和材料科學(xué)內(nèi)容，而且涉及空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)知識，是一門理論性與技術(shù)性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程，需要完善的實(shí)踐教學(xué)資源做支撐［1］。因此，建設(shè)好“飛機(jī)構(gòu)造”課程實(shí)踐教學(xué)資源，可為提升與飛行器制造相關(guān)的專業(yè)課程教學(xué)效率，提高相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量，以及學(xué)生從事航空制造專業(yè)領(lǐng)域工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)改革的必要性

空間薄壁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)之一。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不僅指零件外形上的復(fù)雜，而且包含零件之間結(jié)構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜。高結(jié)構(gòu)效率是現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)追求的重要目標(biāo)。換句話說，在保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的前提下，結(jié)構(gòu)重量應(yīng)盡可能輕［2］。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)絕大部分構(gòu)件的布置必須是為了合理地傳遞載荷。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的這些特征決定了“飛機(jī)構(gòu)造”這門課教學(xué)既包含抽象的理論教學(xué)，又包括具體的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)，是一門理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程，需要完善的實(shí)踐教學(xué)資源來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場教學(xué)，達(dá)到理想的教學(xué)效果。

隨著我國航空工業(yè)發(fā)展黃金期的到來，社會對飛行器制造工程專業(yè)人才的需求越來越大，且越來越多的高校開設(shè)了飛行器制造工程專業(yè)，飛行器制造工程專業(yè)人才和教學(xué)資源愈發(fā)匱乏，特別是實(shí)踐教學(xué)資源。國內(nèi)除了西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等重點(diǎn)大學(xué)擁有豐富的飛機(jī)構(gòu)造實(shí)踐教學(xué)資源以外，大多院校飛機(jī)結(jié)構(gòu)教學(xué)資源短缺，特別是新增飛行器制造工程專業(yè)的高校。因此，有必要對“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革，建立數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)資源庫和數(shù)字航空館，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

二、“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)過程存在的問題

（一）理論與實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的特性，決定了“飛機(jī)構(gòu)造”課程必須輔以合理的實(shí)踐教學(xué)。然而，在實(shí)際教學(xué)過程中，或者是因?yàn)閷?shí)踐教學(xué)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(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)，忽略了“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)。這就易導(dǎo)致一些學(xué)生學(xué)完飛機(jī)構(gòu)造內(nèi)容，但還不清楚飛機(jī)零件長啥樣，對飛機(jī)零部件的要求和功用理解不夠深入，整體教學(xué)效果不佳。

（二）教師缺乏航空背景，對飛機(jī)內(nèi)部構(gòu)造認(rèn)識不深刻

飛行制造工程與機(jī)械制造、材料成型及控制工程等專業(yè)相比較小眾，人才培養(yǎng)能力不足，特別是隨著我國航空工業(yè)的大發(fā)展，越來越多的高校開設(shè)了飛行器制造工程專業(yè)，從而導(dǎo)致專業(yè)師資和教學(xué)資源短缺。為了解決教師隊(duì)伍建設(shè)問題，部分高校往往從機(jī)械和材料專業(yè)引進(jìn)師資，進(jìn)而出現(xiàn)飛行器制造工程專業(yè)存在大量沒有航空背景教師的現(xiàn)象。所以，一些教師對飛機(jī)內(nèi)部構(gòu)造認(rèn)識不深刻，講授時只能局限于教材，教學(xué)效果可想而知。

（三）實(shí)踐教學(xué)資源匱乏

飛機(jī)機(jī)體較大，占地面積廣，價格昂貴；飛機(jī)數(shù)量少，有的還涉密，獲取難度大，這些勢必會導(dǎo)致普通高?！帮w機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)與養(yǎng)護(hù)成本高、難度大。甚至有些高校根本就不愿意拆卸蒙皮建設(shè)“飛機(jī)構(gòu)造”現(xiàn)場教學(xué)資源，進(jìn)而導(dǎo)致其實(shí)踐教學(xué)資源十分匱乏。

眾所周知，飛機(jī)結(jié)構(gòu)不但尺寸大、外形和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、精度要求高，而且零件數(shù)量眾多，一架飛機(jī)的零件數(shù)量從幾十萬到百萬不等。此外，飛機(jī)零件圖紙大都涉密，無法有效獲取。這些原因都會加大“飛機(jī)構(gòu)造”數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)資源庫建設(shè)難度，增加“飛機(jī)構(gòu)造”數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)改革的難度。

三、“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)改革探索

“飛機(jī)構(gòu)造”現(xiàn)場教學(xué)是飛行器制造工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的有機(jī)組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生綜合相關(guān)理論、知識解決飛行器制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題專業(yè)素養(yǎng)的核心內(nèi)容。為此，本文針對目前南昌航空大學(xué)“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)過程中存在的問題，開展了教學(xué)改革研究，以促進(jìn)“飛機(jī)構(gòu)造”課程整體的教學(xué)改革與發(fā)展。研究成果可作為參考，應(yīng)用到其他工科專業(yè)教學(xué)改革中，具有廣闊的應(yīng)用推廣價值。

（一）提高教師的素養(yǎng)

高校教師是實(shí)施高等教育的主力軍，肩負(fù)著傳道授業(yè)解惑的重任，教師的素養(yǎng)直接影響著大學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。因此，教師不但要具有過硬的政治素養(yǎng)，為人師表，熱愛學(xué)生，而且應(yīng)具有淵博的專業(yè)知識、創(chuàng)新能力和航空專業(yè)從業(yè)背景等。飛行器制造工程專業(yè)人才匱乏，一些飛行器制造工程專業(yè)教師缺乏航空背景，進(jìn)而易導(dǎo)致“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)效果低下。鼓勵相關(guān)缺乏航空背景的專業(yè)課教師參加航空企業(yè)培訓(xùn)，或到主機(jī)廠掛職鍛煉，抑或去主機(jī)廠帶隊(duì)畢業(yè)實(shí)習(xí)，增加航空知識，是提高其教學(xué)能力、提升教學(xué)質(zhì)量的良好途徑。

（二）改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法

傳統(tǒng)的“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)以教師為主，主要結(jié)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(jī)結(jié)構(gòu)及其晦澀難懂的功能原理，一般情況下，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中引入數(shù)字化虛擬教學(xué)資源，以數(shù)字化飛機(jī)零部件模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源庫，把“飛機(jī)構(gòu)造”現(xiàn)場教學(xué)通過數(shù)字化平臺搬到課堂上，以彌補(bǔ)學(xué)生對飛機(jī)結(jié)構(gòu)及其零部件宏觀認(rèn)識的不足。

此外，以科研為驅(qū)動，以學(xué)生為主體，在教學(xué)過程中，引領(lǐng)學(xué)生參與相關(guān)科研項(xiàng)目，建立飛機(jī)零部件三維數(shù)字化模型，不僅可以解決飛機(jī)零部件數(shù)量龐大、種類繁多，人員不足等問題，而且可以加深學(xué)生對飛機(jī)零部件和飛機(jī)構(gòu)造的認(rèn)識，使學(xué)生獲得成就感，激發(fā)其學(xué)習(xí)“飛機(jī)構(gòu)造”的興趣，提高其學(xué)習(xí)效果。

（三）建立“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)數(shù)字化資源庫

1.飛機(jī)零部件三維建模。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體骨架和氣動外形的重要部分，其種類繁多，形狀復(fù)雜，材料各異，特別是為了減重而進(jìn)行的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，往往在結(jié)構(gòu)件上具有復(fù)雜的型腔［3］，進(jìn)而導(dǎo)致其三維數(shù)字化模型設(shè)計(jì)難度加大。本文以作者參與的×××飛機(jī)零件三維數(shù)模設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，分析了飛機(jī)零件的幾何特征，對飛機(jī)零件進(jìn)行了分類；根據(jù)某飛機(jī)零件工程圖，建立了該飛機(jī)零件三維模型。（1）蒙皮類零件三維建模：飛機(jī)蒙皮類零件大多具有復(fù)雜曲面（特征截面大多為樣條曲線）氣動外形，且協(xié)調(diào)精度高，并要求為光滑流線。例如，機(jī)翼前緣蒙皮、整流罩和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)外蒙皮等。此類零件的建模方法主要是：先根據(jù)飛機(jī)工程圖對蒙皮特征截面進(jìn)行點(diǎn)離散，構(gòu)建蒙皮點(diǎn)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(jī)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(qiáng)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(jī)結(jié)合實(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)零件大多為薄壁或超薄壁零件，但也有部分飛機(jī)零件，其外形相對簡單、壁厚較厚。例如：機(jī)翼機(jī)身接頭、加強(qiáng)隔框、起落架支撐桿和扭力臂等零件。此類零件雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但幾何特征相對簡單。因此，采用結(jié)合了以特征為基礎(chǔ)的實(shí)體設(shè)計(jì)和實(shí)體間的布爾操作的零件設(shè)計(jì)模塊，以提高此類零件建模效率，方便模型的修改和參數(shù)化。

2.“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源庫構(gòu)建。（1）需求分析。在“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源庫構(gòu)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(yùn)行平臺等。該資源庫主要是用飛機(jī)結(jié)構(gòu)、零部件數(shù)字化三維模型來代替飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)物，完成“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)。其功能具體如下：①安全性功能。系統(tǒng)須設(shè)置用戶注冊、登錄權(quán)限，以保障系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫的安全性。②用戶登錄成功后，可對零件進(jìn)行管理，包括添加、修改和刪除等操作。③飛機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析。“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源系統(tǒng)是高校教師的教學(xué)輔助手段，主要應(yīng)用于高校內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。開發(fā)“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源系統(tǒng)時選用C/S結(jié)構(gòu)模式?？紤]到系統(tǒng)涉及的飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量以及高校教學(xué)系統(tǒng)的硬件設(shè)施，選定Access數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為該資源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。（3）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。①數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)［5］：首先基于“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源庫需求分析，對其現(xiàn)實(shí)進(jìn)行抽象，建立Access概念模型；然后對其進(jìn)行抽象，把E-R模型轉(zhuǎn)化為Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可處理的數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)；最后根據(jù)Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的方法、技術(shù)以及優(yōu)化的數(shù)據(jù)存取路徑和存放位置等，設(shè)計(jì)可以高效實(shí)現(xiàn)的物理數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。②數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建：首先基于建立的物理數(shù)據(jù)模型，采用數(shù)據(jù)定義語言，建立飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、組織數(shù)據(jù)入庫，并進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)和處理的需求，創(chuàng)建相應(yīng)的索引、視圖［6］，進(jìn)而完成“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源庫的創(chuàng)建。

3.建立數(shù)字航空館。數(shù)字航空館不僅可以彌補(bǔ)部分航空類院?！帮w機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)資源匱乏的問題，而且可以向?qū)W生展示飛機(jī)結(jié)構(gòu)三維、動畫和音像等，使學(xué)生如身臨其境，更好地理解飛機(jī)的零件和結(jié)構(gòu)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)，提高教學(xué)效果。

數(shù)字航空館主要包含航空館數(shù)字化管理系統(tǒng)、數(shù)字化展示系統(tǒng)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)資源庫三個部分。以ACEESS為數(shù)據(jù)庫平臺，采用C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)零件三維模型、動畫和軟件多種數(shù)據(jù)的管理，基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)和可視化編程Visual C#開發(fā)工具建立了數(shù)字航空館，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)零部件的管理、瀏覽查看等功能，運(yùn)行界面和效果如圖2、圖3所示。

結(jié)語

飛機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了“飛機(jī)構(gòu)造”課程教學(xué)須要輔以完善的實(shí)踐教學(xué)資源，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場教學(xué)。然而，實(shí)踐教學(xué)資源匱乏是目前普通院校飛行器制造、設(shè)計(jì)和維修工程等專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀。結(jié)合南昌航空大學(xué)飛行器制造工程相關(guān)專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀，從教師素養(yǎng)、實(shí)踐教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)等方面對“飛機(jī)構(gòu)造”實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了多個方面、多個角度的改革創(chuàng)新?；凇帮w機(jī)構(gòu)造”數(shù)字化教學(xué)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，開發(fā)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件教學(xué)資源管理系統(tǒng)，建立了數(shù)字航空館，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件聲、圖、文一體全方位直觀、真實(shí)展示，提高了學(xué)生對飛機(jī)零部件的感性認(rèn)識，增強(qiáng)了其主動探究飛行器制造的意識和自主學(xué)習(xí)的能力，提升了教學(xué)效果。

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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