“飞机构造”实践教学改革探索

［摘 要］ 飞机结构及零部件特征决定了“飞机构造”这门飞行器制造工程专业基础课具有很强的理论性和工程技术性，教学过程中需要完善的实践教学资源做支撑。针对“飞机构造”实践教学过程中存在的问题，从教师自身素养、实践教学方法和资源等方面对“飞机构造”实践教学进行了改革探索。利用面向对象技术，基于Visual C#和ACCESS数据库平台，开发了飞机零部件三维数字化模型管理系统，实现了飞机零部件的浏览、增加、删除、修改和查找等操作功能，建立了数字航空馆。该系统在“飞机构造”课堂中得到了成功的应用，提高了学生对飞机零部件的感性认识，激起了学生探索飞机结构的好奇心，显著提升了教学效果。

［关键词］ 实践教学；数字化资源库；飞机零部件三维模型；数字航空馆；飞机构造

［基金项目］ 2020年度江西省高等学校教学改革研究项目“《飞机构造》课程‘理—数’一体化教学改革研究”（JXJG-20-8-11）；2020年度南昌航空大学校级教学改革研究项目“课程思政视域下《工程制图》课堂构建”（JY2011）

［作者简介］ 赵刚要（1979—），男，河南驻马店人，博士，南昌航空大学航空制造工程学院副教授，主要从事精确塑性成形技术及建模仿真研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）35-0069-04 ［收稿日期］ 2023-10-11

引言

飞机的结构特点决定了飞机的制造技术，飞机的制造工艺过程特点与飞机产品的使用要求和结构特点密切相关。“飞机构造”是飞行器制造工程本科专业的一门重要学科基础课。其教学内容不仅涉及机翼、机身和起落架等构造学和材料科学内容，而且涉及空气动力学和结构力学的基础知识，是一门理论性与技术性很强的专业核心课程，需要完善的实践教学资源做支撑［1］。因此，建设好“飞机构造”课程实践教学资源，可为提升与飞行器制造相关的专业课程教学效率，提高相关专业培养质量，以及学生从事航空制造专业领域工作打下坚实基础。

一、“飞机构造”实践教学改革的必要性

空间薄壁、结构复杂是飞机结构的重要特点之一。飞机结构的复杂性不仅指零件外形上的复杂，而且包含零件之间结构关系的复杂。高结构效率是现代飞机结构追求的重要目标。换句话说，在保证飞机结构完整性的前提下，结构重量应尽可能轻［2］。为了实现这一目标，飞机结构绝大部分构件的布置必须是为了合理地传递载荷。飞机结构的这些特征决定了“飞机构造”这门课教学既包含抽象的理论教学，又包括具体的结构现场实践教学，是一门理论性和实践性很强的专业核心课程，需要完善的实践教学资源来实现现场教学，达到理想的教学效果。

随着我国航空工业发展黄金期的到来，社会对飞行器制造工程专业人才的需求越来越大，且越来越多的高校开设了飞行器制造工程专业，飞行器制造工程专业人才和教学资源愈发匮乏，特别是实践教学资源。国内除了西北工业大学、北京航空航天大学和哈尔滨工业大学等重点大学拥有丰富的飞机构造实践教学资源以外，大多院校飞机结构教学资源短缺，特别是新增飞行器制造工程专业的高校。因此，有必要对“飞机构造”实践教学进行改革，建立数字化实践教学资源库和数字航空馆，以提升学生的学习兴趣，提高教学效果。

二、“飞机构造”实践教学过程存在的问题

（一）理论与实践教学相脱节

飞机结构的特性，决定了“飞机构造”课程必须辅以合理的实践教学。然而，在实际教学过程中，或者是因为实践教学资源匮乏，或是其他原因，部分教师仍以教师为中心，借助于PPT课件，采用传统的“灌输式”教学，忽略了“飞机构造”实践教学。这就易导致一些学生学完飞机构造内容，但还不清楚飞机零件长啥样，对飞机零部件的要求和功用理解不够深入，整体教学效果不佳。

（二）教师缺乏航空背景，对飞机内部构造认识不深刻

飞行制造工程与机械制造、材料成型及控制工程等专业相比较小众，人才培养能力不足，特别是随着我国航空工业的大发展，越来越多的高校开设了飞行器制造工程专业，从而导致专业师资和教学资源短缺。为了解决教师队伍建设问题，部分高校往往从机械和材料专业引进师资，进而出现飞行器制造工程专业存在大量没有航空背景教师的现象。所以，一些教师对飞机内部构造认识不深刻，讲授时只能局限于教材，教学效果可想而知。

（三）实践教学资源匮乏

飞机机体较大，占地面积广，价格昂贵；飞机数量少，有的还涉密，获取难度大，这些势必会导致普通高校“飞机构造”实践教学资源建设与养护成本高、难度大。甚至有些高校根本就不愿意拆卸蒙皮建设“飞机构造”现场教学资源，进而导致其实践教学资源十分匮乏。

众所周知，飞机结构不但尺寸大、外形和结构复杂、刚性差、精度要求高，而且零件数量众多，一架飞机的零件数量从几十万到百万不等。此外，飞机零件图纸大都涉密，无法有效获取。这些原因都会加大“飞机构造”数字化实践教学资源库建设难度，增加“飞机构造”数字化实践教学改革的难度。

三、“飞机构造”实践教学改革探索

“飞机构造”现场教学是飞行器制造工程专业实践教学体系的有机组成部分，是培养学生综合相关理论、知识解决飞行器制造领域复杂工程问题专业素养的核心内容。为此，本文针对目前南昌航空大学“飞机构造”实践教学过程中存在的问题，开展了教学改革研究，以促进“飞机构造”课程整体的教学改革与发展。研究成果可作为参考，应用到其他工科专业教学改革中，具有广阔的应用推广价值。

（一）提高教师的素养

高校教师是实施高等教育的主力军，肩负着传道授业解惑的重任，教师的素养直接影响着大学生的培养质量。因此，教师不但要具有过硬的政治素养，为人师表，热爱学生，而且应具有渊博的专业知识、创新能力和航空专业从业背景等。飞行器制造工程专业人才匮乏，一些飞行器制造工程专业教师缺乏航空背景，进而易导致“飞机构造”实践教学效果低下。鼓励相关缺乏航空背景的专业课教师参加航空企业培训，或到主机厂挂职锻炼，抑或去主机厂带队毕业实习，增加航空知识，是提高其教学能力、提升教学质量的良好途径。

（二）改进实践教学方法

传统的“飞机构造”实践教学以教师为主，主要结合文字、图片和动画等PPT案例讲授课本知识，且课时量少。面对厚重的课本，庞大、种类繁多的飞机结构及其晦涩难懂的功能原理，一般情况下，难以激发学生的学习兴趣。在教学过程中引入数字化虚拟教学资源，以数字化飞机零部件模型为基础，构建“飞机构造”实践教学资源库，把“飞机构造”现场教学通过数字化平台搬到课堂上，以弥补学生对飞机结构及其零部件宏观认识的不足。

此外，以科研为驱动，以学生为主体，在教学过程中，引领学生参与相关科研项目，建立飞机零部件三维数字化模型，不仅可以解决飞机零部件数量庞大、种类繁多，人员不足等问题，而且可以加深学生对飞机零部件和飞机构造的认识，使学生获得成就感，激发其学习“飞机构造”的兴趣，提高其学习效果。

（三）建立“飞机构造”实践教学数字化资源库

1.飞机零部件三维建模。飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要部分，其种类繁多，形状复杂，材料各异，特别是为了减重而进行的强度设计，往往在结构件上具有复杂的型腔［3］，进而导致其三维数字化模型设计难度加大。本文以作者参与的×××飞机零件三维数模设计为基础，分析了飞机零件的几何特征，对飞机零件进行了分类；根据某飞机零件工程图，建立了该飞机零件三维模型。（1）蒙皮类零件三维建模：飞机蒙皮类零件大多具有复杂曲面（特征截面大多为样条曲线）气动外形，且协调精度高，并要求为光滑流线。例如，机翼前缘蒙皮、整流罩和发动机舱内外蒙皮等。此类零件的建模方法主要是：先根据飞机工程图对蒙皮特征截面进行点离散，构建蒙皮点云，再采用CATIA的逆向建模功能建立蒙皮的三维零件图。（2）框肋类零件［4］建模：飞机框肋类零件的几何特征主要为平面带弯边、变斜角、外缘变曲率和多减轻孔等，有的还带有加强窝和下限。因此，这类零件建模主要采用航空钣金模块，并有机结合实体建模抽壳命令完成建模。（3）厚壁、接头类零件建模：虽然飞机结构零件大多为薄壁或超薄壁零件，但也有部分飞机零件，其外形相对简单、壁厚较厚。例如：机翼机身接头、加强隔框、起落架支撑杆和扭力臂等零件。此类零件虽然结构复杂，但几何特征相对简单。因此，采用结合了以特征为基础的实体设计和实体间的布尔操作的零件设计模块，以提高此类零件建模效率，方便模型的修改和参数化。

2.“飞机构造”实践教学资源库构建。（1）需求分析。在“飞机构造”实践教学资源库构建之前，首先要弄清楚教师要采用软件解决哪些问题，以及其功能、性能要求和运行平台等。该资源库主要是用飞机结构、零部件数字化三维模型来代替飞机结构实物，完成“飞机构造”实践教学。其功能具体如下：①安全性功能。系统须设置用户注册、登录权限，以保障系统及数据库的安全性。②用户登录成功后，可对零件进行管理，包括添加、修改和删除等操作。③飞机结构零件部件查询功能，包括零件查询及零件类型查询和展示等。（2）“飞机构造”实践教学资源系统结构分析。“飞机构造”实践教学资源系统是高校教师的教学辅助手段，主要应用于高校内部网络。开发“飞机构造”实践教学资源系统时选用C/S结构模式。考虑到系统涉及的飞机结构零部件数量以及高校教学系统的硬件设施，选定Access数据管理系统作为该资源系统的数据库开发平台，系统结构如图1所示。（3）数据库设计。①数据模型设计［5］：首先基于“飞机构造”实践教学资源库需求分析，对其现实进行抽象，建立Access概念模型；然后对其进行抽象，把E-R模型转化为Access数据库系统可处理的数据库逻辑结构；最后根据Access数据库系统提供的方法、技术以及优化的数据存取路径和存放位置等，设计可以高效实现的物理数据库结构。②数据库创建：首先基于建立的物理数据模型，采用数据定义语言，建立飞机结构数据库结构、组织数据入库，并进行调试运行，然后根据数据库特点和处理的需求，创建相应的索引、视图［6］，进而完成“飞机构造”实践教学资源库的创建。

3.建立数字航空馆。数字航空馆不仅可以弥补部分航空类院校“飞机构造”实践教学资源匮乏的问题，而且可以向学生展示飞机结构三维、动画和音像等，使学生如身临其境，更好地理解飞机的零件和结构信息，实现数字化实践教学，提高教学效果。

数字航空馆主要包含航空馆数字化管理系统、数字化展示系统和飞机结构资源库三个部分。以ACEESS为数据库平台，采用C/S架构实现对飞机零件三维模型、动画和软件多种数据的管理，基于面向对象技术和可视化编程Visual C#开发工具建立了数字航空馆，实现了飞机零部件的管理、浏览查看等功能，运行界面和效果如图2、图3所示。

结语

飞机结构特点决定了“飞机构造”课程教学须要辅以完善的实践教学资源，以实现现场教学。然而，实践教学资源匮乏是目前普通院校飞行器制造、设计和维修工程等专业的教学现状。结合南昌航空大学飞行器制造工程相关专业的教学现状，从教师素养、实践教学方法和实践教学资源建设等方面对“飞机构造”实践教学进行了多个方面、多个角度的改革创新。基于“飞机构造”数字化教学与数据库技术的有机结合，开发了飞机结构零部件教学资源管理系统，建立了数字航空馆，实现了飞机结构零部件声、图、文一体全方位直观、真实展示，提高了学生对飞机零部件的感性认识，增强了其主动探究飞行器制造的意识和自主学习的能力，提升了教学效果。

参考文献

［1］张丹峰，谭晓明，张勇.建设《飞机构造》课程的几点思考［J］.教育教学论坛，2019（51）：213-214.

［2］胡婕，王如华，王稳江，等.客机机翼气动/结构多学科优化方法［J］.南京航空航天大学学报，2012，44（4）：458-463.

［3］许建新，孔宪光，贾晓亮，等.基于CAPPFramework的智能化CAPP技术［J］.航空制造技术，2001（2）：41-44.