張永杰，萬小朋，王海濤

（西北工業(yè)大學(xué) 民航學(xué)院，陜西 西安 710072）

引言

根據(jù)教育部2019年10月發(fā)布的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的建設(shè)要求，結(jié)合國家航空人才培養(yǎng)需求［1-3］，航空類本科生虛擬實(shí)踐課程建設(shè)應(yīng)始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念［4-7］，通過設(shè)置準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容［8-9］和設(shè)計(jì)創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法［6，10］，借助先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)［11-12］和穩(wěn)定安全的開放運(yùn)行模式，才能取得具有顯著示范效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。為此，本文針對航空專業(yè)核心課提出了基于三維激光掃描的教學(xué)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建方法，以期為航空類本科生虛擬實(shí)踐課程建設(shè)提供基礎(chǔ)方法和技術(shù)參考。

“飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”“結(jié)構(gòu)維修與適航”等課程是飛行器設(shè)計(jì)與工程、飛行器制造工程、飛行器動(dòng)力工程等航空專業(yè)本科生的核心課程，主要介紹飛機(jī)結(jié)構(gòu)的典型構(gòu)造及受力分析方法、飛機(jī)結(jié)構(gòu)基本機(jī)型和設(shè)計(jì)方法、飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修理論和新技術(shù)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)適航技術(shù)等。作為專業(yè)核心課的主要實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，機(jī)庫現(xiàn)場課不僅是學(xué)生直觀感受飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)和深化理論知識(shí)學(xué)習(xí)的有效手段，還是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和家國情懷的典型案例。考慮在線課程建設(shè)要求、多校區(qū)實(shí)物教學(xué)演示需求、老舊飛機(jī)數(shù)字化保護(hù)［13］等諸多因素，通過三維掃描［14］和數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建“虛擬機(jī)庫”顯得越來越重要。通過對機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件開展三維激光掃描、逆向建模和可視化演示等數(shù)字化處理，構(gòu)建滿足在線課程和實(shí)物教學(xué)演示要求的“虛擬機(jī)庫”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)平臺(tái)，服務(wù)航空專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到實(shí)踐育人和科研育人的效果，最大限度地挖掘和保護(hù)老舊飛機(jī)，完善愛國主義和思想政治教育的現(xiàn)實(shí)題材，達(dá)到思想政治育人的效果。

一、虛擬實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建總體思路與建設(shè)內(nèi)容

基于三維激光掃描的教學(xué)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建的總體思路如圖1所示，主要建設(shè)內(nèi)容簡述如下。

圖1 虛擬實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建總體思路

1.機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的三維激光掃描。三維激光掃描是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，根據(jù)機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的外觀形貌、幾何尺寸、材料屬性等不同，可采用中長距離固定式掃描儀和抗噪能力更好的便攜式掃描儀，分別對機(jī)庫中飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行三維外形數(shù)據(jù)采集。

2.機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的逆向建模。逆向建模是針對已有實(shí)物結(jié)構(gòu)，通過三維掃描形成三維點(diǎn)云或網(wǎng)格模型，在三維軟件環(huán)境中生成其數(shù)字模型過程。本文用三維激光掃描信息，構(gòu)建機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的三維數(shù)字模型。

3.機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的可視化演示。依據(jù)機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的逆向數(shù)模，開發(fā)適用于全范圍和重點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維可視化展示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在PPT、視頻、三維軟件中的實(shí)時(shí)立體展示。

4.“虛擬機(jī)庫”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建。通過對機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的三維激光掃描、逆向建模和可視化演示等數(shù)字化處理，添加現(xiàn)役和新概念民用飛機(jī)簡化結(jié)構(gòu)，結(jié)合專業(yè)課程相關(guān)理論知識(shí)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)要求，構(gòu)建飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)的“虛擬機(jī)庫”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)平臺(tái)。

二、虛擬實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)方案與實(shí)施方法

基于三維激光掃描的教學(xué)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建的建設(shè)方案如圖2所示，具體實(shí)施方法簡述如下。

圖2 虛擬實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)方案

1.“機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的三維激光掃描”實(shí)施方法。為了更加準(zhǔn)確和高效地完成機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的三維外形數(shù)據(jù)采集，本文采用中長距離掃描儀對整機(jī)、機(jī)翼、機(jī)身等中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行快速數(shù)據(jù)采集，采用抗噪能力更好的便攜式掃描儀對長桁、翼肋、框、接頭等小型典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行快速數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了對中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件外形輪廓的全覆蓋和對小型典型結(jié)構(gòu)樣件的精準(zhǔn)刻畫。

2.“機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的逆向建?！睂?shí)施方法。本文采用Geomagic Design X專業(yè)級(jí)逆向建模設(shè)計(jì)軟件，利用其強(qiáng)大的點(diǎn)云和三角面片處理功能、自動(dòng)分割功能、幾何特征與自由曲面識(shí)別功能等，完成點(diǎn)云和網(wǎng)格數(shù)據(jù)預(yù)處理、坐標(biāo)對齊、領(lǐng)域分割、草圖繪制、建模、模型調(diào)整等工作，建立了機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的三維數(shù)字化模型。

3.“機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的可視化演示”實(shí)施方法。在建立的機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件的數(shù)字化模型基礎(chǔ)上，劃分全范圍三維展示和重點(diǎn)結(jié)構(gòu)三維展示的結(jié)構(gòu)區(qū)域，開發(fā)基于Web的三維展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與PPT、視頻和其他三維處理軟件的數(shù)據(jù)互聯(lián)，完成三維數(shù)字化模型的實(shí)時(shí)立體展示。

4.“虛擬機(jī)庫實(shí)驗(yàn)課教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建”實(shí)施方法。針對機(jī)庫典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)，利用三維激光掃描、逆向建模和立體演示動(dòng)畫技術(shù)，開發(fā)飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)的“虛擬機(jī)庫”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)平臺(tái)，通過不斷完善和添加現(xiàn)役民用飛機(jī)的典型結(jié)構(gòu)虛擬樣件素材庫，學(xué)生可“沉浸式”地感受飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)物場景，充分提高了學(xué)生的教學(xué)參與度和學(xué)習(xí)興趣。

三、虛擬實(shí)踐教學(xué)典型案例

1.中央翼結(jié)構(gòu)實(shí)物與三維虛擬樣件教學(xué)。以某民機(jī)中央翼結(jié)構(gòu)為實(shí)踐教學(xué)對象，為學(xué)生詳細(xì)講解大型運(yùn)輸機(jī)中央翼盒及其與機(jī)翼和機(jī)身的連接結(jié)構(gòu)特征，使學(xué)生深刻理解課堂教學(xué)所講授的中央翼盒結(jié)構(gòu)對平衡和承受對稱載荷與反對稱載荷的重要作用；通過實(shí)物和三維虛擬樣件的近距離觀察，學(xué)生可分析大型運(yùn)輸機(jī)中央翼盒的主要和次要結(jié)構(gòu)特征，畫出主要載荷傳力路徑；利用三維虛擬樣件可細(xì)節(jié)放大展示的功能，學(xué)生可以細(xì)致觀察和分析大型運(yùn)輸機(jī)中央翼盒與機(jī)翼和機(jī)身的接頭，完成典型中央翼結(jié)構(gòu)的受力分析和初步強(qiáng)度校核。

2.前機(jī)身結(jié)構(gòu)實(shí)物與三維虛擬樣件教學(xué)。以某一飛機(jī)前機(jī)身結(jié)構(gòu)為實(shí)踐教學(xué)對象，為學(xué)生詳細(xì)講解戰(zhàn)機(jī)前機(jī)身大開口及駕駛艙、起落架艙等結(jié)構(gòu)特征和功能要求；通過實(shí)物和三維虛擬樣件的近距離觀察，學(xué)生深入了解課堂教學(xué)所講授的含駕駛艙、起落架艙、進(jìn)氣道的前機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要素；利用三維虛擬樣件可三維旋轉(zhuǎn)展示的功能，使學(xué)生全方位觀察和分析殲-6飛機(jī)前機(jī)身結(jié)構(gòu)的載荷傳遞和分配方式，掌握前機(jī)身大開口區(qū)域的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)原則，完成典型前機(jī)身結(jié)構(gòu)的受力分析和初步強(qiáng)度校核。

3.球面框結(jié)構(gòu)實(shí)物與三維虛擬樣件教學(xué)。以某民機(jī)球面框結(jié)構(gòu)為實(shí)踐教學(xué)對象，為學(xué)生詳細(xì)講解大型運(yùn)輸機(jī)增壓艙尾部及其與后機(jī)身連接結(jié)構(gòu)特征；通過實(shí)物和三維虛擬樣件的近距離觀察，學(xué)生深刻理解課堂教學(xué)所講授的機(jī)身球面框的作用和特殊連接方式；利用三維虛擬樣件可隱藏蒙皮、展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)等功能，使學(xué)生更加清晰地觀察運(yùn)-10客機(jī)球面框及其與后機(jī)身連接的內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，掌握增壓艙尾部加強(qiáng)框、球面框、機(jī)身壁板之間的連接方式，完成典型增壓艙尾部結(jié)構(gòu)的受力分析和初步強(qiáng)度校核。

四、教學(xué)成效分析

1.提供了營養(yǎng)豐富的認(rèn)知體驗(yàn)。學(xué)生在“虛擬機(jī)庫”中發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)規(guī)律和新穎的機(jī)型結(jié)構(gòu)，不僅提高了航空專業(yè)學(xué)生對所學(xué)航空知識(shí)的認(rèn)知和收獲感，還讓學(xué)生在身臨其境的虛擬樣件演示教學(xué)環(huán)節(jié)中領(lǐng)悟了飛機(jī)設(shè)計(jì)的豐富內(nèi)涵。

2.開啟了“學(xué)習(xí)經(jīng)典”的樣板空間。在所展示的飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)電子樣件上下足功夫，力求所選取的虛擬樣件具有經(jīng)典代表性，最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的動(dòng)力，讓學(xué)生從重溫經(jīng)典中體會(huì)飛機(jī)設(shè)計(jì)的魅力所在和我國航空工業(yè)的發(fā)展歷程。

3.構(gòu)建了與時(shí)俱進(jìn)的知識(shí)體系。跟蹤學(xué)科前沿和最新研究成果，更新和開發(fā)最先進(jìn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬展示樣件，積極引導(dǎo)學(xué)生拓寬視野、打破固有的思維定式，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣和原始創(chuàng)新能力。

結(jié)語

本文以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)要求和航空人才培養(yǎng)需求為出發(fā)點(diǎn)，通過對機(jī)庫中大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和小型典型結(jié)構(gòu)樣件開展三維激光掃描、逆向建模和可視化演示等數(shù)字化處理，增加了現(xiàn)役和未來民用飛機(jī)的典型結(jié)構(gòu)虛擬樣件，構(gòu)建了教學(xué)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字化展示（虛擬機(jī)庫）平臺(tái)，為航空專業(yè)學(xué)生提供了營養(yǎng)豐富的認(rèn)知體驗(yàn)、開啟了學(xué)習(xí)經(jīng)典的樣板空間、構(gòu)建了與時(shí)俱進(jìn)的知識(shí)體系，取得了實(shí)踐育人、科研育人和思想政治育人的顯著教學(xué)效果，期望能夠?yàn)楹娇諏I(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)和高層次人才培養(yǎng)體系建設(shè)提供有價(jià)值的方法和技術(shù)參考。