（1）专业与年级要求

实验面向飞行器制造工程、机械工程等专业大三学生主干核心课“复合材料结构制造技术”、“复合材料结构制造综合实验”；同时面向全校航空航天类工科专业大一学生新生研讨课“航空航天先进复合材料构件制造”。

（2）基本知识和能力要求

先进复合材料固化技术是制造、材料和控制等高度交叉融合的科技前沿，因此本课程的教学内容是跨专业、跨学科、跨能力范畴的交叉融合。本课程的先修课包括南航开设的所有学生必修的国家精品在线开放课程“航空航天概论”和本教学团队开设的“航空航天先进复合材料构件制造”等课程。值得一提的是，由于本项目网站提供了相关文献、视频学习资料，因而其他学校或未学习过上述先修课程的学生，通过自主学习，也都能较好的完成本实验所有环节的实验任务。

为适应国家对复合材料制造人才的迫切需求，南京航空航天大学飞行器制造工程等专业在原“复合材料结构制造技术”（24学时）选修课的基础上，新开设“复合材料结构制造”课程模块，包括1门专业核心理论课“复合材料结构制造技术”（50学时）、1门专业必修实验课“复合材料结构制造综合实验”（48学时）和10门专业选修课。

航空航天先进复合材料构件高温压固化虚拟仿真实验主要面向飞行器制造工程和机械工程等专业主干核心课“复合材料结构制造技术”、“复合材料结构制造综合实验”，以及面向全校工科专业的新生研讨课“航空航天先进复合材料构件制造”开设，同时还可为复合材料构件固化领域的创新创业实践活动提供平台支撑。

如图 1 所示，复合材料结构制造技术课程总学时为50学时，不设课内实验，专门设置对应的综合实验，与理论课程同步进行。实验课程含线下实际实验44 学时，虚拟仿真实验课程4学时，其中虚拟仿真实验包括复合材料固化温度参数优化设计、复合材料固化压力参数优化设计、可控分区温度场探究和飞机S形进气道固化等内容。为了配合对外共享，建立了复合材料固化基础知识模块作为线上自学环节，不占实验课时。同时该虚拟仿真实验还作为航空航天先进复合材料构件制造新生研讨课的配套实验，理论研讨与仿真相互验证，企业实践与仿真相互融合，增强课程的教学效果。          

图1 虚拟仿真实验内容框架与定位

1. 实验的必要性

（1）先进复合材料轻质高强，是高端制造业减重增效的优选材料

碳纤维增强树脂基复合材料（先进复合材料）具有质量轻、强度高等优异特性，已成为航空航天高端装备减重增效的优选材料。国内外竞相研究并力争在关键构件上大量使用，先进复合材料用量已成为评价航空航天高端装备先进性和国际竞争力的重要标志。在军机方面，美国F-35和F-22的复合材料用量约为36%和25%，使得战机的作战半径、机动性能等核心战术指标大幅提升；在民机方面，波音B787的复合材料占比达到了50%，其中35吨都是先进复合材料构件，使得整机减重25%以上，燃油经济性相比波音B767提高了17%以上。可见，先进复合材料已成为当今航空航天等高端制造业的首选材料，制造业正从金属时代跨入复合材料时代，提升先进复合材料构件的制造能力对国家安全和经济安全具有重要意义。

（2）复合材料构件制造实践性强、涉及多学科前沿，人才需求迫切

先进复合材料构件制造主要分为赋形、固化、加工、装配等步骤。其中，固化是先进复合材料构件制造成形成性的关键环节，其基于树脂分子发生化学反应，使赋形后的预制件经过粘流态、粘弹态、固态转变成构件的过程。航空航天等领域使用的先进复合材料构件通常采用高温高压固化。相比于室温低压固化，加热加压固化过程中材料内部树脂基体的相态变化更加复杂、剧烈，树脂固化收缩、纤维与树脂热膨胀系数不匹配、模具与制件相互作用导致的固化应力明显增大，如果控制不当，极易导致孔隙、微裂纹、残余应力等内部缺陷，不仅直接影响产品合格率，而且会在后续加工、装配乃至服役过程中发生脱胶、分层、变形等问题。综上分析，先进复合材料构件高温高压固化技术是集制造、材料、控制等学科高度交叉的科技前沿，迫切需要具有实践能力的跨专业的人才，符合新工科专业的发展方向。

近年来，南京航空航天大学顺应新工科专业的发展，同时响应国家建设航空、航天强国的号召，率先开设了复合材料结构制造课程模块，包括“复合材料结构制造技术”、“航空航天先进复合材料构件制造”、“微波固化技术及应用”等必修与选修课程，以及“复合材料结构制造综合实验”等实践课程，旨在培养复合材料制造技术相关人才，引领我国先进复合材料构件制造技术的发展。另一方面，如何将立德树人融入教学全过程，如何在实践教学中使用情景体验式的教学方法，进而提高教学质量，不仅事关学生理解航空航天先进复合材料构件制造在国防领域的重要价值，而且可以潜移默化的激发学生投身国防事业的情怀和使命感，也是新工科人才培养面临的新挑战。因此，急需建设先进复合材料构件固化相关的实验，以满足行业对本领域人才的大量需求。

（3）复合材料构件固化过程风险大、成本高、不可逆

复合材料固化过程中风险大。复合材料构件主要采用热压罐等特种设备进行高温高压固化，固化过程中罐内温度高达200-400℃，罐内气压可达6-20个大气压。即便是持有特种设备操作许可证的专业人士，也需要严格遵守实验规范，安全操作，操作不当将导致严重的安全事故，因此实验存在严重的安全隐患。

实验材料价格昂贵导致实验成本高。碳纤维在新材料领域被称之为“黑色黄金”，仅固化一个小型平板零件（0.3m*0.3m*0.01m）的原材料价格就达1-2万元，其所消耗的辅助材料（脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋等）同样会产生较高成本。以一个自然班30名学生估算，开展本课程实验成本将超过数十万元。

过程不可逆、封闭环境导致学生难以探究。复合材料构件的性能与其固化工艺参数密切相关，由于复合材料构件固化伴随化学反应、过程缓慢且不可逆，学生无法直接观察到封闭的固化设备内的实验现象，导致学生在实际实验或工厂实习中难以直接探索复合材料构件固化工艺参数对其性能的影响规律。

航空航天构件固化属于大型综合训练。即便克服种种困难完成实际实验，面对平板类简单实验，学生难以体验大型复合材料构件对国之重器的重要性和激发研究兴趣的场景。

图2 复合材料构件固化实验面临严重挑战

综上所述，开展航空航天先进复合材料构件高温压固化虚拟仿真实验教学具有极强的必要性和迫切性。

2. 实验的实用性

本虚拟实验以我国最新研制的新一代战机为背景，开展先进复合材料构件固化参数探究和综合设计实验。在行业主流热压罐固化工艺和装备的基础上，引入南航与航空工业成飞最新合作科研成果微波高压固化工艺与装备，并采用校企双方长期积累的实验数据作为支撑，保证了本实验课程的实用性。

复合材料构件固化工艺以数字化操作系统为界面，1：1模型设计提高了虚拟仿真的真实度。通过虚拟仿真，学生可以有效学习到铺放的操作流程、复合材料固化过程。一方面可以帮助学生熟悉复合材料固化流程，另一方面可以提高学生探究固化过程温度、压力等重要参数的能力，进而以飞机进气道为综合设计任务，增加学生研究复合材料构件固化的使命感和价值认同。目前复合材料制造的相关教学缺少对于复合材料构件生产过程的认识，借助虚拟仿真实验可以满足教学中对实验的需求，对理论与实践的结合有积极意义。

在实验课程设计中，与行业工业部门实现无缝对接，遵循行业和企业标准化流程，以“复合材料构件高温压固化”为实验任务，构建了从基础部件交互认知、固化理论分析、固化关键参数探究、综合设计验证为主线的丰富的实验模块，涵盖了从基础认知实验、研究探究性实验、综合设计性实验等不同阶段的虚拟仿真实验，力求可以满足从无基础知识的本科生到有知识储备的博硕士研究生理论与实验课程学习需求，并能支撑其进一步的创新性研究，甚至为企业工程师、研究机构技术人员培训提供理论与实践教学平台。

1. 实验教学过程

本实验以学生为中心设计，教师引导学生开展主动探究学习，通过线上与线下的讨论交流，结合教师的答疑与评判，鼓励学生自主研讨、协作互助。在实验教学过程中，综合采用了项目实战式、创新启发式和探究进阶式三种教学方法，下面将结合例子，阐述以上三种实验教学方法的使用目的、教学过程与实施效果。

图1 以学生为中心的实验教学过程

（1）项目实战式教学过程

教学目的：实验采用项目实战式教学方法，实验任务需求与内容来自于航空制造企业真实需求，如新一代战机大型复合材料进气道等任务，学生可以自由选择设计实验工艺参数，实验内容更加真实和多样化，有助于学生理解航空航天先进复合材料的重要意义。学生开展实验的过程中，实验参数将会根据学生的选择发生变化，学生完成实验的过程就是完整的探究过程。实验考核指标会随着实验内容发生变化，其来源于真实的数据，学生完成实验的质量将成为成绩评定的主要依据。

                                    图2 项目实战式教学过程

教学过程：将复合材料构件固化实验设计成有机联系的三部分—完成复合材料构件认知实验、温度压力和分区温度场探究实验和进气道构件高质高效综合设计实验。前二部分以项目实战要求的参数学习和探究开展实验，第三部分以飞机进气道的真实设计要求为任务，学生选择的成形模具不同，固化工艺参数也不尽相同，使得各学生的实验结果不唯一，更加多样化。

教学效果：通过基于实际项目的实验，并提供给学生尽可能真实的实验条件与场景来学习，学生更容易掌握实验的教学内容，理解实验设计的内涵。例如学生在一种工艺条件下完成实验内容，通过检测数据和飞机试飞结果，分析工艺对最终结果的影响，进而重新优化工艺进行重复实验，直至得到理想结果并装机试飞成功，培养学生具体问题具体分析，同时又要掌握从不同的实验结果中总结一般规律的能力。

（2）创新启发式教学过程

教学目的：实验采用创新启发式教学方法，实验内容具有较大自由度供学生发挥。实验内容围绕航空航天先进复合材料构件的工艺设计展开，在实验开始时将会提供若干预设情景，并给予相关知识作为储备。在实验过程中要求学生运用所学知识进行实验，并利用现有的研究成果启发学生的创新思维。

图3 创新启发式教学过程

教学过程：以实验环节二为例，在实验过程中，系统将会提供复合材料高温固化相关的知识，让学生了解不同材料的固化条件和固化过程中固化度与固化温度和保温时间的变化规律。通过总结实验规律给予学生启发，学生可以自行决定接下来实验所用的温度与时间并完成实验内容设计这一目标。同时固化过程中的演化过程可视化使得学生可以用新的方式来观察固化反应微观过程，启发学生的创新思路。

教学效果：实验开始之前，学生将预习复合材料固化中的各种特性和一般规律，使学生可以自行开展实验。创新启发式的教学能够培养学生的自主探索和发现问题的能力，进而提升学生的创新能力。因此，创新启发式教学是本实验教学过程中达成教学目标的重要方法。

（3）探究进阶式教学方法

教学目的：不同工艺参数的优化需要从数据中总结发现规律，并不断修正实验结果。这一过程需要学生合理设计实验参数并多次实验，通过迭代优化养成学生解决复杂问题的系统能力。最后以检测结果作为衡量标准，具有容错区间，通过分数这一奖励机制鼓励学生通过迭代优化追求更高的目标，形成质量意识。

                                    图4 探究进阶式教学过程 

教学过程：以实验环节三为例，在实验过程中，学生需要以飞机进气道真实性能指标为任务，重复实验迭代优化确定模具材料、最优工艺参数、分区方案，并根据实验检测结果获得奖励分数。通过飞机试飞验证，迭代获得更好的结果，给予学生充分的自由空间和对正确结果的追求认同。

教学效果：通过飞机进气道虚拟仿真设计实验，使学生熟悉实际复合材料工艺参数设计优化方法，鼓励学生获取更高奖励分数。探究进阶式教学是进一步提高学生实验兴趣、养成精益求精的质量意识的有效办法。

2. 实验方法

本项目结合虚拟仿真技术和动画技术，综合采用了自主设计法、观察法、控制变量法、比较法和反馈分析法等实验方法，培养学生探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力。

如图5所示，自主设计法主要体现在学生可以自主选择实验装备和参数。在实验环节中，学生不同的工艺方案进行尝试，系统会根据学生的选择对其进行引导，学生可能根据自己的知识、兴趣或目标进行自主工艺方案设计。

观察法体现在学生可以观察复合材料固化化学反应微观过程。在各实验环节中，学生可以观察到复合材料在固化过程中的变形行为如树脂流动行为，厚度变化及孔隙率的变化情况等；学生还会对加热模块设备和压力模块设备进行观察学习，生动形象，加深学生印象。

控制变量法体现在实验环节二中，学生将进行多个参数实验，分别为“复合材料固化温度参数设计与优化”（控制保温时间为不变量，固化温度为变量）和“复合材料固化保温时间设计与优化”（控制固化温度为不变量，保温时间为变量）。

比较法和反馈分析法体现在不同工艺方法和工艺参数对检测质量影响的比较，引导学生进一步创新固化工艺和优选工艺参数，如通过新原理的微波固化工艺方法和分区温度场变形控制工艺与传统热压罐固化工艺和均匀温度场的直接对比，启发从事更原理的创新。

                           图5 虚拟仿真实验课程架构及实验方法

本团队依托南航航空宇航科学与技术“双一流”学科和飞行器制造工程、机械工程国家级一流专业，结合团队“聚合物复合材料成型”、“碳纤维复合材料微波固化”、和“固化温度场智能监控”等科研工作基础，开发了航空航天先进复合材料构件高温压固化虚拟仿真实验，面向高校与社会免费开放。

本实验项目依据“复合材料结构制造技术”、“复合材料结构制造综合实验”和“航空航天先进复合材料构件制造”等课程内容，结合先进复合材料在航空航天领域的重大应用背景，以“实现先进复合材料高质量固化”为任务，构建了基于实际项目的虚拟仿真实验情景。实验旨在培养学生掌握复合材料固化基础知识和固化关键工艺参数探究，以及综合设计方法，提升解决复杂问题的创新思维和实践能力。本实验提供认知、探究和综合设计等三种模式，开展研究型虚拟仿真实验教学。具体的实验环节及达到的知识、能力水平如下：

1. 实验基础交互与认知

通过核心设备和基础知识认知实验环节，帮助学生掌握航空航天器典型复合材料结构及其应用、复合材料原材料成分、复合材料原材铺放方法、零件固化变形的影响因素等知识点，要求学生掌握复合材料固化温压工艺参数作用、固化设备和检测设备的功能和基本操作、模具材料知识及适应范围，为开展探究实验和综合设计实验奠定基础。

2. 温压参数影响规律探究

通过复合材料固化温度、压力参数探究实验环节，帮助学生掌握复合材料高温高压固化机理、固化过程的加热原理、固化过程中的化学反应、固化温度压力对零件固化度、孔隙率和固化变形的影响规律等知识点，要求学生掌握复合材料固化温度、保温时间和压力的探究设计方法，引导学生探究分区温度场对固化变形控制的影响，进而形成复合材料固化关键参数优化方案，激发复合材料固化研究的兴趣。

3. 大型复材构件综合研制

通过新一代飞机进气道固化工艺综合设计实验环节，实施项目式教学，以最新型的飞机复材S形进气道为任务，帮助学生掌握大型复合材料构件的综合要求、原材料选型、模具材料确定、关键工艺参数设计、分区温度场规划和多种核心质量要素的检测方法等知识点；要求学生掌握实际工程中根据质量检测情况，进而优化动态调整工艺方案的综合设计方法，实现飞机复材进气道的高质量固化，体验为某新一代飞机首飞做出贡献的喜悦和成就感。

本虚拟仿真实验课程通过配合理论课程教学，建立从基础知识认知与储备，核心知识学习与实验验证，知识开拓与创新实践探究进阶式的实验教学模式。同时还可以为企业工程师、研究机构技术人员系统性学习提供理论与实践交互验证平台，进而提高其理论水平，推动工程技术人员的创新性研究