获奖等级：国家级
课程类别：虚拟仿真实验教学一流课程
完成单位：航空学院
课程负责人：高存法
课程团队其他主要成员：严刚、汤剑飞、史治宇、郭树祥
一、课程概况
本课程是为培养面向飞机结构强度设计的工程力学专业人才而设计的综合性交互实验项目，围绕含裂纹机身壁板结构剩余强度预测、剩余寿命预测和胶接修补补强等环节打造。对飞机结构损伤容限试验提供安全性、综合性、客观性、全面性、强交互性的情景模拟，旨在培养学生综合应用知识的能力以及解决实际工程结构力学问题的能力。课程坚持以学生为中心，采用“情景体验式”“问题驱动式”“理实结合式”等教学方法，引导学生全面掌握相关知识点，完成相关实验任务，实现实验教学目标。
二、课程建设与改革举措
（一）真实案例结合虚拟场景的情景主线
本课程建立了引导性的情景主线，以航空史上真实发生的飞机结构安全事故案例（1988年美国阿罗哈航空公司波音737客机由裂纹引起机身结构空中爆裂）为引子，介绍了实验的背景知识，使得学生理解断裂力学知识对飞机结构损伤容限设计的重要性，激励学生更好地掌握理论基础知识。构建了2040年某国产大型客机的虚拟飞行和维护场景，使学生化身为检修和维护人员，检修发现结构中存在裂纹，通过力学分析和实验验证飞机结构的安全性，将实验具体化为任务，而不仅仅是教学实验。实验任务完成后，通过对飞机结构的维修，飞机安全返航蓝天。情景主线贯穿始终，构成一个完整的情节。
（二）“基础-提高-应用”递进式融会贯通的实验任务设计
应力强度因子是断裂力学中最基础也是最核心的知识点，本课程围绕应力强度因子这一核心概念，融会贯通线弹性断裂力学基础、疲劳断裂力学、断裂力学应用等课程教学内容，设计了机身壁板静态断裂行为、机身壁板疲劳断裂行为、机身壁板补强断裂行为三个实验模块，形成了“基础-提高-应用”递进式的实验方案，使学生分别掌握以应力强度因子为基础的剩余强度预测方法、以应力强度因子变程为驱动力的裂纹疲劳扩展和剩余寿命预测方法、以降低裂纹尖端应力强度因子为途径的损伤结构胶接补强技术，培养学生综合应用知识的能力以及解决实际工程结构力学问题的能力。
（三）理论与实际结合，过程性考核与总结性考核结合
在每个实验模块开始之前，对所涉及的知识点进行复习，并通过给定的力学模型以及相应的公式和参数，预测机身壁板对应的力学性能，并将之与实验获得的测试数据进行验证和比较，使得学生更好地巩固理论知识的学习，理论与实际相结合，理解其在实际工程结构中的应用。在每个实验模块操作之前，还需对实验所涉及的仪器设备进行认知，并详细介绍每个操作步骤的过程和原理；将进行阶段性的过程考核测试，考核通过之后方能进行相关的操作。这不仅引入了过程考核，考核成绩与最终的实验报告成绩相结合，同时也使学生养成良好的安全习惯，而不因为是虚拟实验而忽视安全操作。
三、课程主要特色
（一）情景体验式教学
本课程实验由一条情景主线引出并贯穿其中。情景主线先以航空史上的经典案例引出实验景，即裂纹对飞机结构的完整性具有重要的影响，需要对含裂纹结构的力学行为进行科学的分析和实验，以保证飞机结构的安全性；然后以未来某国产大型客机的虚拟飞行和维护场景，使学生发现裂纹并通过力学分析和实验验证含裂纹飞机结构的安全性，理解飞机结构损伤容限设计方法的力学原理。通过这种情景体验式的教学方法，使学生能够更好地沉浸入实验教学之中，提升教学效果。
（二）问题驱动式教学
根据实验原理和实验背景，本课程实验共设置三个模块，对应三个循序渐进的实验任务，回答实验原理中提出的三个问题。实验模块一对含裂纹机身壁板静态断裂行为进行探究，回答第一个问题，即飞机结构的剩余强度是否满足安全要求？实验模块二对含裂纹机身壁板疲劳断裂行为进行探究，回答第二个问题，即飞机结构的剩余寿命还有多久？实验模块三对补强后的机身壁板断裂行为进行探究，回答第三个问题，即如何对飞机结构进行修补以提高剩余强度和寿命？通过这种问题驱动式的教学方法，使学生能够更好地理解教学内容，将所学知识应用于实际工程问题，提升实践能力。
（三）理实结合式教学
本课程实验充分利用虚拟仿真技术的特点和优势，使学生借助人机交互技术能够迅速而正确地理解理论知识点和实验内容，从而达到实验教学目的。每个实验模块根据需要，设置了理论知识点复习，通过给定的力学模型以及相应的公式和参数，预测机身壁板对应的力学性能，并与实验结果进行验证和比较。每个实验模块都将进行阶段性的过程考核测试，考核通过之后方能进行后继操作。通过这种理论和实践相结合的教学方式，使学生能够更快地融合理论知识，提高综合应用知识的能力，更好理解力学知识在实际工程中的应用。
四、课程建设成效
本课程紧密结合国家战略规划对力学高层次人才的需求，坚持立德树人，教学目标坚持知识、能力、素质的有机融合，教学内容体现前沿性与时代性，着力提高课程教学质量，为培养具有航空航天背景、力学理论基础扎实、富有实践和创新能力的高层次力学人才打下基础。自2020年上线以来，已在工程力学和飞行器设计与工程两个本科专业的《飞行器结构力学》《断裂力学》《飞行器结构试验技术》课程和力学专业研究生的《断裂与损伤力学》《结构试验技术》课程中应用，有效地提高了学生掌握相关知识的程度，配合提升专业的教学质量和人才培养质量。
本课程在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台面向高校和社会免费开放，浏览量近万次，实验人次3500多次，被上海工程技术大学等高校作为高校学分认定课开设。未来在现有合作高校和企业基础上，将继续深化与兄弟院校和相关的沟通交流，使课程资源更丰富、课程内容与实际更贴切、受众更广泛。