胡俊山 苏兴涛 李鹏程 田威

摘  要：随着航空制造业的高速发展，相关技术不断迭代更新，行业对航空制造专业人才培养提出许多新的要求。航空制造专业传统教学模式明显滞后于现代制造技术的发展，学生很难将专业课程中的学习理论知识与航空制造实际相结合。该文将AR技术应用到航空制造专业研究生实践教学中，构建基于AR技术的飞机辅助装配引导实践教学案例，应用于飞机装配技术实践课程。学生通过这些案例能够快速掌握飞机装配理论、应用技术以及软件设计等知识，相对传统教学模式具有诸多优势。

关键词：航空制造；增强现实；研究生培养；案例教学；实践教学

中图分类号：G643        文献标志码：A          文章編号：2096-000X（2024）09-0001-04

Abstract： With the rapid development of aviation industry and iterative renovation of aeronautical technology， it makes new demands on the personal training of aeronautic manufacturing. Nowadays the traditional teaching methods in aeronautic graduate courses is lagging behind the modern manufacturing technology. The graduates are difficult to apply the theoretical knowledge in the practical aircraft fabrication. This paper introduces the augmented reality（AR） technology to the practical teaching for graduates of aeronautic manufacturing. The developed teaching cases of aircraft assembly guidance based on AR technology is applied in the corresponding practical courses. The graduate students could quickly master basic theories， applied technology， software design concerning aeronautics. The case teaching method proves to have many advantages over traditional ones.

Keywords： Aeronautical manufacturing; augmented reality; graduate cultivation; case teaching; practical teaching

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“面向飞行器装配的增强现实技术探索实践”（201901083004）；教育部产学合作协同育人项目“工业机器人精度补偿技术及应用实践条件建设”（202102349006）；南京航空航天大学研究生教育教学改革研究项目“面向智能制造的产教融合专业学位研究生培养模式探索与实践”（2021YJXGG16）

第一作者简介：胡俊山（1988-），男，汉族，湖北宜昌人，博士，副教授。研究方向为飞行器先进装配技术。

*通信作者：田威（1977-），男，汉族，湖北黄冈人，博士，教授。研究方向为航空航天机器人智能装配技术与装备。

随着我国航空航天制造行业的发展，相关技术迭代更新速度日益加快，这要求从事航天制造行业的技术人才要拥有更加广阔的知识储备和更先进的科技理念。当前，大量融合信息化、数字化、智能化技术的先进装备、新工艺逐步投入航空制造业，迅速发展的航空产业迫切需求专业人才，而融合新技术的航空制造岗位对专业胜任能力又提出了新的更高的要求[1]。作为航空航天技术人才的输出窗口，高校航空航天制造专业也必须做到与时俱进，培养出符合行业发展要求的高素质人才。

航空航天制造专业承担着培养在航空航天制造领域内从事设计、制造、研究、开发与管理的高级工程技术人才和管理人才的重要任务。其专业课的特点是知识量多、理论性强、课程进度快，与工程应用联系非常紧密。传统的教学模式下，学生在课程中能接收和理解的知识有限。当前课堂教学手段的发展相对于今天信息技术而言显得比较滞后，难以适应教学手段现代化的要求。先进的技术手段应用于教育可以带来学习者效率的提高。用于教育中的技术依次有多媒体技术、移动学习、泛在学习和社会性网络（SNS）技术等[2]，现在最新的技术则是增强现实技术。

增强现实（AR，Augmented Reality）技术将人无法直观感知到的图像等信息叠加到现实世界中，以达到增强现实的目的的一种现代信息技术[3]。AR技术作为最新一代的信息技术正在被各高校应用于教学实践当中。增强现实技术可以将计算机上绘制的虚拟世界与人所处的真实世界融合到一起展现在人们的视野中，通过将虚拟世界中的场景叠加到真实世界当中，可以让使用者身临其境地做一些现实场景中难以实现的事[4]。这种方式运用到高校教学实践当中，可以让学生在最接近真实交互的形式下搭建自主学习的环境，这一点对于高校中抽象教学内容的教学具有重要的作用。

本文针对航空制造专业研究生实践教学与行业发展脱节和滞后于现代信息技术发展的问题，将增强现实技术融入到航空制造专业研究生教学过程中，通过教学实践案例探索新的教学方法，转换课堂模式，在实践教学中引导学生更快更好地掌握专业技术知识，提升学生创新和实践能力，培养符合智能制造时代背景的创新型人才。

一  航空制造专业教学现状分析

航空制造专业以机械制造工程为基础，广泛吸收各种先进技术与科学理论成果，针对航空航天专业的特点研究各种制造方法的原理和应用，研究制造过程规律，合理利用资源，实现高效经济制造的一门技术科学[5]。针对航空宇航制造工程的课程体系已经有了大量的探索，在目前传统的教学模式下，学生很难将专业课程中学习的理论知识与航空制造实际相结合，对专业的了解浅尝辄止，无法深入。

以航空制造专业飞机装配方向为例，与一般的机械产品装配相比，飞机装配具有十分显著的特点，选择飞机装配作为教学案例具有很强的航空特色，也十分具有代表性。飞机装配是将各个组件按照产品技术要求精准定位，并用规定的方式装配的过程。由于飞机的结构特点和特殊的刚性要求，在装配的过程中需要大量采用螺栓连接和铆接等连接方法。此外，为确保装配的形位公差在允许范围内，装配的组件有一定结构刚度，装配过程中还会使用大量的结构复杂的装配型架。

飞机装配相关课程长期以来的教学手段都是以老师课堂讲授为基础，另外添加视频讲解等帮助理解教学内容的手段，学生无法直观地感受飞机装配的过程，只能通过死板的书面信息获取相关知识。针对该系列课程在教学科研与人才培养上面临的教学方法陈旧、科研内容脱离实际应用、综合设计型科研平台少等问题，将AR技术应用到课程教学当中，将增强现实技术、移动互联终端等最新的科技成果应用到当前的教学方式中[6]，已解决传统教学与科研脱节、教学手段与互联网时代新技术脱节、教学与产业实际脱节等问题，提升教学质量。

二  引入AR技术的飞机装配教学实践案例展示

（一）  增强现实飞机辅助装配引导软件系统案例

基于增强现实技术搭建面向飞机装配实践教学的辅助装配系统，将计算机上建立的虚拟模型、场景等信息叠加到真实场景上，能够引导学生完成人工装配的过程，还原真实装配现场的体验，增强学生对飞机装配过程的理解。学生可以在系统功能的辅助下完成装配实践全过程，也可以參与到装配系统的搭建环节，自主软件设计系统功能，提高对飞机装配工艺的理解。

基于增强现实的智能装配系统如图1所示，搭建工作包括AR装配场景搭建和交互引导流程设计等。AR装配场景的搭建，即按照真实装配场景在Unity3D中搭建虚拟装配场景，并通过靶标将真实场景和虚拟场景的坐标对应起来。该过程中需要向系统中导入被装配的零部件，在虚拟三维界面还原真实的装配场景，有助于学生增强对飞机各零部件的理解，熟悉装配场景中的细节；交互引导程序的设计，该过程需要参考各零部件的具体装配工艺，通过加载文字、图片、数模、动画和视频等多种引导资源，将装配工艺流程展示给操作者。该过程有助于学生对产品零部件的装配顺序、装配路线和装配工艺等有更深刻的理解。同时交互引导流程的设计过程中需要开发者编辑脚本控制引导流程的进行，能够锻炼学生的编程能力，符合信息化时代人才的培养要求。

（二）  飞机机翼结构件辅助装配引导案例

学生在基于增强现实的装配系统的辅助下进行飞机机翼的装配，如图2所示，学生穿戴好AR设备，通过系统的场景定位功能，将虚拟装配场景叠加到现实场景当中，使学生能有更加真实的装配体验。通过人机交互功能，学生在系统现实的虚拟操作界面上选择需要进行的具体装配工艺，在系统提示下，通过系统的零件识别功能，识别当前零件，并在系统引导下进行装配操作。

系统识别零件之后，会在系统的文件系统中索引零件对应的装配流程，并通过动画和语音的形式引导学生进行零件装配，可以有效提升学生对飞机装配过程的认识。装配完成后，系统会通过扫描零件的轮廓特点提取特征值，以此来检测装配的质量，并将检测结果实时显示到装配场景当中，提示正在进行装配操作的学生当前零件装配质量，大大提高装配作业的质量，减少装配误差。基于增强现实的辅助装配系统，利用数字化模型中的有效信息如装配引导提示信息和装配工艺等，叠加到学生的视界中，引导装配流程。在试件过程中，学生可以学习到飞机机翼内的蒙皮、翼肋、翼梁和长桁等结构件的相互连接安装位置及安装方式，并针对飞机结构件装配过程开展装配工艺规划，有效解决了实践课程不能亲临飞机装配现场的困局。

（三）  飞机机舱管路线缆辅助装配引导案例

在真实的飞机线缆装配过程中，学生没有任何线缆装配相关的经验，若仅仅是对照纸质装配大纲按部就班地进行装配，难免在一些细节上做的不到位，有很大出错的可能性。通过基于增强现实技术的辅助引导装配系统，引导学生按照设定的装配流程逐步进行装配，可以明显降低装配错误发生的概率，同时减少装配时长。采用生动的引导流程代替古板晦涩的纸质装配大纲，使学生在提高装配效率的同时将装配错误率降到最低，在一定程度上减轻学生的学习负担。

基于增强现实的装配系统的辅助下进行线缆装配如图3所示，学生可以操作三维建模软件自行搭建虚拟线缆装配场景，还原真实的线缆装配场景，并添加与真实场景中相同的标识物用于场景定位。辅助装配系统运行，AR眼镜的相机通过捕获标识物的特征信息，确认此标识物为目标标识物，之后按照真实装配场景与标识物之间的空间转换关系，将虚拟模型叠加在真实装配环境之上，至此完成了虚拟世界坐标系在真实世界中的注册定位，并将持续为后续的装配指导步骤提供坐标数据。AR装配场景准备完成后，学生可以在辅助装配界面通过交互按钮，选择装配线缆的顺序，并在装配引导信息（操作流程、工艺规范和工件信息等）的提示下完成装配。在基于增强现实技术的装配系统的引导下完成飞机线缆装配，有助于增强学生对飞机线缆装配的理解，可以在实际操作中完善装配工艺，发现并解决存在的问题。

（四）  增强现实编程的机器人示教技术案例

增强现实技术除了可以辅助引导飞机结构件、管路、线缆装配，还可以用于工业机器人编程示教，如图4所示。工业机器人作为现代航空制造业不可或缺的关节机械手，能够代替人工完成多项飞机装配工作，如机器人自动钻铆、涂胶密封、舵面托举安装等。对初步学习机器人控制技术的学生来说，机器人本身具有一定的危险性。增强现实机器人示教编程技术能够在虚拟环境中进行离线机器人编程，而不需要真实的工件模型，是一种安全有效的学习方法。

增强现实编程的架构由虚拟环境、操作空间、任务规划、虚拟机器人仿真和路径规划的真实机器人验证组成，具体实现如下：使用增强现实设备通过标识物（如二维码）识别机器人，生成与真实机器人重合的虚拟机器人模型；操作者通过手去移动虚拟机器人的末端，来实现控制机器人的移动；增强现实设备通过捕捉虚拟机器人的末端位姿，求解出虚拟机器人各关节的转角，并根据转角实时更新虚拟模型；同时，捕捉到的机器人各关节转角会传输至机器人控制器上，机器人控制器根据各关节的转角控制真实机器人运动。在该过程中，学生通过求解机器人关节转角，从而学习理解机器人控制的基本原理；增强现实眼镜与机器人控制器通过TCP协议进行通信，可以帮助学生掌握网络通信协议；将基于增强现实的示教系统接入互联网，还可以实现远程机器人示教，可以在教室中对机器人进行远程控制，使机器人示教课堂教学演示摆脱空间束缚。

三  案例教学方法优势分析

将增强现实技术引入航空制造专业教学实践当中，搭建基于增强现实技术的辅助装配系统应用于教学实践环节。在系统自主搭建环节使学生系统性地掌握装配制造工艺和装配技术原理，培养学生探索问题的主动性；装配实践环节让学生通过实际操作，在实践中培养学生面向工程问题的分析和解决能力。从实际教学反馈来看，基于增强现实的辅助装配系统达到了良好的教学效果，相比于传统教学具有以下教学优势。

还原真实的实践情景。在实践教学环节学生初次接触到抽象的理论知识时大多会有“盲人摸象”的现象，学生的理解很可能会与实际有所偏差[6]。而使用增强现实技术应用于教学实践，能够将抽象的知识立体化，把平面教学无法解释清楚的东西展现在三维世界中，以真实的场景帮助学生对理论知识的理解与记忆。

不受空间环境的限制。增强现实技术可以将复杂的虚拟装配场景投影至任意现实空间，使学生在教室内即可体验到装配现场真实翼身对接的全部过程，有助于学生熟悉装配现场操作环境和工艺装备相对安放位置，了解飞机装配生产线工作模式和生产节拍，从而加快课程理论知识向实践应用的转化。

加快实践教学的进度。飞机具有产品结构复杂、零件数量繁多的特点使得飞机装配作业难度高、流程漫长。在教学实践当中学生很难记住大量的繁杂装配操作，增强现实技术可以通过在装配场景中添加引导信息，辅助学生完成作业，使教学实践环节更加流畅，加快教学进度。

提高学生学习积极性。在课堂教学中引入增强现实技术，学生能够借助接近真实的互动体验激发学习兴趣，在增强现实技术的辅助下通过全新的学习途径，学习专业理论知识。利用增强现实技术后，学生能借助情境体验和动感交互，激发学习兴趣[7]。学生在增强现实技术的辅助下能感受到新颖的学习方式，生动的学习场景也能有效调动学生的积极性。

四  结束语

为解决传统教学与科研脱节、教学手段与互联网时代新技术脱节提升教学质量，培养符合智能制造新时代要求的现代化航空专业人才，以增强现实技术为基础搭建辅助装配系统，并以飞机机翼装配和航空线缆装配为教学实践案例分析了增强现实技术应用于教学实践的优势，对探索增强现实技术在航空宇航制造工程教学改革中的应用方案具有良好的啟发作用。我国航空航天制造业正朝着智能化、高端化、综合化方向发展，将处于时代前沿的信息化技术融入到航空航天专业教学实践当中，对培养航空制造专业人才的创新意识、自主学习意识和理论转化实践意识具有深远的意义。

参考文献：

[1] 齐振超，安鲁陵.“互联网+”时代航空航天制造专业教学方法的探讨[J].高教学刊，2017（17）：77-80.

[2] 李轶.增强现实（AR）技术在教育教学中的设计与应用[J].数字教育，2018，4（5）：28-31.

[3] 蔡苏，王沛文，杨阳，等.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志，2016，34（5）：27-40.

[4] 张传燧，彭玲艺.新中国现代教学手段发展演变述析[J].湖南师范大学社会科学学报，2008（1）：107-110.

[5] 胡俊山，吴悦雅，王忠康，等.增强现实技术在飞机装配教学中的应用[J].科教导刊，2021（26）：40-42，94.

[6] 胡俊山，王忠康，田威，等.基于沉浸式虚拟现实技术的飞机装配课程教学实践研究[J].当代教育实践与教学研究（电子刊），2020（23）：168-170.

[7] 王同聚.虚拟和增强现实（VR/AR）技术在教学中的应用与前景展望[J].数字教育，2017，3（1）：1-10.