實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目依托東南大學(xué)土木工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和江蘇省土木建筑虛擬仿真共享平臺(tái)對(duì)外開放服務(wù)，基于東南大學(xué)光測(cè)力學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研成果和國(guó)家重大工程實(shí)踐，開發(fā)出具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的運(yùn)載火箭變形測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。將社會(huì)責(zé)任、家國(guó)情懷和立德樹人等德育要素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)，觸發(fā)學(xué)生對(duì)大國(guó)工匠精神的理解，向?qū)W生傳遞正確的價(jià)值觀和理想信念。項(xiàng)目彌補(bǔ)了實(shí)際測(cè)量中構(gòu)建尺寸巨大、場(chǎng)地受限、操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)成本高、參與重型運(yùn)載火箭實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)有限等因素限制。涵蓋了《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》課程內(nèi)容。項(xiàng)目包含2個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、對(duì)應(yīng)課程大綱的12個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。通過本實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生逐步掌握變形測(cè)量的技術(shù)原理和操作方法。培養(yǎng)學(xué)生的探究思維和解決大型綜合性工程的能力。項(xiàng)目采用多種教學(xué)方法，自主式教學(xué)方法可以引導(dǎo)學(xué)生更好更快地掌握所需知識(shí)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法圍繞問題導(dǎo)向的任務(wù)線索展開，情景互動(dòng)式充分發(fā)揮項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)，開展情景體驗(yàn)教學(xué)，容錯(cuò)探究式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生自主、開放性提出不同參數(shù)的選擇。采用類比法、觀察法、控制變量法、自主設(shè)計(jì)法等實(shí)驗(yàn)方法，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成大型工程測(cè)量工作。本項(xiàng)目來源于實(shí)際工程應(yīng)用，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，將知識(shí)學(xué)習(xí)和能力提升有機(jī)融合，引導(dǎo)學(xué)生探究得到個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性強(qiáng)、挑戰(zhàn)度高，實(shí)驗(yàn)仿真程序和模擬數(shù)據(jù)均來源于實(shí)際程序和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)采用Web GL圖形技術(shù)，3D仿真技術(shù)等手段對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、測(cè)量部件和設(shè)備進(jìn)行建模，高度還原了模型功能。本項(xiàng)目面向高校和社會(huì)免費(fèi)開放，已在相關(guān)高校和行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的科研院所得到應(yīng)用。

設(shè)計(jì)原則

實(shí)驗(yàn)本著“虛實(shí)結(jié)合”的設(shè)計(jì)理念，圍繞航空航天工程中的實(shí)際測(cè)量需求，融合先進(jìn)的現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，打造仿真度高、設(shè)計(jì)合理、趣味性強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)，著重培養(yǎng)學(xué)生解決綜合工程難題的能力?？捎糜诹W(xué)、機(jī)械、土木工程等專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)，滿足《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》、《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》等課程的實(shí)驗(yàn)需求。具體體現(xiàn)為：

（1） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了“兩性一度”的一流課程標(biāo)準(zhǔn)

高階性：本實(shí)驗(yàn)中，多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量大型結(jié)構(gòu)的變形是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，包含四個(gè)環(huán)節(jié)、眾多操作步驟和多個(gè)影響測(cè)量結(jié)果的因素。學(xué)生必須在充分理解背景知識(shí)和任務(wù)目標(biāo)的前提下，才能完整、自主地完成每個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和探究式的高級(jí)思維。

創(chuàng)新性：測(cè)量火箭艙段全場(chǎng)變形，是隨著我國(guó)近年來重型運(yùn)載火箭的發(fā)展而對(duì)實(shí)驗(yàn)力學(xué)提出的新課題、新挑戰(zhàn)。本實(shí)驗(yàn)圍繞航空航天工程中的實(shí)際測(cè)量需求，融合先進(jìn)的多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，打造了仿真度高、互動(dòng)性強(qiáng)、趣味性強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新型。

挑戰(zhàn)度：本實(shí)驗(yàn)涉及多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和眾多科技前沿，且實(shí)驗(yàn)中每環(huán)節(jié)都需要通過學(xué)習(xí)新知識(shí)，自主設(shè)計(jì)測(cè)量方案才能完成測(cè)量任。鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)吸收新知識(shí)的能力和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，具有一定的挑戰(zhàn)度。

（2） 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、層層推進(jìn)

學(xué)生每完成一個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)都將習(xí)得一定的實(shí)驗(yàn)理論、方法和技能，并通過探究學(xué)習(xí)本環(huán)節(jié)重點(diǎn)考察的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生還能發(fā)現(xiàn)本環(huán)節(jié)所用方法的不足，為開始下一環(huán)節(jié)的任務(wù)做準(zhǔn)備。各環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)有機(jī)融合，通過容錯(cuò)、探究式的實(shí)驗(yàn)過程得到個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和探究式的思維方式。

（3） 堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案主要采用了任務(wù)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法，學(xué)生在完成某一具體任務(wù)的過程中，自然地習(xí)得實(shí)驗(yàn)方法和技能，并探究可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的因素。實(shí)驗(yàn)情景真實(shí)、吸引力強(qiáng)，有一定的趣味性，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。本實(shí)驗(yàn)還將止于至善的精神和愛國(guó)主義教育融入教學(xué)過程。學(xué)生通過自主完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)，深入理解數(shù)字圖像相關(guān)這種非接觸式測(cè)量方法在航天領(lǐng)域的重要價(jià)值，潛移默化的激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)、投身祖國(guó)建設(shè)的使命感。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/b>

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》、《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》課程大綱及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合航空航天工程中運(yùn)載火箭艙段變形測(cè)試的應(yīng)用背景，以多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)為主要測(cè)試方法，構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在培養(yǎng)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)的思維方式和解決大型綜合性工程的能力。

具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（1）通過環(huán)節(jié)一艙段屈曲變形，使學(xué)生通過觀察生活中易拉罐受壓變形現(xiàn)象，直觀理解火箭艙段薄壁結(jié)構(gòu)屈曲變形的現(xiàn)象、原理和測(cè)量需求，培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)生活中有趣問題，并積極思考解決方案的能力；通過學(xué)習(xí)背景知識(shí)和自測(cè)題檢驗(yàn)，使學(xué)生更好得了解和把握基于視覺的非接觸動(dòng)態(tài)變形測(cè)量方法。培養(yǎng)學(xué)生參與國(guó)家重大工程的熱情和興趣。

（2）通過環(huán)節(jié)二力學(xué)參數(shù)測(cè)定，幫助學(xué)生掌握相機(jī)和鏡頭的基礎(chǔ)知識(shí)、數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理，并探究離面位移對(duì)測(cè)量精度的影響。以測(cè)量金屬材料力學(xué)性能的任務(wù)為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)二維數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量方案的能力，并通過環(huán)節(jié)二讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到二維測(cè)量的局限性，為下一環(huán)節(jié)的三維測(cè)量做鋪墊。

（3）通過環(huán)節(jié)三三維變形測(cè)量，幫助學(xué)生掌握雙目視覺原理、三維數(shù)字圖像相關(guān)原理、雙相機(jī)立體標(biāo)定原理等知識(shí)，并探究相機(jī)夾角對(duì)測(cè)量精度的影響。以測(cè)量火箭艙段局部變形的任務(wù)為導(dǎo)向，使學(xué)生具備從實(shí)際測(cè)量需求的角度設(shè)計(jì)三維數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量方案的能力，并通過環(huán)節(jié)二讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到局部三維測(cè)量的局限性，為下一環(huán)節(jié)的全場(chǎng)測(cè)量做鋪墊。

（4）通過環(huán)節(jié)四全周變形測(cè)量，幫助學(xué)生掌握多相機(jī)的布置原則、基于編碼點(diǎn)的單相機(jī)三維重構(gòu)方法和多相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)一方法，并探究相機(jī)擾動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。以測(cè)量火箭艙段受荷全周變形任務(wù)為導(dǎo)向，使學(xué)生具備根據(jù)工程實(shí)際需求，設(shè)計(jì)多相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量方案的能力。

實(shí)驗(yàn)要求

（1）專業(yè)與年級(jí)要求

本實(shí)驗(yàn)屬于東南大學(xué)必修課程《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》、《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》，該課程面向全校工科專業(yè)大三至大四的學(xué)生任選。

（2）基本知識(shí)和能力要求

數(shù)字圖像相關(guān)方法在變形測(cè)試中的應(yīng)用廣泛，具有一定的前沿性。多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)方法涉及理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)力學(xué)課程和數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等計(jì)算機(jī)類課程，多學(xué)科高度交叉融合，是跨專業(yè)、跨學(xué)科、跨能力范疇的綜合性課程。本課程的先修課包括理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)力學(xué)課程以及一些基礎(chǔ)的光學(xué)知識(shí)。

學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程之前所需掌握的主要能力和知識(shí)結(jié)構(gòu)包括：

l 要求學(xué)生了解相機(jī)的基本原理知識(shí)。

l 要求學(xué)生掌握數(shù)字圖像相關(guān)方法基本原理。

l 要求學(xué)生掌握力學(xué)參數(shù)測(cè)定、結(jié)構(gòu)變形等力學(xué)基礎(chǔ)。

要求學(xué)生掌握雙目立體視覺等計(jì)算機(jī)視覺基礎(chǔ)知識(shí)。