（1）专业与年级要求

本实验属于东南大学必修课程《实验力学》、《现代力学测试技术》，该课程面向全校工科专业大三至大四的学生任选。

（2）基本知识和能力要求

数字图像相关方法在变形测试中的应用广泛，具有一定的前沿性。多相机数字图像相关方法涉及理论力学、材料力学等基础力学课程和数字图像处理、计算机视觉等计算机类课程，多学科高度交叉融合，是跨专业、跨学科、跨能力范畴的综合性课程。本课程的先修课包括理论力学、材料力学等基础力学课程以及一些基础的光学知识。

学生学习本门课程之前所需掌握的主要能力和知识结构包括：

要求学生了解相机的基本原理知识。

要求学生掌握数字图像相关方法基本原理。

要求学生掌握力学参数测定、结构变形等力学基础。

             要求学生掌握双目立体视觉等计算机视觉基础知识。

近5年来，团队主要成员主要承担本科实验力学、现代力学测试技术，研究生高等实验力学、现代光测力学等与实验力学相关的力学主干课程的教学工作。培养实验固体力学方向的博士研究生10多名、硕士研究生30多名，指导本科毕业设计20多名。

项目负责人曾任中国力学学会实验力学专业委员会副主任委员，分工负责实验教学。任职期间，主持举办10多期现代光测力学讲习班，聘请数十名国内外知名光测力学专家为全国高校数百名青年教师、研究生提供了集中学习现代光测力学的机会。参与编写普通高等教育“十一五”国家级规划教材《实验力学》，该教材由清华大学出版社出版。

项目负责人长期致力于实验力学教学和测量方法研究。自1990年获国家自然科学基金项目“光/电子方法测量高温下热变形和三维形状”资助以来，在国家“八五”科技攻关、国家科技支撑计划、国家“863”计划、国家自然科学基金面上项目、重点项目、科学仪器基础研究专款、国家重大科研仪器研制项目等国家重点研究计划资助下，先后研制现代光测力学专用仪器和教学仪器15套，为实验力学教学和科学研究中的测量难题提供了重要手段。

项目负责人曾任《力学学报》和《实验力学》编委、并任中国力学学会理事2届、中国力学学会实验力学专业委员会副主任委员3届，现任《力学季刊》和《中国测试》编委；发表期刊论文243篇，获授权国家发明专利10余项，并获2019年国家科技进步二等奖（排名第二）。近5年来，团队主要成员主要承担本科实验力学、现代力学测试技术，研究生高等实验力学、现代光测力学等与实验力学相关的力学主干课程的教学工作。培养实验固体力学方向的博士研究生10多名、硕士研究生30多名，指导本科毕业设计20多名。

项目负责人曾任中国力学学会实验力学专业委员会副主任委员，分工负责实验教学。任职期间，主持举办10多期现代光测力学讲习班，聘请数十名国内外知名光测力学专家为全国高校数百名青年教师、研究生提供了集中学习现代光测力学的机会。参与编写普通高等教育“十一五”国家级规划教材《实验力学》，该教材由清华大学出版社出版。

项目负责人长期致力于实验力学教学和测量方法研究。自1990年获国家自然科学基金项目“光/电子方法测量高温下热变形和三维形状”资助以来，在国家“八五”科技攻关、国家科技支撑计划、国家“863”计划、国家自然科学基金面上项目、重点项目、科学仪器基础研究专款、国家重大科研仪器研制项目等国家重点研究计划资助下，先后研制现代光测力学专用仪器和教学仪器15套，为实验力学教学和科学研究中的测量难题提供了重要手段。

项目负责人曾任《力学学报》和《实验力学》编委、并任中国力学学会理事2届、中国力学学会实验力学专业委员会副主任委员3届，现任《力学季刊》和《中国测试》编委；发表期刊论文243篇，获授权国家发明专利10余项，并获2019年国家科技进步二等奖（排名第二）。

重型运载火箭是我国“大国重器”之一，可满足不同任务载荷、不同轨道的多样化发射需求，大大提升了我国进入深空探索的能力，有力地促进了中国载人航天、空间站、火星探测等航天事业的发展，体现了我国的综合国力。在重型运载火箭升空过程中，由于火箭发动机推力巨大，火箭舱体需要承受巨大的载荷。火箭舱体是一种薄壁结构，在巨大的载荷下容易发生屈曲变形，影响火箭的正常运行。因此工程师们往往将火箭舱体设计得过度安全，增加了大量不必要的重量。

为检测火箭舱体的缺陷，研究屈曲可能发生的位置，增强结构设计的可靠性，需要测量火箭舱段在负载下的全场变形。实验力学中传统的变形测量手段如应变片测量、激光位移计测量等只能提供单点的变形数据，无法胜任全场多点测量的任务。近年来，基于数字图像的光学测量方法发展迅速，其中数字图像相关方法（Digital Image Correlation, DIC）因其非接触、无损、全场测量、精度较高、抗环境干扰强等特点，在土木工程、航空航天、生物医学等领域得到了应用的广泛。在满足超大型结构高精度测量的需求时，采用多相机组网的多相机数字图像相关测量方法更是拥有其他方法无可比拟的优越性。

本实验中利用多相机数字图像相关方法测量火箭舱段表面在负载下的全场变形，是实验力学、结构力学、材料力学、计算机视觉、数字图像处理等多学科知识的交叉融合，能够很好地培养实验力学专业人才解决大型综合性工程的能力。然而，多相机数字图像相关方法测量火箭舱段变形测试实际教学面临严重困难，具体包括：1、实验准备周期长，测试成本高，实验操作复杂度高。2、实验基于国家制定的运载火箭研发计划，缺乏实验机会且涉密。3、运载火箭舱段尺寸巨大，而且需要使用包括大型液压机在内的众多大型设备，场地受限，现场实验具有一定的安全风险等。

因此，开展运载火箭变形测试虚拟仿真实验教学，能够调动学生参与大国工程的积极性和主动性、提升学生工程实践能力和创新思维能力，是提高《实验力学》、《现代力学测试技术》等相关课程教学水平的必然举措。

实验本着“虚实结合”的设计理念，围绕航空航天工程中的实际测量需求，融合先进的现代力学测试技术和真实实验数据，打造仿真度高、设计合理、趣味性强的虚拟实验，着重培养学生解决综合工程难题的能力。可用于力学、机械、土木工程等专业的课程实验，满足《实验力学》、《现代力学测试技术》等课程的实验需求。具体体现为：

（1） 实验内容的设计体现了“两性一度”的一流课程标准

高阶性：本实验中，多相机数字图像相关方法测量大型结构的变形是一项复杂的系统性工程，包含四个环节、众多操作步骤和多个影响测量结果的因素。学生必须在充分理解背景知识和任务目标的前提下，才能完整、自主地完成每个环节的实验，能够培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的高级思维。

创新性：测量火箭舱段全场变形，是随着我国近年来重型运载火箭的发展而对实验力学提出的新课题、新挑战。本实验围绕航空航天工程中的实际测量需求，融合先进的多相机数字图像相关技术和真实实验数据，打造了仿真度高、互动性强、趣味性强的虚拟仿真实验，体现了实验的创新型。

挑战度：本实验涉及多个学科的基础知识和众多科技前沿，且实验中每环节都需要通过学习新知识，自主设计测量方案才能完成测量任。锻炼学生学习吸收新知识的能力和自主设计实验方案的能力，具有一定的挑战度。

（2） 实验环节环环相扣、层层推进

学生每完成一个环节的学习都将习得一定的实验理论、方法和技能，并通过探究学习本环节重点考察的影响实验结果的因素。在实验过程中，学生还能发现本环节所用方法的不足，为开始下一环节的任务做准备。各环节中引导学生将知识学习和实验方案设计有机融合，通过容错、探究式的实验过程得到个性化的实验结果，培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的思维方式。

（3） 坚持以学生为中心的教学设计

实验方案主要采用了任务导向的设计方法，学生在完成某一具体任务的过程中，自然地习得实验方法和技能，并探究可能对实验结果产生影响的因素。实验情景真实、吸引力强，有一定的趣味性，能够调动学生的学习兴趣和积极性。本实验还将止于至善的精神和爱国主义教育融入教学过程。学生通过自主完成实验学习任务，深入理解数字图像相关这种非接触式测量方法在航天领域的重要价值，潜移默化的激发学生科技报国、投身祖国建设的使命感。

本实验根据《实验力学》《现代力学测试技术》课程大纲及关键知识点，结合航空航天工程中运载火箭舱段变形测试的应用背景，以多相机数字图像相关技术为测试方法，构建了虚拟仿真实验平台。实验以具体任务为驱动，开展自主容错式试验方案设计和实施，旨在培养学生探究式学习的思维方式和解决大型综合性工程的能力。并培养学生积极参与国家重大工程的使命感和热情。

具体的实验教学目标：

（1）通过环节一舱段屈曲形变中的动画演示，使学生通过观察类比实际生活中常见地场景，直观理解火箭舱段薄壁结构屈曲变形的现象、原理和测量需求，培养学生善于发现生活中有趣问题的能力，并积极思考解决方案；通过学习背景知识和自测题检验，使学生熟练掌握基于视觉的非接触动态变形测量方法。

（2）通过环节二力学参数测定，帮助学生掌握相机和镜头的基础知识、数字图像相关方法的基本原理。以测量金属材料力学性能的任务为导向，使学生掌握设计二维数字图像相关方法测量方案的方法。

（3）通过环节三三维变形测量，帮助学生掌握双目视觉原理、三维数字图像相关原理、双相机立体标定原理等知识。以测量火箭舱段局部变形的任务为导向，使学生具备从实际测量需求的角度设计三维数字图像相关方法测量方案的能力。

（4）通过环节四全周变形测量，帮助学生掌握多相机的布置原则、基于编码点的单相机三维重构方法和多相机坐标系统一方法。以测量火箭舱段受荷全周变形任务为导向，使学生具备根据工程实际需求，设计多相机三维数字图像相关方法测量方案的能力。