飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)教學改革探索*

鐘倫瓏 王穎

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津300300）

飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)教學改革探索*

鐘倫瓏 王穎

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津300300）

針對“飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)”課程理論難以理解以及實驗過度依賴專用設備等問題，文章基于CDIO對理論教學的內容和仿真實驗的組織形式進行了改革，探討了基于CD的理論教學改革和基于IO的仿真教學改革方式。在此基礎上，綜合應用基于問題的探索式教學、實例式教學和基于仿真軟件的實驗手段，最終通過仿真實驗并以項目的形式將理論教學和仿真教學緊密聯(lián)系在一起。通過對教學方法和教學手段的改革，激發(fā)學生學習興趣的同時培養(yǎng)了學生的工程實踐與動手能力，提高了教學質量。

飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)；CDIO；基于問題的探索式教學；仿真實驗

引言

“飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)”屬于我校電子信息工程類專業(yè)的主干專業(yè)課程，課程將偏重控制類的飛行控制系統(tǒng)和偏重電子信息類的飛行管理系統(tǒng)結合起來講授，并以典型民用飛機為例分析飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)，力求使學生獲得從事機務活動所需的相關專業(yè)知識。由于知識點與幾乎所有的電子信息工程專業(yè)主干課程相關，所以對學生的理論和實踐能力都有很高要求，同時對教師的授課也提出了高標準。

和國內外其他高校相比，我校的飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)課程有著明顯的機務特色。國內有名的航空航天類院校北京航空航天大學、西北工業(yè)大學等高校均開設了與飛行控制系統(tǒng)相關的課程[1]。然而，這些學校的飛控系統(tǒng)教學主要和軍機飛控系統(tǒng)設計相關，在民用飛機飛控系統(tǒng)的分析方面內容較少，同時在飛管系統(tǒng)的介紹方面偏弱。歐美民航能力強的國家，《飛行控制系統(tǒng)》是一門航空航天及其相關專業(yè)學生的必修課程[2]，在教學內容也都偏重飛控系統(tǒng)的設計和理論分析，而在飛行管理系統(tǒng)介紹較少，機務內容較少。

中國民航大學在飛管飛控維護方面積累了不少經驗與資源，如航空自動化學院開發(fā)的機務維護模擬機，工程技術培訓中心的飛控飛管模擬系統(tǒng)，然而這些資源過度依賴專用設備，在飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)課程的理論教學當中難以起到應有作用。本課改的目的就是要形成一種簡單而又實用、有效將理論與實踐相結合的教學模式。

一、基于CDIO的教學改革總體規(guī)劃

（一）CDIO簡介

CDIO工程教育模式由麻省理工學院等國際知名大學提出，是近年來在全球工程教育領域非常流行的模式。依照產品從研發(fā)到運行的一個生命周期劃分，CDIO便是構思、設計、實現(xiàn)、運行這四個產品生命階段的簡稱，CDIO工程教育模式恰恰就是以此作為載體，促使學生以主動與實踐性的學習方式去探索不同課程之間有機聯(lián)系。自從2008年以來，教育部就大力推動我國的CDIO工程教育模式改革[3]，并取得了良好的成績。

（二）當前教學存在的問題及改革規(guī)劃

目前飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)的課堂教學及實驗中存在的問題有：1.飛控系統(tǒng)的理論教學多以理論分析為主，概念抽象、難以理解，而飛管系統(tǒng)的理論教學以功能描述為主，顯得枯燥，這些都難以激發(fā)學生的學習熱情，提高教學質量；2.大部分實驗是驗證型實驗，難以加深學生對理論知識的理解和記憶，培養(yǎng)并開發(fā)學生解決問題的能力有限，且和后續(xù)的飛機電子系統(tǒng)實習重復度較高；3.現(xiàn)在的實驗設備專用性強，需要有專門的軟硬件，包括服務器，受這些因素影響，學生平時難得有機會實踐。

針對在理論和實驗教學中遇到的這些問題，飛管飛控課程組圍繞教學內容、教學方法、實驗教學及考核方法等進行了一系列的改進。為了保證課程改革的順利實施，課程組確立了“立足現(xiàn)有資源，將CDIO理念貫穿理論與實驗教學，改革教學手段，促教學效果提高”的課程改革方針。同時，課程組緊緊圍繞大綱規(guī)定的培養(yǎng)目標，設計了一個如圖1所示的課程教學方法改革總體規(guī)劃，將課程內容分理論和實例分別進行啟發(fā)引導式和實例講解教學，并使用習題、研討方式加深對教學內容的理解，最終用仿真實驗提高對整個課程內容的理解以及提高工程能力。在此次課程教學改革中，重點實施基于CD（構思與設計）的理論教學改革和基于IO（實施與運行）的仿真實驗改革，通過實施一組相互關聯(lián)、互補的改革方案保證規(guī)劃的順利完成。

圖1　課程教學方法改革總體規(guī)劃

二、基于CD的理論教學改革

飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)課程分飛控系統(tǒng)和飛管系統(tǒng)兩部分內容，分別以理論和系統(tǒng)實例進行講解，共安排有12講內容。第1-4講和第7-8講分別講授飛控系統(tǒng)和飛管系統(tǒng)的理論，第5-6講以飛控系統(tǒng)實例進行分析，第9-12講講授具體飛管系統(tǒng)實例的顯示維護。其中第1-4講的飛控系統(tǒng)理論為整個課程的難點部分，而第5-6講和第9-12講會在后續(xù)飛機電子系統(tǒng)實習中再次接觸。因此在課堂教學改革環(huán)節(jié)中，主要針對理論和系統(tǒng)實例分別進行基于問題的探索式教學和實例講解教學，通過引導學生對問題分析和分組構思設計、研究討論來幫助學生形成一個清晰的飛控飛管系統(tǒng)概念。

（一）基于問題的探索式教學

“學生為主體，教師為主導”是現(xiàn)代教學的指導思想，考慮到和飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)課程相關理論部分在之前課程中都有接觸，如自動控制原理、大氣數(shù)據(jù)慣導系統(tǒng)和導航原理與系統(tǒng)，因此在本課程的教學過程中和理論相關的章節(jié)都采用基于問題的探索式教學方法?；趩栴}的探索式教學不是簡單的重復已教授過的理論知識[4]，而是提出學生用已有知識就可以解決的本課程的關鍵問題，再加上適當?shù)闹R補充，從而形成對課程內容的形象而深入的理解。

在具體的授課過程中，當開始一個章節(jié)或引入一個新的知識點時，首先提出與該部分內容相關、用以往所學知識能解決的問題，讓學生進行問題求解，任課教師視情況進行相關知識的回顧與補充，然后教師講解、軟件仿真演示解決問題。對于比較有代表性與綜合性強的問題，先進行分組構思設計，鼓勵學生充分利用所學知識給出自己的解決方案，然后任課教師進行講解與軟件仿真演示。對于問題求解及構思設計當中存在的問題，最后學生分組之間以及學生與教師之間就遺留問題進行討論，力求將章節(jié)的關鍵問題在課堂上直接解決，具體的實施流程如圖2所示。

圖2　基于問題的探索式教學流程

基于問題的探索式教學的關鍵是在問題設計，教師所提問題應與課程內容緊密相關、容易為學生理解、能啟發(fā)學生思考，同時還要考慮到CDIO環(huán)節(jié)的整體性，因此需要為后續(xù)的IO環(huán)節(jié)做相關鋪墊。以本課程核心內容第2講、第4講為例，采用本教學方法設計的部分核心問題如表1所示，同時給出了求解問題所需回顧或補充的知識，對應CD的相應環(huán)節(jié)。

在本課程的教學實踐中對第1-4講和第7-8講采用了基于問題的探索式教學方法，不僅激發(fā)了學生的學習興趣，還有效培養(yǎng)和訓練了學生的思維能力，為后續(xù)的學習及工作打好基礎。

表1　基于問題的探索式教學典型問題舉例

圖3　實例講解教學流程

表2　實例講解教學舉例

（二）實例講解教學

為了更好地促進學生對機務所需知識的理解，本課程在理論教學的基礎上，以典型波音和空客民用飛機機型為例分別對實際飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)進行介紹。同時，為了和飛機電子系統(tǒng)實習更好銜接，在此課程主要目的以形成學生對整個飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)的感性認識為主。

具體的授課過程流程如圖3所示，主要步驟如下：在該章內容開始前分發(fā)相關飛機系統(tǒng)的ATA章節(jié)，并提出本章的核心問題，由學生課下自己通過學習ATA章節(jié)、課本知識，給出問題答案，然后在課堂上進行分組研究討論，任課教師針對學生提出的疑難問題進行指導，學生完成章節(jié)的學習報告，最后任課教師根據(jù)學生討論和學習報告中出現(xiàn)的問題給出詳細的總結。

實例講解教學的關鍵在于美國航空運輸協(xié)會ATA章節(jié)內容的選取，ATA手冊語言是英文，這對學生的英語水平是一個考驗，并且本課程也涉及到眾多的飛機系統(tǒng)，如：ATA 22自動飛行、24電源、27飛行操縱、29液壓、31儀表、34導航，需要指定核心章節(jié)避免學生盲目看書，產生畏難情緒。因此在教學過程當中整理關鍵的專業(yè)詞匯以及關鍵內容的劃分是需要解決的問題。以本課程第5講、第9講為例，采用本教學方法設計的實例分析如表2所示，同時設計相關問題和給出ATA相關章節(jié)引導學生對課程內容的主動探索，最后設計對應CD相應環(huán)節(jié)的問題，為實驗環(huán)節(jié)做準備。

在本課程的教學實踐中對第5-6講和第10-12講采用了實例講解教學方法，不僅激發(fā)了學生的學習興趣，還有效培養(yǎng)和訓練了學生的思維能力，為后續(xù)的學習及工作打好基礎。

三、基于IO的仿真實驗改革

目前實驗最主要的問題在于實驗設備專用性強，需要有專門的軟硬件，包括服務器，受這些因素影響，學生平時難得有機會實踐，任課教師也難以在課堂上演示效果，容易造成理論與實驗教學在進度上不同步，往往不能讓學生及時消化所學知識，甚至會造成學生不愿學的負面影響。

為了有效提高教學效果，課程組綜合利用了多個計算機仿真軟件開發(fā)了相關的實驗項目，如學生在先期課程中接觸過的Matlab/Simulink軟件，以及進行飛行顯示的FlighGear軟件[5，6]，這些軟件在個人電腦中很容易安裝，因此擺脫了原有實驗過度依賴專用設備的缺點。

在實驗設置方面，課程組和負責機務實訓的工程技術培訓中心相關課程老師進行了充分討論，最終確定將實驗分為兩類，一類是為了驗證理論知識的課堂演示性實驗，這種演示性實驗安排在理論教學中，在如表1所示的核心問題答案基礎上，重點演示一個仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)運行過程，并在此過程中再次回顧相關章節(jié)問題，以加深學生對基礎理論的理解；另一類是集中及課后仿真實驗，這和機務實訓時進行的電子系統(tǒng)實習有效銜接起來，要求學生在課堂演示仿真系統(tǒng)的基礎上進行實驗，并要求進行如表2所述的類似功能擴展，從而提升學生在實現(xiàn)運行的實踐綜合能力，任課教師在學生實驗報告的基礎上再進行問題反饋及分組進行討論總結，基于IO的實驗改革流程如圖4所示。在這里，集中及課后仿真實驗不再是對課堂演示性實驗的簡單重復，而是在理解的層次上進行再次開發(fā)深化。

圖4　基于IO的實驗改革流程

目前本課程的仿真實驗主要針對第2-6講進行了開發(fā)，包含典型飛行動力學仿真平臺和可視化飛行仿真系統(tǒng)兩大仿真平臺，如表3所示，在回答如表1和表2的問題后，任課教師可借助此兩個仿真平臺在課堂上進行實現(xiàn)運行的演示實驗，同時學生也可以在充分理解平臺設計原則的基礎上進行功能擴展、或其他機型的仿真實驗。此種實驗方式不僅有效培養(yǎng)學生的實踐能力，而且吸引他們利用課余實踐進行科學探索，盡快建立對整個飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)的認識。

表3　仿真實驗項目舉例

四、教學效果

在實際教學中，應用基于CDIO理念，通過仿真實驗項目將理論教學和仿真教學緊密聯(lián)系在一起的這種教學改革形式，已在實際教學中產生了一些良好的效果：1.學生在后期的實例講解教學對前期的理論教學中的問題逐漸加深了認識，在后續(xù)的仿真實驗中又得到了進一步的提高，學生紛紛表示有種豁然開朗、柳暗花明的感覺；2.學生通過仿真實驗項目以及提高部分，增強了實際動手能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新性，同時又達到聯(lián)系前期課程內容，將理論充分應用于實踐的目的；3.問題設計、實例教學和仿真項目的教學手段，以及前后呼應的教學安排，不僅提高了和任課教師的要求，同時也促進了教師與學生之間的良性循環(huán)；4.在教學改革實踐的基礎上，課程組開發(fā)出了比如“單軸螺旋槳懸浮系統(tǒng)”的CDIO高級項目，學生進行了相關實物開發(fā)，取得了良好效果。

五、結束語

“飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)”是一門極具行業(yè)特色的電子信息工程類課程，CDIO理念注重培養(yǎng)學生應用所學理論知識解決工程問題的能力、團隊合作能力以及系統(tǒng)掌控能力。文章針對飛管飛控教學過程中存在的問題，結合CDIO理念，探討了基于CD的理論教學改革和基于IO的仿真教學改革方式，最終通過仿真實驗項目的形式將理論教學和仿真教學緊密聯(lián)系在一起，在激發(fā)學生學習興趣的同時培養(yǎng)了學生的工程能力，提高了教學質量。

[1]劉小雄，李廣文，章衛(wèi)國.飛行控制系統(tǒng)課程教學改革的若干探討[J].高教論壇，2009（1）：47-49.

[2]Shankar P,Husman J,Wells V L,et al.Innovative Instruction for Undergraduate Aircraft Dynamics and Control[C]. American Society for Engineering Education，2011.

[3]顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）[J].高等工程教育研究，2012，3：24-40.

[4]White M D,Padfield G D.The use of flight simulation for research and teaching in academia[C].Proceedings of the AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference，2006:21-24.

[5]Daniel Ondris,Rudolf Andoga.Aircraft modeling using Matlab/FlightGear interface[J].ATCA Avionics,2013,27(XV): 1-6.

[6]Moness M,Mostafa A M,Abdel-Fadeel M A,et al. Automatic control education using Flight Gear and MATLAB based virtual lab[C].8th International Conference of Electrical Engineering，2012.

Many problems exist in the teaching of flight management and automatic flight control system,such as the theory which is difficult to understand and labs are over-reliance on special experimental equipment.Based on the different stages of CDIO,the organization of theory teaching and simulation of the course are reformed.In detail, CD-based teaching reform and IO-based simulation are discussed.In the reform methodology,different methods have been applied comprehensively,including problem-based exploratory teaching,examples teaching and simulation software based labs.Finally,theory teaching and lab teaching are linked closely in the form of simulation programs,and a complete CDIO project is performed.At the same time,through the reform of teaching methods and means,the students'interest is stimulated as well as CDIO engineering capabilities are cultivated.As a result,the teaching quality is improved.

Flight Management and Automatic Flight Control System;Conceive-Design-Implement-Operate; problem-based exploratory teaching;simulation

G642

A

2096-000X（2016）24-0071-04

中國民航大學實驗技術創(chuàng)新基金2016SYCX10；2016年中國民航大學電子信息工程專業(yè)綜合改革項目。

鐘倫瓏（1979-），男，漢族，湖南新邵，博士，講師，研究方向：航空電子；王穎（1972-），女，漢族，河北唐山，碩士，講師，研究方向：航空電子。