面向適航的《機(jī)載軟硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證》課程開發(fā)與實(shí)踐

田毅 史春蕾 張帆

摘要：當(dāng)前民機(jī)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，圍繞國內(nèi)對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備人才需求，以培養(yǎng)學(xué)生機(jī)載軟硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證能力為出發(fā)點(diǎn)，基于適航要求開發(fā)了《機(jī)載軟硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證》專業(yè)課程。本文分析了課程特征，提出了涵蓋案例教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂和專家授課的課程教學(xué)方案。最后給出具體的實(shí)施方式及效果評(píng)估。

關(guān)鍵詞：課程開發(fā)；機(jī)載軟硬件；適航

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）08-0145-03

隨著我國ARJ21飛機(jī)、C919等民機(jī)型號(hào)的推進(jìn)，機(jī)載電子設(shè)備國產(chǎn)化已經(jīng)成為我國航空工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)焦點(diǎn)，而機(jī)載電子設(shè)備的軟硬件是否滿足適航要求是關(guān)鍵。對(duì)軟硬件安全性的要求使得航空工業(yè)部門對(duì)具備相關(guān)適航知識(shí)人才的需求日益迫切，傳統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)課程教育缺乏適航知識(shí)的引導(dǎo)，對(duì)于剛?cè)肼毜膯T工仍需專業(yè)的職業(yè)技能培訓(xùn)。我國適航技術(shù)研究和人才培養(yǎng)體系起步較晚，目前專業(yè)人才匱乏，短期培訓(xùn)難以解決技術(shù)薄弱、人才不足的難題[1]。因此需要面向行業(yè)需求針對(duì)當(dāng)前機(jī)載軟件、硬件研制開設(shè)專門的課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)載軟、硬件適航研制能力以及適航審定能力。因此基于作者的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合“新工科”的工程教育思路，提出了具體的教學(xué)方案。

一、課程分析

適航性是指該航空器包括其部件及子系統(tǒng)整體性能和操縱性能在預(yù)期的環(huán)境和使用限制下的安全性和物理完整性的一種品質(zhì)[2]。航空器適航審定教育重點(diǎn)關(guān)注航空器適航審定領(lǐng)域的科學(xué)問題和應(yīng)用技術(shù)，面向飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、使用和維修，培養(yǎng)具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)，能獨(dú)立解決適航審定與驗(yàn)證方面的工程技術(shù)問題的人才。《機(jī)載軟硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證》課程是航空器適航審定教育的關(guān)鍵內(nèi)容之一，教育目標(biāo)是幫助學(xué)生了解民機(jī)機(jī)載軟/硬件研制的基本理念，掌握相關(guān)適航要求，掌握滿足適航要求的驗(yàn)證方法，在學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)上培養(yǎng)、構(gòu)建面向適航的思維體系。該課程主要依托兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開展，對(duì)機(jī)載軟件的指導(dǎo)文件是《機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備合格審定中的軟件考慮》（DO-178C）[3]；對(duì)機(jī)載電子硬件的指導(dǎo)文件是《機(jī)載電子硬件設(shè)計(jì)保證指南》（DO-254）[4]。目前，國內(nèi)其他高校均沒有類似課程，該課程的特點(diǎn)是：

（1）知識(shí)面涵蓋廣泛。課程涉及大量機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安全性分析、軟件工程、程序設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)等課程的知識(shí)，在課程中要訓(xùn)練學(xué)生對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行綜合考慮和運(yùn)用。

（2）課程知識(shí)抽象程度高。課程著重于對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證中的過程管理、技術(shù)要求、審查要素等宏觀層面的探索，不同于學(xué)生熟悉的具體編碼或操作，所以單純進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)宣貫，學(xué)生難以理解和掌握。

（3）理論與實(shí)踐的平衡。傳統(tǒng)的軟硬件理論知識(shí)面對(duì)的是一般應(yīng)用，而機(jī)載軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)踐是在真實(shí)的設(shè)計(jì)資源上進(jìn)行設(shè)計(jì)折中，需要將一般化的知識(shí)與具體機(jī)載軟硬件項(xiàng)目相結(jié)合。

（4）課程知識(shí)更新速度快。隨著軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，局方相關(guān)的研究和政策發(fā)布持續(xù)更新，并且在部分內(nèi)容要求上中、美、歐之間存在差異。如果不及時(shí)跟蹤，傳授的便是陳舊的知識(shí)，會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生。

（5）學(xué)生背景知識(shí)差異大。由于適航多學(xué)科融合的特征，造成同一期學(xué)生專業(yè)背景差異巨大。學(xué)生關(guān)于軟硬件的基本技術(shù)能力普遍在計(jì)算機(jī)考級(jí)以及課程設(shè)計(jì)水平，缺乏完整工程設(shè)計(jì)的經(jīng)歷。

針對(duì)課程特點(diǎn)，提出課程開發(fā)思路：以完整案例研制為主線，穿插翻轉(zhuǎn)課堂及專家講座，使學(xué)生體驗(yàn)完整的研制過程，自主學(xué)習(xí)背景知識(shí)和關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。

二、教學(xué)內(nèi)容

按照適航要求，課程需要涵蓋完整的軟件、硬件生命周期過程，包括需求捕獲、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、集成、驗(yàn)證技術(shù)、構(gòu)型管理、質(zhì)量保證、適航審定等內(nèi)容。具體教學(xué)內(nèi)容如圖1所示，內(nèi)容如下：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段包括：系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程、環(huán)境試驗(yàn)要求、適航符合性方法、可靠性指標(biāo)等；

（2）軟硬件研制流程部分包括：軟硬件研制流程、適航要求、適航審查、符合性數(shù)據(jù)、過程保證、構(gòu)型管理、工具鑒定、追溯性建立等；

（3）需求捕獲過程包括：需求編制、確認(rèn)需求、形式化建模技術(shù)、需求分析、需求追蹤等；

（4）概念設(shè)計(jì)過程包括：商用貨架產(chǎn)品（COTS）適航要求及符合性、單粒子防護(hù)技術(shù)、基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)（MBD）、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù)（OOT）等；

（5）詳細(xì)設(shè)計(jì)過程包括：編碼規(guī)則、仿真技術(shù)、覆蓋分析、軟件代碼自動(dòng)化生成等；

（6）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程包括：軟件集成、形式化驗(yàn)證、時(shí)序分析、測(cè)試臺(tái)搭建、軟件集成、軟件測(cè)試、源代碼到目標(biāo)碼追蹤方法、最差時(shí)間分析（WCET）等；

（7）設(shè)備集成部分包括：系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)等。

三、教學(xué)方案

（一）整合內(nèi)容突出案例引導(dǎo)

基于課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性的案例，將學(xué)習(xí)內(nèi)容通過該案例進(jìn)行貫穿，并實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程以及系統(tǒng)安全性分析過程關(guān)聯(lián)。

首先，講授關(guān)于軟硬件的基礎(chǔ)知識(shí)，包括：軟硬件基本定義、適航要求、標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于軟硬件生命周期過程的定義，各過程的目標(biāo)和主要活動(dòng)。但要注意點(diǎn)到為止，以免增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)，分散學(xué)生的注意力。然后，以某型安全性最高等級(jí)（A級(jí)）機(jī)載電子系統(tǒng)為設(shè)計(jì)案例，從研制流程角度整體上貫穿從系統(tǒng)到軟硬件研制的各個(gè)過程。具體包括：

（1）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段主要概括講解，并引導(dǎo)學(xué)生在《飛機(jī)系統(tǒng)審定及驗(yàn)證技術(shù)》、《系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估》、《可靠性理論及應(yīng)用》等課程中去找尋詳細(xì)答案，便于讓學(xué)生理解整個(gè)適航課程體系。

（2）在軟硬件研制流程部分主要通過案例來講解各過程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法，并引導(dǎo)學(xué)生思考如何去構(gòu)建研制流程。

（3）在軟硬件設(shè)計(jì)案例部分講解過程中穿插具體的軟硬件設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)，讓學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過程中了解具體技術(shù)要求、技術(shù)內(nèi)容、以及相關(guān)的工具。

（4）在技術(shù)講解過程中順便展示工具的使用，但具體工具使用參考文獻(xiàn)介紹[5]，放在課外由學(xué)生自學(xué)完成。在學(xué)生掌握基本使用的基礎(chǔ)上，引入有問題的實(shí)例，在課上使用工具進(jìn)行查錯(cuò)與修改，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)工具的應(yīng)用能力。

最后，圍繞案例的講解，以真正的適航審查過程為藍(lán)本，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)整個(gè)案例開展模擬審查，思考在計(jì)劃、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、完結(jié)各階段的審查要點(diǎn)，將學(xué)生的思維模式從如何完成設(shè)計(jì)延伸到如何按照局方要求管控設(shè)計(jì)，提升學(xué)生對(duì)整個(gè)軟硬件設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程的認(rèn)知，鍛煉學(xué)生自我檢查的設(shè)計(jì)意識(shí)。

（二）案例式教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂的結(jié)合

針對(duì)軟硬件研制流程、適航審查、符合性數(shù)據(jù)等內(nèi)容，整個(gè)管理流程體系敘述的內(nèi)容較多，使得僅依靠案例講解仍然枯燥，學(xué)生興趣不大，影響授課效果。考慮在整個(gè)案例中預(yù)留部分設(shè)計(jì)內(nèi)容給學(xué)生，部分采用翻轉(zhuǎn)課堂[6]的形式開展教學(xué)，使學(xué)生循序漸進(jìn)掌握全部?jī)?nèi)容。選取的案例有編制合格審定計(jì)劃、編制需求檢查單、針對(duì)基本功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)、制定詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)施過程、對(duì)給定設(shè)計(jì)代碼搭建仿真平臺(tái)進(jìn)行覆蓋分析等。具體思路如圖2所示。

在該教學(xué)環(huán)節(jié)，采用先做再講的授課方式[6]。課堂上不會(huì)首先介紹和案例相關(guān)的理論知識(shí)，而是以作業(yè)的形式先布置給學(xué)生，每個(gè)學(xué)生有一周的時(shí)間學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容并完成作業(yè)。對(duì)于學(xué)有余力的同學(xué)可進(jìn)一步要求對(duì)涉及的技術(shù)專題進(jìn)行研究，并準(zhǔn)備匯報(bào)材料，該類匯報(bào)作為平時(shí)成績(jī)依據(jù)。在下一次課上，讓學(xué)生對(duì)作業(yè)進(jìn)行詳細(xì)講解，教師點(diǎn)評(píng)并給出參考設(shè)計(jì)。最后，引導(dǎo)學(xué)生將其完成內(nèi)容與參考設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，查缺補(bǔ)漏，如必要時(shí)可進(jìn)一步安排技術(shù)研討。

經(jīng)過該教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)期間都融入在教學(xué)活動(dòng)中，避免了單純的被動(dòng)聽講，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的貫通；其次，由于作業(yè)抽取的是課程關(guān)鍵內(nèi)容，學(xué)生在作業(yè)中經(jīng)過深入的思考和實(shí)踐，能在課堂上馬上抓住重點(diǎn)，便于后期舉一反三。

（三）業(yè)界專家授課

在授課的過程中，聘請(qǐng)一線專家輔助教學(xué)[6]。聘請(qǐng)軟件、硬件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專家講授具體型號(hào)設(shè)計(jì)過程中的問題和發(fā)展，結(jié)合具體案例介紹從需求到架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟或硬件的實(shí)現(xiàn)，介紹設(shè)計(jì)取舍的思路歷程，帶著學(xué)生一起思考和設(shè)計(jì)。同時(shí)，專家也會(huì)從自身的角度講述對(duì)適航的認(rèn)識(shí)以及機(jī)載軟硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的一些感悟。學(xué)生再與課堂上學(xué)到的理論知識(shí)對(duì)照，發(fā)掘出理論知識(shí)更深一層的含義，并從具體的項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)的應(yīng)用。

此外，通過該授課環(huán)節(jié)，學(xué)生將具體見識(shí)到一線設(shè)計(jì)師的工作及其在研制團(tuán)隊(duì)中的作用，了解行業(yè)對(duì)于職業(yè)能力的需求，使學(xué)生初步確立自己的職業(yè)方向，將學(xué)習(xí)與未來職業(yè)理想掛鉤，促進(jìn)學(xué)生更加努力的學(xué)習(xí)。

四、實(shí)施效果

在早期的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，將全部的課堂時(shí)間用于講授設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的抽象理論會(huì)使學(xué)生感到枯燥乏味，并且難以在有限學(xué)時(shí)的課程中講述完所有知識(shí)。此外，較長(zhǎng)的授課跨度造成學(xué)生對(duì)于零散知識(shí)點(diǎn)容易遺忘。

基于案例式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂和專家授課的綜合課程教學(xué)方式雖然在具體實(shí)施過程中較為繁瑣，但效果明顯。自課程開發(fā)以來，學(xué)生對(duì)于整個(gè)適航知識(shí)的理解和技術(shù)開發(fā)能力有了顯著提高，部分能力強(qiáng)的學(xué)生依據(jù)在課程學(xué)習(xí)中參與內(nèi)容編寫的小論文在期刊上發(fā)表，組隊(duì)參加學(xué)生競(jìng)賽，也取得了良好的成績(jī)。實(shí)踐證明該項(xiàng)課程方案是可行的，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中比以往表現(xiàn)出更高的熱情和積極性，并且對(duì)于團(tuán)隊(duì)協(xié)作方面有了一定的提升。

五、結(jié)語

本文結(jié)合當(dāng)前民用航空工業(yè)的需求和國家教委開展新工科改革的思想，針對(duì)課程教學(xué)中面臨的挑戰(zhàn)開發(fā)課程，提出案例式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂及專家講座的教學(xué)方案。在后續(xù)課程教學(xué)中將不斷探索，與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，積極思考，尋求更好的、更有效的教學(xué)方式，以期達(dá)到更佳的培養(yǎng)效果，滿足行業(yè)對(duì)人才的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳農(nóng)田，周長(zhǎng)春，李楊.適航技術(shù)與管理專業(yè)人才的培養(yǎng)[J].中國民用航空，2013，（9）.

[2]中國民用航空總局航空器適航司.中國民用航空器適航管理[M].北京：中國民航出版社，2010.

[3]DO-178C.機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備合格審定中的軟件考慮[S].RTCA.Warrendale，PA.2011.

[4]DO-254.機(jī)載電子硬件設(shè)計(jì)保證指南[S].RTCA.Warrendale，PA.2000.

[5]劉英哲.EDA課程教學(xué)中存在的若干問題思考[J].教育現(xiàn)代化，2016，（34）：152-154.

[6]李暾，文艷軍，劉萬偉，等.軟件體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革規(guī)劃與實(shí)施[J].計(jì)算機(jī)教育，2015，（6）：19-21.