航空信息類專業(yè)綜合仿真實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)與探索

陳杰　馬存寶　張曉化　宋東　和麟

摘 ?要：現(xiàn)代航空正朝著機(jī)電與信息一體、控制與網(wǎng)絡(luò)綜合的方向發(fā)展，為了強(qiáng)化航空基礎(chǔ)理論，鍛煉工程應(yīng)用能力，開展了飛行器系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式設(shè)計(jì)與探索。從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、研究型教學(xué)手段和考核模式三個(gè)方面進(jìn)行研究和改革，實(shí)踐表明該改革思路能有效提升學(xué)生鉆研積極性，可以為新工科建設(shè)類似課程改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞：新工科;航空電子;模式改革;綜合仿真

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）07-0082-05

Abstract： Modern aviation is developing in the direction of mechatronics and information integration， control and network integration. To strengthen the basic theory of aviation and improve the ability of engineering application， the teaching mode design and exploration of aircraft integrated simulation experimental course are carried out， which is studied and reformed from the three aspects of teaching content design， research-oriented teaching methods and assessment mode. The practices results show that the reform idea can effectively promote the enthusiasm of students and provide references for the emerging engineering construction similar courses reform.

Keywords： emerging engineering; avionics; mode reform; comprehensive simulation

一、概述

自動(dòng)化、信息化和智能化是現(xiàn)代航空器發(fā)展的必然趨勢(shì)，由西北工業(yè)大學(xué)申報(bào)的“飛行器控制與信息工程”專業(yè)是教育部新增審批的唯一一個(gè)航空領(lǐng)域的本科專業(yè)，主要面向國家航空航天領(lǐng)域在飛行器控制與信息系統(tǒng)方面對(duì)人才的新需求。這一專業(yè)作為典型工科專業(yè)，在“新工科”建設(shè)中需要體現(xiàn)航空技術(shù)高速發(fā)展的深刻時(shí)代特性[1]。

為了響應(yīng)新工科建設(shè)需求，本專業(yè)將“做中學(xué)”深入貫徹到課程培養(yǎng)方案中，設(shè)置大量課程輔助實(shí)驗(yàn)/課程設(shè)計(jì)、集中實(shí)踐和專業(yè)綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，《飛行器系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)》作為專業(yè)必修的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，計(jì)劃通過開展綜合仿真實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生從課程教學(xué)向畢業(yè)設(shè)計(jì)過渡提供橋梁，為學(xué)生適應(yīng)航空領(lǐng)域綜合信息化和自動(dòng)化發(fā)展提供實(shí)踐操作和直觀接觸。然而，該課程教學(xué)存在如下問題：1. 教學(xué)內(nèi)容單調(diào)，與先修課程間聯(lián)系不足，在完全學(xué)分制自主選課模式下存在先修課程體系建立不完善;2. 教學(xué)模式手段不明，作為創(chuàng)新性集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)不同，受限于實(shí)驗(yàn)室條件和實(shí)驗(yàn)對(duì)象特點(diǎn)，無法開展實(shí)物綜合仿真，需要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)模式和仿真手段;3. 缺乏考核模式和學(xué)生積極性調(diào)動(dòng)方法，教學(xué)考核模式需要與教學(xué)模式相配合，充分考慮教學(xué)手段變化，有針對(duì)性調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

按照新工科建設(shè)要求，改變教學(xué)方法[2]，增加學(xué)生學(xué)習(xí)和鉆研積極性，本文針對(duì)飛行器系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)課程開展教學(xué)設(shè)計(jì)與探索，梳理構(gòu)建飛行器系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過綜合實(shí)驗(yàn)與調(diào)試鍛煉學(xué)生;在做中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，筑牢學(xué)生基礎(chǔ)。從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、研究型教學(xué)手段和考核模式三個(gè)方面進(jìn)行研究和改革，讓學(xué)生在動(dòng)手、動(dòng)腦和實(shí)踐過程中去映射和體會(huì)理論所學(xué)知識(shí)和方法，使得課程內(nèi)容和體系前后主動(dòng)銜接，充分實(shí)踐“做中學(xué)”的教學(xué)理念和模式，提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

通過教學(xué)大綱的分析，針對(duì)課程特點(diǎn)和培養(yǎng)方案前期課程理論體系，設(shè)計(jì)編列可選的系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)內(nèi)容，涵蓋飛機(jī)典型系統(tǒng)理論基礎(chǔ)、基于Matlab/Simulink和AMESim的系統(tǒng)建模方法、飛機(jī)系統(tǒng)建模編程、仿真與調(diào)試等內(nèi)容要求，使學(xué)生能夠了解、學(xué)習(xí)并掌握工程領(lǐng)域常用的基本仿真工具，編程語言，能夠獨(dú)立使用對(duì)應(yīng)仿真平臺(tái)完成系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，完成仿真程序的編寫、調(diào)試和仿真結(jié)果的處理與分析，并最終撰寫課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括：

（一）系統(tǒng)建模與仿真基礎(chǔ)知識(shí)

通過集中課堂教學(xué)，講解系統(tǒng)仿真技術(shù)，系統(tǒng)建模方法，布置課后仿真類專著、文獻(xiàn)查閱和學(xué)習(xí)，目標(biāo)是掌握系統(tǒng)建模的基本方法和思路、連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)基本概念，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)，初步了解Matlab/Simulink或AMESim等工程專業(yè)常用系統(tǒng)建模與仿真軟件平臺(tái)工具。通過資料文獻(xiàn)查閱和學(xué)習(xí)，對(duì)系統(tǒng)綜合仿真方法有較為系統(tǒng)和全面認(rèn)識(shí)，基本具備開展系統(tǒng)仿真的知識(shí)條件。

（二）飛行器系統(tǒng)綜合仿真項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫

設(shè)置多項(xiàng)可選的系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過學(xué)生自主選擇項(xiàng)目，開展仿真對(duì)象資料查閱，綜合仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)劃/方案設(shè)計(jì)與研討，項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫。具體可選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：

1. 小型無人機(jī)飛行系統(tǒng)建模與仿真實(shí)驗(yàn)。在小型無人機(jī)氣動(dòng)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)下建立三維飛行運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，搭建仿真環(huán)境，完成飛機(jī)常見運(yùn)動(dòng)過程的仿真和數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)處理與分析。

2. 基于FlightGear的飛行器三維仿真演示。在Simulink仿真平臺(tái)建立仿真數(shù)據(jù)輸出和FlightGear的數(shù)據(jù)接口，通過地球坐標(biāo)下經(jīng)緯高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，飛行場(chǎng)景的設(shè)置，完成飛行器三維仿真演示。

3. 倒立擺控制問題的建模仿真與復(fù)雜控制。分析經(jīng)典一階/二階倒立擺數(shù)學(xué)模型，從控制角度完成倒立擺MATLAB仿真模型建立，并以所學(xué)控制理論為基礎(chǔ)，提出自己的復(fù)雜控制方法，并在仿真平臺(tái)上加以實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證其控制效果。

4. 飛機(jī)電液作動(dòng)筒的數(shù)學(xué)建模與性能仿真。分析飛機(jī)EHA機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程，建立起運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，在Simulink仿真平臺(tái)下建立飛機(jī)電液作動(dòng)筒仿真模型，完成調(diào)試與數(shù)據(jù)輸出;理論分析機(jī)載EHA機(jī)械運(yùn)動(dòng)磨損對(duì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的影響，并通過仿真分析和驗(yàn)證這一性能變化過程[3]。

5. 基于AMESim的起落架收放過程仿真。分析液壓源驅(qū)動(dòng)下起落架收放過程基本原理，在AMESim仿真平臺(tái)下搭建起落架收放過程，并針對(duì)所分析的收放過程原理，分析不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)收放過程的影響。

6. 基于AMESim的襟翼收放過程仿真。分析液壓源驅(qū)動(dòng)下襟翼收放過程基本原理，在AMESim仿真平臺(tái)下搭建襟翼收放過程，并針對(duì)所分析的收放過程原理，分析不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)收放過程的影響。

三、研究型教學(xué)手段

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程采用先集中講學(xué)，后分組實(shí)驗(yàn)的原則。首先開展系統(tǒng)仿真方法和飛機(jī)系統(tǒng)相關(guān)理論基礎(chǔ)講解，再運(yùn)用前置課程所學(xué)理論知識(shí)開展特定飛機(jī)系統(tǒng)的程序編寫，調(diào)試與仿真，數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫（見圖1）。

1. 工程案例對(duì)象講解，了解飛機(jī)系統(tǒng)綜合與控制過程。飛行器系統(tǒng)綜合仿真主要體現(xiàn)系統(tǒng)層面和綜合過程中，選取國內(nèi)外航空領(lǐng)域最新最熱問題作為案例講解，以分系統(tǒng)進(jìn)行闡述，通過問題導(dǎo)向，給學(xué)生以充分的空間想象和發(fā)揮，讓學(xué)生事先對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)綜合與控制過程有直觀了解。

2. 學(xué)生為主的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)計(jì)劃交流和面詢。以教師為主導(dǎo)，發(fā)揮教師的組織和引導(dǎo)作用，開列與本實(shí)驗(yàn)課程計(jì)劃開設(shè)的相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目主題，將學(xué)生劃分小組，以小組形式完成對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的專題學(xué)習(xí)，化被動(dòng)的接收者為主動(dòng)的學(xué)習(xí)者。在分組討論過程中，教師引入大量的學(xué)生思考環(huán)節(jié)，這其中最重要的就是互動(dòng)，要鼓勵(lì)學(xué)生多說、多做、多討論。在各類型問題中，效果由小到大應(yīng)為：設(shè)問式、是否式、開放式。但是，開放式問題的設(shè)計(jì)需要細(xì)致、精巧，要達(dá)到鼓勵(lì)學(xué)生思考-結(jié)對(duì)討論-分享（Think-Pair-Share，TPS）的目標(biāo)，努力打破“2/3定律”，降低教師講課時(shí)間（TTT，Teacher Talking Time），提升學(xué)生展示和表達(dá)時(shí)間，如圖2所示。

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)和專業(yè)系統(tǒng)資料素材收集、分析討論、方案計(jì)劃的擬訂，并以小組開展個(gè)人實(shí)驗(yàn)規(guī)劃的面詢講解，通過最終試驗(yàn)計(jì)劃和方案面詢情況完成平時(shí)成績(jī)的評(píng)定，同時(shí)鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和把控能力，讓每個(gè)學(xué)生都得到發(fā)揮自身想象力和執(zhí)行力的機(jī)會(huì)。

3. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目自主開展。在前期備選項(xiàng)目計(jì)劃準(zhǔn)備與交流討論基礎(chǔ)上，依據(jù)所查閱的項(xiàng)目文獻(xiàn)，最新研究方法和成果，引入試驗(yàn)過程中，按照討論面詢所確定的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和計(jì)劃，自主開展試驗(yàn)項(xiàng)目，通過編程、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等過程，形成個(gè)人實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并設(shè)立微信平臺(tái)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4-5]，通過學(xué)生與老師間，學(xué)生與學(xué)生間的離線交流討論，引導(dǎo)學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)過程鉆研問題，提高對(duì)課程的興趣。

四、考核模式改革

實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生考核主要由出勤情況（20%）、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃匯報(bào)（30%）和實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告考核（50%）三部分組成（見圖3），各項(xiàng)考核的具體要求如下：

1. 實(shí)驗(yàn)出勤（20%）。要求學(xué)生按時(shí)到課，并積極參與實(shí)驗(yàn)課堂活動(dòng)。

2. 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃匯報(bào)（30%）。按照上述研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)劃面詢效果考核，在面詢結(jié)束后組織其他同組同學(xué)的提問，由個(gè)人進(jìn)行答疑，綜合匯報(bào)情況和答疑情況進(jìn)行給分。

3. 專題實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告（50%）。根據(jù)前面所分配和選擇的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展項(xiàng)目專題實(shí)驗(yàn)，通過編程、調(diào)試仿真和數(shù)據(jù)結(jié)果分析，完成專題實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告的撰寫，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的仿真工作量、研究深度，結(jié)果等情況進(jìn)行綜合評(píng)定。

五、課程改革實(shí)踐

運(yùn)用上述《飛行器系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)》課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)施有針對(duì)性地教學(xué)手段，并輔以最終靈活多樣的考核模式，課程改革在本學(xué)期的實(shí)踐中取得了良好的效果。

首先，介紹了系統(tǒng)仿真的基本理論、方法手段和工具;并以某型戰(zhàn)斗機(jī)全數(shù)字化全流程虛擬設(shè)計(jì)與校核為工程案例講解了飛機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域綜合仿真的情況，讓學(xué)生了解了現(xiàn)代工業(yè)化綜合仿真的應(yīng)用現(xiàn)狀。

其次，公布了備選綜合仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，按照學(xué)生專業(yè)和志愿開展項(xiàng)目組的組建，采用業(yè)余時(shí)間資料查閱和集中分組項(xiàng)目討論等方法開展系統(tǒng)綜合仿真知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃/方案擬定（見圖4）。

再者，通過指導(dǎo)老師與實(shí)驗(yàn)學(xué)生面詢的方式，開展實(shí)驗(yàn)計(jì)劃分析與確認(rèn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的方向進(jìn)行把控、技術(shù)問題和難點(diǎn)進(jìn)行突破，從而形成完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

然后，在老師微信指導(dǎo)下學(xué)生開展自主完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的模型搭建、系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)處理、理論提煉和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等工作（見圖5）。

最后，指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，前期實(shí)驗(yàn)集中授課出勤與實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程互動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃面詢情況三方面，開展本課程考核。

通過教學(xué)設(shè)計(jì)研究和實(shí)踐，《飛行器系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)課程取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生對(duì)本專業(yè)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解、實(shí)踐運(yùn)用和操作，自我學(xué)習(xí)和解決問題的能力得到了極大的提升，為后續(xù)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)以及研究生教育打下了良好的基礎(chǔ)。圖6、7、8、9、10、11是部分學(xué)生綜合仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

六、結(jié)束語

作為集中實(shí)踐環(huán)節(jié)的綜合仿真實(shí)驗(yàn)課程，本課程開展教學(xué)設(shè)計(jì)與探索，完善實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫，編制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，通過課堂授課、學(xué)生實(shí)驗(yàn)計(jì)劃匯報(bào)和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，以及多元化考核評(píng)價(jià)方法，為學(xué)生適應(yīng)航空領(lǐng)域綜合信息化和自動(dòng)化發(fā)展提供實(shí)踐操作和直觀接觸。

通過近一年的課程教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果，鍛煉了學(xué)生自我學(xué)習(xí)和解決問題的能力，提高了學(xué)習(xí)積極性和效果。

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作者簡(jiǎn)介：陳杰（1982-），男，漢族，四川樂山人，博士，副教授，研究方向：航空電子系統(tǒng)，測(cè)試與故障診斷。