基于工程能力培養(yǎng)的“航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”課程建設(shè)研究

田毅 劉暢 馬世耀 史春蕾

中國民航大學(xué) 天津 300300

隨著國產(chǎn)民機型號研制、運行的促進，民機機載系統(tǒng)研制進入快速發(fā)展期。適航審定能力作為中國民航業(yè)的“四個短板”之一，適航專業(yè)型人才缺乏是一個關(guān)鍵制約因素[1]?！昂娇针娮酉到y(tǒng)設(shè)計技術(shù)”是航空器適航審定工程機載系統(tǒng)與設(shè)備適航審定方向碩士研究生學(xué)科選修課，講授典型的民用航空器航空電子系統(tǒng)、航電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、機載數(shù)據(jù)總線、軟硬件設(shè)計實現(xiàn)技術(shù)、適航要求等內(nèi)容。課程滿足工程教育對學(xué)生系統(tǒng)工程能力培養(yǎng)的需要，要求學(xué)生在掌握航空電子系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，熟悉如何進一步開發(fā)符合適航要求的復(fù)雜電子系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生對航空電子系統(tǒng)進行分析、設(shè)計和適航審定的能力，能夠獨立解決適航審定與符合性驗證方面的工程技術(shù)問題。航空電子系統(tǒng)設(shè)計能力包括航空電子系統(tǒng)設(shè)計層次抽象，系統(tǒng)功能的軟硬件劃分與構(gòu)建，系統(tǒng)的驗證、鑒定，裝機產(chǎn)品保證，系統(tǒng)研制保證。

航空電子系統(tǒng)涵蓋系統(tǒng)、安全、計算機、信息、控制等眾多學(xué)科知識，知識點較為離散，知識內(nèi)容有一定的交叉又相互獨立。在學(xué)校現(xiàn)有專業(yè)課程體系中，設(shè)置有獨立的課程，但課程內(nèi)容重點關(guān)注具體專業(yè)領(lǐng)域知識內(nèi)容的完整性，課程間缺乏主線貫穿，關(guān)聯(lián)性不強。設(shè)計工作中描述工作要求與實際的工程技術(shù)也缺乏關(guān)聯(lián)，學(xué)生難以對航電系統(tǒng)設(shè)計形成清晰的認識。另外，民航工作強調(diào)安全是底線，鑒于航空電子系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜的趨勢，對于如何將設(shè)計中安全性要求進行捕獲、落地以及實施的等知識內(nèi)容還需要加強。

課程已經(jīng)講授多年，對學(xué)生建立相關(guān)適航性設(shè)計理念發(fā)揮了重要作用，但在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)課程內(nèi)容框架需要調(diào)整，知識點需要更新，教學(xué)手段需要革新。針對當前教學(xué)過程中存在的不足，以培養(yǎng)航空電子系統(tǒng)工程設(shè)計能力為目標，開展課程建設(shè)研究。

1 課程分析

航空器適航審定工程專業(yè)是一門新興交叉學(xué)科，研究保持和提高民用航空器安全性水平的基礎(chǔ)理論、科學(xué)技術(shù)、項目管理與控制等內(nèi)容，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)，分為飛機結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動機、機載系統(tǒng)與設(shè)備三個專業(yè)研究方向。依據(jù)2021版研究生培養(yǎng)方案[2]中的課程設(shè)置，機載系統(tǒng)與設(shè)備適航審定研究方向的課程群已經(jīng)基本形成，包括“航空電子系統(tǒng)概論”“航空電氣系統(tǒng)概論”“航空器適航審定”“可靠性理論及應(yīng)用”“民機系統(tǒng)安全性設(shè)計與評估”“系統(tǒng)工程原理及應(yīng)用”“機載電子軟硬件的設(shè)計與驗證”“機載系統(tǒng)環(huán)境防護設(shè)計與驗證”“航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”“綜合化航電系統(tǒng)安全性評估技術(shù)”“飛行控制系統(tǒng)設(shè)計理論與方法”“系統(tǒng)仿真技術(shù)”等，支持航電、飛控兩個細分方向研究生培養(yǎng)，課程體系如圖1所示。其中，“航空電子系統(tǒng)概論”“航空電氣系統(tǒng)概論”是學(xué)科補修課，主要是機載系統(tǒng)概念介紹，要求非民航院校畢業(yè)生源按照細分方向進行選修。

按照國際航空認證委員會認證關(guān)于畢業(yè)要求的描述，航空專業(yè)教學(xué)要確保其畢業(yè)生擁有11種通用的能力[3]，包括：數(shù)學(xué)、科學(xué)及其他科學(xué)知識的應(yīng)用，數(shù)據(jù)分析與解釋，多學(xué)科背景團隊協(xié)作，職業(yè)道德，書面和語言溝通，終身學(xué)習(xí)意識，現(xiàn)有問題認知，專業(yè)技術(shù)、技能以及先進技術(shù)使用，在航空專業(yè)中實踐，國內(nèi)外航空環(huán)境評估，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，航空業(yè)務(wù)可持續(xù)性評估。“航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”課程針對航電細分方向起到了承上啟下的作用，依據(jù)技術(shù)發(fā)展，參考專業(yè)認證的要求，對課程內(nèi)容的建設(shè)需求如下：

(1)承接前序課程中的適航審定基礎(chǔ)知識、規(guī)章要求、審查程序，系統(tǒng)、軟件、硬件研制保證方法，環(huán)境要求等適航知識內(nèi)容，綜合多學(xué)科知識，對前序課程內(nèi)容進行整合編排并從設(shè)計實現(xiàn)的角度進行講解。

(2)支持后續(xù)課程開設(shè)，對航空電子系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)學(xué)、科學(xué)知識進行關(guān)聯(lián)，展現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析與解釋過程，突出專業(yè)技術(shù)、技能以及先進技術(shù)在系統(tǒng)研制中的應(yīng)用。

(3)支持學(xué)生科學(xué)研究工作，依據(jù)航空專業(yè)實踐，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并通過資料檢索、建模仿真、思維實驗等方式探索如何解決問題，同時培養(yǎng)學(xué)生的書面和語言溝通。

(4)突出民航業(yè)務(wù)特點，簡述當前國內(nèi)外航空產(chǎn)業(yè)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)掘當前行業(yè)的問題，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)意識以及良好的職業(yè)道德。

(5)圍繞航空安全要求，突出安全性設(shè)計技術(shù)相關(guān)內(nèi)容。

圖1 機載系統(tǒng)與設(shè)備適航審定課程體系

2 課程建設(shè)與探索

針對上述建設(shè)需求，圍繞“新工科”工程教育改革，以工程能力培養(yǎng)為目標對“航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”課程進行改革，具體內(nèi)容如下。

2.1 課程建設(shè)基本思路

以學(xué)生工程能力培養(yǎng)為目標開展課程建設(shè)，實現(xiàn)課程質(zhì)量的提升，滿足行業(yè)人才培養(yǎng)的需要。具體包括：依據(jù)學(xué)生工程能力提升過程重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容框架，從對航空電子系統(tǒng)的認知到設(shè)計技術(shù)實施再到保證技術(shù)拓展，逐漸提升學(xué)生的工程能力；結(jié)合工程應(yīng)用，對關(guān)鍵知識點從廣度和深度精心設(shè)計教學(xué)案例，加強學(xué)生對課程內(nèi)容的理解；利用學(xué)?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺改進教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 課程內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)航空器適航審定工程專業(yè)培養(yǎng)方案的安排，“航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”課程安排在第二學(xué)期開設(shè)，結(jié)合相關(guān)課程的開設(shè)，調(diào)整后的課程內(nèi)容及基本邏輯如圖2所示。

課程分為四個部分，包括基礎(chǔ)知識、設(shè)計技術(shù)、研制保證技術(shù)以及案例分析，各部分內(nèi)容是一個遞進關(guān)系?；A(chǔ)知識銜接前序課程，通過對于航空電子系統(tǒng)的基本知識、相關(guān)法規(guī)和標準，典型航空電子系統(tǒng)等內(nèi)容的講授，讓學(xué)生對航空電子系統(tǒng)有一個直觀認識；設(shè)計技術(shù)從工程實現(xiàn)的角度，通過航電系統(tǒng)的基本設(shè)計架構(gòu)及組成、航空數(shù)據(jù)總線互聯(lián)技術(shù)的講解，同時關(guān)聯(lián)其他專業(yè)技術(shù)和實現(xiàn)方法，讓學(xué)生體會到從系統(tǒng)需求如何落實到具體部件的設(shè)計實現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生對工程項目的結(jié)構(gòu)化思維能力；研制保證技術(shù)是為了保證航空電子系統(tǒng)滿足用戶航空應(yīng)用為目的，對設(shè)計保證、設(shè)計與鑒定、應(yīng)用驗證和裝機產(chǎn)品保證等各個過程中所涉及的技術(shù)和要求進行梳理，突出系統(tǒng)安全性設(shè)計與分析方法，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力；案例分析則在課程最后，通過適航取證工程案例和硬件設(shè)計實現(xiàn)工程案例，系統(tǒng)梳理前序課程內(nèi)容，鞏固學(xué)習(xí)效果。

圖2 課程教學(xué)內(nèi)容及基本邏輯

2.3 教學(xué)案例開發(fā)

“航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”課程的授課對象為航空器適航審定工程、交通運輸、機械方向的一年級碩士研究生，部分學(xué)生本科為非航空類院校，學(xué)生對于航空設(shè)計的知識體系不全面，并且絕大多數(shù)不具備工程實踐經(jīng)驗。此外，課程內(nèi)容需要貫穿適航相關(guān)的概念，比如，過程保證、適航審定要求等知識內(nèi)容抽象，學(xué)生難以理解。因此，課程需要依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)背景設(shè)置教學(xué)案例，通過案例牽引，幫助學(xué)生從已有的知識遷移到新知識，提升學(xué)習(xí)興趣。

案例按照課程的內(nèi)容系統(tǒng)開展設(shè)計，并注重課堂中引導(dǎo)學(xué)生進行思考和討論，從知識的廣度和深度兩方面進行案例開發(fā)。

(1)多學(xué)科知識融合。航空電子技術(shù)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，部分知識點字面表達不同但內(nèi)涵相同，比如，配置管理和構(gòu)型管理在民機系統(tǒng)研制中指代相同，在學(xué)習(xí)過程中容易混淆念，借助案例將多學(xué)科的知識進行貫穿。以航空中廣泛使用的ARINC 429航空數(shù)據(jù)總線接口研制為例[4]，按照航空設(shè)計標準完成一個可復(fù)用的A級知識產(chǎn)品(IP)軟核，涵蓋整個生命周期過程的關(guān)鍵活動，符合性數(shù)據(jù)編制、計劃過程、開發(fā)過程、支持過程、適航審查等知識內(nèi)容，并將管理科學(xué)、計算機仿真、電子設(shè)計與測量等多方面知識進行融合，案例涉及的知識點分為管理知識和技術(shù)知識兩部分：

a.管理知識：計劃過程中包括計劃資料編制、資料評審、計劃階段審查；需求捕獲過程中是需求管理；概念設(shè)計過程中包括設(shè)計資料編制、資料評審；詳細設(shè)計過程中包括基線、問題報告、更改控制、設(shè)計階段審查；設(shè)計實現(xiàn)過程中包括驗證報告的編制，設(shè)計追溯，確認和驗證階段審查；試生產(chǎn)過程中包括完結(jié)綜述編制、完結(jié)審查。

b.技術(shù)知識：在需求捕獲過程中開展需求編制、確認，以及使用DOORS工具管理需求；在詳細設(shè)計過程中進行硬件編碼、檢查，使用仿真工具進行功能仿真、元素分析；設(shè)計實現(xiàn)階段進行設(shè)計約束，生成位流文件，時序仿真，靜態(tài)時序分析，使用測試儀器進行板卡測試。

(2)知識縱向拓展。航空電子系統(tǒng)設(shè)計可以借鑒通用電子設(shè)計的方法，但也有自己的設(shè)計特征，如強調(diào)安全性。因此在講述設(shè)計技術(shù)時，要明確安全性設(shè)計思路和方法。以在航空、航天、鐵路中有廣泛使用的三模冗余方法為例，該方法是一種有效的系統(tǒng)加固設(shè)計方法，當一個輸出與其他兩個的輸出狀態(tài)不同時，系統(tǒng)的輸出狀態(tài)不會發(fā)生變化。在實際中，學(xué)生僅僅知道該方法，但沒有進行過系統(tǒng)的認識，使得該方法使用的效果不佳。依照基本概念、實現(xiàn)架構(gòu)、安全性分析方法、架構(gòu)改進的思路開展案例設(shè)計，如圖3所示。首先講述三模冗余的基本概念和應(yīng)用，接著講述基本的三模冗余安全性控制器結(jié)構(gòu)[5]，然后通過使用故障樹分析或馬爾科夫模型分析方法對架構(gòu)進行安全性分析，最后結(jié)合上述分析法的結(jié)果，采用系統(tǒng)機制對控制器結(jié)構(gòu)進行改進，得出帶診斷的三模冗余安全性控制器結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯。在講授過程中要提醒學(xué)生注意加固措施的實施所帶來的資源的消耗，并思考加固所帶來的費效變化。

圖3 三模冗余方法案例知識點講授思路

2.4 教學(xué)方法

由于課程知識點多、概念多的特點，課堂講授容易讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥乏味的感覺，影響教學(xué)效果。借助學(xué)校研究生部網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，將教學(xué)過程由單一課堂學(xué)習(xí)延伸至課前和課后。課前準備好視頻、電子文獻發(fā)給學(xué)生提前“暖場”，課中“抖包袱”，將準備好的評語、問題以彈幕、搶答等形式調(diào)節(jié)課堂氣氛，課后發(fā)布知識點總結(jié)并通過習(xí)題練習(xí)、測試強化學(xué)生記憶，有效提升學(xué)習(xí)效果。

結(jié)語

文章分析了“航空電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)”課程在航空器適航審定工程專業(yè)研究生培養(yǎng)中的作用，梳理了當前課程建設(shè)的需求，圍繞建設(shè)需求并且以工程能力培養(yǎng)為目標，提出了在課程內(nèi)容、教學(xué)案例開發(fā)、教學(xué)方式上的建設(shè)思路和實施方法，為其他適航專業(yè)課程建設(shè)和改革提供參考。