航空航天發(fā)展新階段創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式改革與實踐

羅明強 張祥林

摘? 要：面對航空航天技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)界對創(chuàng)新型高素質(zhì)人才培養(yǎng)的迫切需求，該文以“共研一架飛機”為牽引，充分發(fā)揮“北京一號”第一代航空領軍人才精神，重點針對航空航天發(fā)展新階段創(chuàng)新型人才培養(yǎng)所面臨的三大問題，依托飛行器綜合化數(shù)字實驗平臺，采用課程群聯(lián)合教學、團隊畢設等實踐形式，打通“課程—專業(yè)—學院—學?！彼膫€壁壘，深化科教融合、產(chǎn)教結(jié)合，構建跨課程/跨學院/跨學科/跨專業(yè)的聯(lián)合人才培養(yǎng)體系，推動形成航空航天發(fā)展新階段的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，為國家培養(yǎng)具備“六位一體”的新一代空天創(chuàng)新型人才。

關鍵詞：航空航天；創(chuàng)新人才；共研一架飛機；飛機總體設計；數(shù)字化平臺

中圖分類號：C961? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）20-0016-04

Abstract： Facing the urgent demand of aerospace technology development and industry for training innovative and high-quality talents， this paper takes "co-developing an aircraft" as the traction. It gives full play to the spirit of the first generation of aviation leaders of "Beijing No.1". It focuses on the three major problems facing the training of innovative talents in the new stage of aerospace development. The paper focuses on the three major issues faced by creative skill cultivation in the latest phase of aerospace development， relies on the integrated digital experiment platform of aircraft， adopts the practical forms of reciprocal teaching of course groups and teamwork， and breaks through the four barriers of "course-major-college-school"， deepens the integration of science and education and industry-education combination， and builds a joint cross-course/cross-college/cross-discipline/cross-professional talent cultivation system. It has promoted the formation of an innovative talent training model in the new stage of aerospace development and cultivated a new generation of creative talents in the air and space with "six-in-one" for the country.

Keywords： aerospace; innovative talents; co-developing an aircraft; aircraft overall design; digital platform

基金項目：教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“飛機總體設計課程數(shù)字化教學資源建設”（202102009006）；北京市高等教育學會面上課題“面向航空航天發(fā)展新階段的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式改革與實踐”（MS2022166）

第一作者簡介：羅明強（1981-），男，漢族，四川資陽人，博士，副教授，博士研究生導師，副院長。研究方向為飛行器智能化設計與決策、數(shù)字孿生等。

*通信作者：張祥林（1993-），男，漢族，河南焦作人，碩士，助理工程師。研究方向為傳感器網(wǎng)絡分布式狀態(tài)估計、時滯系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等。

隨著人工智能、虛擬現(xiàn)實、云計算等先進數(shù)字化技術飛速發(fā)展，重大戰(zhàn)略計劃對人才培養(yǎng)在隊伍規(guī)模、知識結(jié)構、能力體系提出了全新要求[1]。然而，當前面向飛行器設計的人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)仍采用傳統(tǒng)基于學科專業(yè)、批量式、規(guī)格化的傳統(tǒng)人才實踐培養(yǎng)模式，難以滿足能夠引領未來空天技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)界對創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的需求。北京航空航天大學作為新中國創(chuàng)建的第一所航空航天高等學府，曾在1958年由全校10個專業(yè)設計組經(jīng)過100天奮戰(zhàn)共同研制了新中國第一架輕型旅客機——“北京一號”，參與者中共涌現(xiàn)出6位院士，另有1位擔任了6個型號火箭總師，形成了新中國第一代又紅又專的航空航天事業(yè)杰出領軍人才。因此，在科技日益發(fā)展的今天，更應該發(fā)揚老一輩專家的航天精神，同樣以“共研一架飛機”為牽引，充分利用優(yōu)勢教學課程及科研資源，發(fā)揮各學科在飛行器設計領域的特長，深入挖掘數(shù)字化平臺優(yōu)勢，推動形成航空航天發(fā)展新階段的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。

一? 面臨的問題

（一）? 新需求牽引下學生多元化實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)受到傳統(tǒng)育人模式限制

在新需求下，傳統(tǒng)基于以理論講授為主體，學科專業(yè)、批量式、規(guī)格化的傳統(tǒng)人才實踐培養(yǎng)模式，缺乏面向真實需求背景的飛行器設計綜合訓練和創(chuàng)新實踐，缺乏創(chuàng)新型人才培養(yǎng)下師生互動、生生互動、主動創(chuàng)新的氛圍，不利于學生全局系統(tǒng)思維能力的培養(yǎng)。

（二）? 支撐創(chuàng)新實踐的先進虛擬仿真及數(shù)字化手段需補充完善

新工科的發(fā)展離不開創(chuàng)新手段。反觀當下，缺乏虛擬仿真及數(shù)字化手段的人才培養(yǎng)建設，很難支撐學生集成創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和對知識的深化理解，很難滿足能夠引領未來空天技術發(fā)展，很難在有限的課時內(nèi)同時完成基礎知識教授和創(chuàng)新實踐訓練，很難實現(xiàn)先進信息技術與人才的結(jié)合，從而影響綜合素質(zhì)與能力的復合型領軍領導人才的培養(yǎng)。

（三）? 優(yōu)勢力量分散，資源整合欠缺

目前，各學院、各學科、各課程雖然都應服務于總的人才培養(yǎng)目標，但具備優(yōu)勢資源和能力的課程/學院/學科/專業(yè)之間依然存在“孤島化”現(xiàn)象，無法形成合力，學生很難圍繞一架飛機形成系統(tǒng)的知識體系和全局思維，難以實現(xiàn)飛行器綜合性能的提高和優(yōu)化，難以通過先進軟件的應用實現(xiàn)總體設計能力的提升，造成過程效率低、可靠性差、控制效果差，單次設計循環(huán)的代價過高，設計過程和結(jié)果很難復現(xiàn)等一系列問題，同時也制約了先進軟件的應用效果[2]。

二? 現(xiàn)有基礎

（一）? 建立了具有630 m2的飛行器綜合化數(shù)字實驗平臺

平臺現(xiàn)有體系對抗仿真設備、大型客機飛行模擬器等硬件設備和CATIA Magic、飛行性能分析、工程氣動力估算等多專業(yè)領域的軟件（如圖1所示）。具備體系級、整機級和部件/子系統(tǒng)級三大子平臺，能夠解決學生創(chuàng)新實踐中多人協(xié)同、多輪次迭代、多階段推進所遇到的問題。

（二）? 飛機總體設計課程中以“共研一架飛機”牽引的創(chuàng)新改革取得成效

以課程和課程群聯(lián)合的形式，形成了學生競爭性團隊設計模式，也取得了國家級線下一流課程、國家級虛擬仿真實驗教學一流課程等成果。目前已有超400個團隊完成近1 000個飛機總體概念設計方案（如圖2所示），團隊競爭性設計模式覆蓋學院100%學生，得到工業(yè)界高度評價。

（三）? 對課程群聯(lián)合教學進行了初步探索

飛機總體設計、大型通用軟件課程，通過模式聯(lián)合、題目聯(lián)合、團隊聯(lián)合、進度聯(lián)合和資源聯(lián)合，實現(xiàn)了多種資源共享，保證了雙方設計團隊的一致性（如圖3所示）。形成了以成效為中心的項目引導式教學模式，提升學生自主學習能力、提升教學成效。

（四）? 跨學院“共研一架飛機”創(chuàng)新模式初步實踐

首屆團隊畢設共有來自4個學院的19名教師和27名學生參與，并于2022年6月圓滿結(jié)束（如圖4所示）。完成了智能協(xié)同無人機的總體方案、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和航電系統(tǒng)的初步論證，形成了飛機初步設計的規(guī)范化數(shù)字表達標準。

（五）? 與工業(yè)界建立了廣泛深入的聯(lián)系與合作

包括中國商飛在內(nèi)的工業(yè)界緊貼工業(yè)實際的建設需求和應用場景，深度參與課程教材編寫、提供學生設計競賽題目、參與學生設計方案評審，實現(xiàn)了工業(yè)和教學科研優(yōu)勢資源的綜合開發(fā)利用（如圖5所示）。

三? 新理念與舉措

以一流科教協(xié)同平臺及國家級虛擬教研室等為依托，持續(xù)開展以“共研一架飛機”為牽引的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式改革，打通“課程—專業(yè)—學院—學?！彼膫€壁壘（如圖6所示），深化科教融合、產(chǎn)教結(jié)合，構建跨課程/跨學院/跨學科/跨專業(yè)的聯(lián)合人才培養(yǎng)體系[3]。

1）對標一流，建好“飛行器綜合化數(shù)字實驗平臺”，充分發(fā)揮“飛行器綜合化數(shù)字實驗平臺”在新階段創(chuàng)新人才培養(yǎng)的紐帶和支撐作用。以“對標國際一流、結(jié)合一流課程、配置一流師資、建設一流教材、培養(yǎng)一流人才”為主要原則，應用其具有開放性的飛行器數(shù)字化協(xié)同設計環(huán)境，緊密結(jié)合科研發(fā)展方向、融合行業(yè)需求，通過改變實驗室對教學的附屬屬性，構建體系化、數(shù)字化協(xié)同設計環(huán)境，推動以科學模型和數(shù)據(jù)為核心的設計范式在飛行器設計中的應用，支撐飛行器設計相關課程實驗實踐教學，適應未來人才培養(yǎng)與技術發(fā)展變革。

2）以飛機總體設計課程為牽引，持續(xù)開展競爭性團隊設計及課程群聯(lián)合教學模式探索與實踐，打通課程壁壘，共研數(shù)字飛機1.0（概念設計）。飛機總體設計始終在飛行器研制中處于龍頭地位，但飛行器的設計離不開飛機結(jié)構設計、飛機的氣動設計、飛機性能操穩(wěn)和飛機機電系統(tǒng)設計等課程的支撐，打破課程之間的壁壘，形成各獨立課程教學相互交織，從教學模式、小組組織方式、考核方式和時間進度等維度進行聯(lián)合教學才能形成培養(yǎng)合力，提升學生綜合能力，實現(xiàn)對“共研一架飛機”的概念設計。

3）以專業(yè)課程設計課程為牽引，持續(xù)開展學院各專業(yè)聯(lián)合教學模式探索與實踐，打通專業(yè)壁壘，共研數(shù)字飛機2.0（初步設計）。在新修訂的2021級培養(yǎng)方案中，已將專業(yè)課程設計設為航空學院所有專業(yè)的必修課，學生將在飛機總體設計課程及其聯(lián)合課程中所完成的設計方案優(yōu)選的基礎上，通過聯(lián)合學院飛行器設計、流體力學、固體力學、飛行力學、人機與環(huán)境工程等專業(yè)和學科，開展優(yōu)選飛機的深化設計，牽引學生圍繞一個共同目標創(chuàng)新實踐，培養(yǎng)飛行器設計復合型人才[4]。

4）以“團隊畢業(yè)設計”為牽引，持續(xù)開展全校多學院聯(lián)合教學模式探索與實踐，打通學院壁壘，共研數(shù)字飛機3.0（詳細設計）。推進共建“數(shù)字飛機”-跨學院團隊畢設，開展沙河/學院路兩校區(qū)協(xié)同、線上線下相結(jié)合的方式開展飛行器多學科協(xié)同設計，使飛機總體協(xié)同設計平臺和各類數(shù)字化軟硬件資源得到充分利用，從而加速智能協(xié)同飛行器的總體方案以及動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和航電系統(tǒng)的初步論證，并形成飛行器概念/初步設計的規(guī)范化數(shù)字表達標準，為新階段的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供理論基礎和實踐依據(jù)。

5）以國家級虛擬教研室、全國性競賽為牽引，打通學校壁壘，實現(xiàn)成果推廣與輻射，以“共研一架飛機”帶動人才培養(yǎng)，發(fā)揮“北京一號”第一代航空領軍人才精神，以學生自主設計飛機為牽引，深挖工業(yè)界和高校界優(yōu)勢，融合我國航空工業(yè)發(fā)展的新進展、新需求、新技術，采用共商、共建、共享的協(xié)作模式，共同參與課程教材編寫、提供學生設計競賽題目、參與學生設計方案評審，實現(xiàn)工業(yè)和科研優(yōu)勢資源的綜合利用。深入推動教學基地建設等戰(zhàn)略性人才培養(yǎng)合作，促使學生感悟團隊協(xié)作和團隊拼搏精神，為國家培養(yǎng)具備“六位一體”的新一代空天創(chuàng)新型人才。

四? 創(chuàng)新型人才培養(yǎng)成果

（一）? 基于共同設計對象的專業(yè)課程群聯(lián)合模式

達到學與用的無縫連接，提升學習興趣。解決課程間部分環(huán)節(jié)或過程雷同造成的教與學的時間浪費，達到教學課時高效利用。通過課程群的協(xié)同共享，使學生知識體系更聚焦，并且能在學習中就建立起體系化的學習和實踐的思想和視角。

（二）? 以“共研一架飛機”為牽引的跨學科專業(yè)課程設計模式

依托飛行器設計、固體力學、流體力學、飛行力學、人機與環(huán)境工程等多專業(yè)聯(lián)合設計，使學生團隊在進行設計方案深入分析的同時，通過課堂展示和答辯、教師/工業(yè)界專家點評，促進設計方案得到不斷完善，提升飛機設計全局系統(tǒng)思維能力。

（三）? 以“共研一架飛機”為牽引的跨學院人才培養(yǎng)模式

通過協(xié)調(diào)組織來自航空、能源動力、自動化和電子信息等多個學院不同專業(yè)的學生進行數(shù)字飛機協(xié)同設計，完成智能協(xié)同數(shù)字飛行器設計方案基線，形成數(shù)字飛行器在各個設計階段的設計方法和標準化表達范式，并通過多屆迭代設計，實現(xiàn)方案閉環(huán)驗證。

（四）? 面向新工科人才培養(yǎng)的數(shù)字化能力手段

打造飛行器綜合化數(shù)字實驗平臺，并聯(lián)合飛行器設計與工程專業(yè)虛擬教研室，解決學生創(chuàng)新實踐中多人協(xié)同、多輪次迭代、多階段推進所遇到的問題以及設計過程中資源碎片化、難沉淀、難共享的問題。支持學生參與面向產(chǎn)業(yè)實際需求的大型客機創(chuàng)新設計實踐，在人才培養(yǎng)中實現(xiàn)教學與工程實際結(jié)合，為社會和產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)新時代高素質(zhì)人才。

五? 結(jié)束語

文章針對學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)、數(shù)字化手段欠缺、優(yōu)勢力量分散等教學問題，以“共研一架飛機”為牽引，依托飛行器綜合化數(shù)字實驗平臺，打通課程壁壘、專業(yè)壁壘、學院壁壘和學校壁壘四層壁壘，打破以理論講授為主體，學科專業(yè)、批量式、規(guī)格化的傳統(tǒng)人才實踐培養(yǎng)模式，整合優(yōu)勢資源，打造新時代“建數(shù)字平臺、研數(shù)字飛機、育創(chuàng)新人才”的人才培養(yǎng)模式。教學實踐證明，提出的教學模式改革措施可有效激發(fā)學生的學習熱情，提升了大部分學生的實踐創(chuàng)新能力。同時也彌補了創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的難點，在促進航空航天類創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面具有重要的實踐價值。

參考文獻：

[1] 吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設新工科主動適應和引領新經(jīng)濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2] 劉佳.淺談飛機總體集成設計平臺的必要性[J].信息周刊，2019（9）：1.

[3] 羅明強.以共研一架飛機為牽引的跨學科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，２０２３（２）：３８－４４．

[4] 劉戰(zhàn)合，張偉偉，羅明強.面向綜合能力提升的連通式實踐教學體系構建[J].高等教育研究學報，2021，44（2）：113-120.