航空信息類專業綜合仿真實驗課程教學設計與探索

陳杰　馬存寶　張曉化　宋東　和麟

摘 ?要：現代航空正朝著機電與信息一體、控制與網絡綜合的方向發展，為了強化航空基礎理論，鍛煉工程應用能力，開展了飛行器系統綜合仿真實驗課程的教學模式設計與探索。從教學內容設計、研究型教學手段和考核模式三個方面進行研究和改革，實踐表明該改革思路能有效提升學生鉆研積極性，可以為新工科建設類似課程改革提供借鑒。

關鍵詞：新工科;航空電子;模式改革;綜合仿真

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

自動化、信息化和智能化是現代航空器發展的必然趨勢，由西北工業大學申報的“飛行器控制與信息工程”專業是教育部新增審批的唯一一個航空領域的本科專業，主要面向國家航空航天領域在飛行器控制與信息系統方面對人才的新需求。這一專業作為典型工科專業，在“新工科”建設中需要體現航空技術高速發展的深刻時代特性[1]。

為了響應新工科建設需求，本專業將“做中學”深入貫徹到課程培養方案中，設置大量課程輔助實驗/課程設計、集中實踐和專業綜合設計環節，《飛行器系統綜合仿真實驗》作為專業必修的集中實踐環節，計劃通過開展綜合仿真實驗，為學生從課程教學向畢業設計過渡提供橋梁，為學生適應航空領域綜合信息化和自動化發展提供實踐操作和直觀接觸。然而，該課程教學存在如下問題：1. 教學內容單調，與先修課程間聯系不足，在完全學分制自主選課模式下存在先修課程體系建立不完善;2. 教學模式手段不明，作為創新性集中實踐環節，與傳統實驗室教學不同，受限于實驗室條件和實驗對象特點，無法開展實物綜合仿真，需要創新教學模式和仿真手段;3. 缺乏考核模式和學生積極性調動方法，教學考核模式需要與教學模式相配合，充分考慮教學手段變化，有針對性調動學生學習興趣。

按照新工科建設要求，改變教學方法[2]，增加學生學習和鉆研積極性，本文針對飛行器系統綜合仿真實驗課程開展教學設計與探索，梳理構建飛行器系統綜合仿真實驗教學內容，通過綜合實驗與調試鍛煉學生;在做中學習理論知識，筑牢學生基礎。從教學內容設計、研究型教學手段和考核模式三個方面進行研究和改革，讓學生在動手、動腦和實踐過程中去映射和體會理論所學知識和方法，使得課程內容和體系前后主動銜接，充分實踐“做中學”的教學理念和模式，提升學生創新實踐能力。

二、實驗教學內容設計

通過教學大綱的分析，針對課程特點和培養方案前期課程理論體系，設計編列可選的系統綜合仿真實驗項目和教學內容，涵蓋飛機典型系統理論基礎、基于Matlab/Simulink和AMESim的系統建模方法、飛機系統建模編程、仿真與調試等內容要求，使學生能夠了解、學習并掌握工程領域常用的基本仿真工具，編程語言，能夠獨立使用對應仿真平臺完成系統數學建模，完成仿真程序的編寫、調試和仿真結果的處理與分析，并最終撰寫課程實驗報告。

具體實驗教學內容包括：

（一）系統建模與仿真基礎知識

通過集中課堂教學，講解系統仿真技術，系統建模方法，布置課后仿真類專著、文獻查閱和學習，目標是掌握系統建模的基本方法和思路、連續系統/離散系統基本概念，計算機系統仿真系統運行基礎，初步了解Matlab/Simulink或AMESim等工程專業常用系統建模與仿真軟件平臺工具。通過資料文獻查閱和學習，對系統綜合仿真方法有較為系統和全面認識，基本具備開展系統仿真的知識條件。

（二）飛行器系統綜合仿真項目實驗與實驗報告撰寫

設置多項可選的系統綜合仿真實驗項目，通過學生自主選擇項目，開展仿真對象資料查閱，綜合仿真實驗計劃/方案設計與研討，項目實驗和實驗報告撰寫。具體可選實驗項目包括：

1. 小型無人機飛行系統建模與仿真實驗。在小型無人機氣動參數基礎上，通過在Matlab/Simulink仿真平臺下建立三維飛行運動數學模型，搭建仿真環境，完成飛機常見運動過程的仿真和數據輸出，數據處理與分析。

2. 基于FlightGear的飛行器三維仿真演示。在Simulink仿真平臺建立仿真數據輸出和FlightGear的數據接口，通過地球坐標下經緯高的數據轉換，飛行場景的設置，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雜控制。分析經典一階/二階倒立擺數學模型，從控制角度完成倒立擺MATLAB仿真模型建立，并以所學控制理論為基礎，提出自己的復雜控制方法，并在仿真平臺上加以實現，驗證其控制效果。

4. 飛機電液作動筒的數學建模與性能仿真。分析飛機EHA機械運動過程，建立起運動數學模型，在Simulink仿真平臺下建立飛機電液作動筒仿真模型，完成調試與數據輸出;理論分析機載EHA機械運動磨損對數學模型參數的影響，并通過仿真分析和驗證這一性能變化過程[3]。

5. 基于AMESim的起落架收放過程仿真。分析液壓源驅動下起落架收放過程基本原理，在AMESim仿真平臺下搭建起落架收放過程，并針對所分析的收放過程原理，分析不同運動參數對收放過程的影響。

6. 基于AMESim的襟翼收放過程仿真。分析液壓源驅動下襟翼收放過程基本原理，在AMESim仿真平臺下搭建襟翼收放過程，并針對所分析的收放過程原理，分析不同運動參數對收放過程的影響。

三、研究型教學手段

實驗教學過程采用先集中講學，后分組實驗的原則。首先開展系統仿真方法和飛機系統相關理論基礎講解，再運用前置課程所學理論知識開展特定飛機系統的程序編寫，調試與仿真，數據分析與實驗報告撰寫（見圖1）。

1. 工程案例對象講解，了解飛機系統綜合與控制過程。飛行器系統綜合仿真主要體現系統層面和綜合過程中，選取國內外航空領域最新最熱問題作為案例講解，以分系統進行闡述，通過問題導向，給學生以充分的空間想象和發揮，讓學生事先對飛機系統綜合與控制過程有直觀了解。

2. 學生為主的項目實驗計劃交流和面詢。以教師為主導，發揮教師的組織和引導作用，開列與本實驗課程計劃開設的相關試驗項目主題，將學生劃分小組，以小組形式完成對應項目的專題學習，化被動的接收者為主動的學習者。在分組討論過程中，教師引入大量的學生思考環節，這其中最重要的就是互動，要鼓勵學生多說、多做、多討論。在各類型問題中，效果由小到大應為：設問式、是否式、開放式。但是，開放式問題的設計需要細致、精巧，要達到鼓勵學生思考-結對討論-分享（Think-Pair-Share，TPS）的目標，努力打破“2/3定律”，降低教師講課時間（TTT，Teacher Talking Time），提升學生展示和表達時間，如圖2所示。

學生通過實驗和專業系統資料素材收集、分析討論、方案計劃的擬訂，并以小組開展個人實驗規劃的面詢講解，通過最終試驗計劃和方案面詢情況完成平時成績的評定，同時鍛煉學生的實驗規劃和把控能力，讓每個學生都得到發揮自身想象力和執行力的機會。

3. 實驗項目自主開展。在前期備選項目計劃準備與交流討論基礎上，依據所查閱的項目文獻，最新研究方法和成果，引入試驗過程中，按照討論面詢所確定的試驗目標和計劃，自主開展試驗項目，通過編程、調試和數據分析等過程，形成個人實驗報告，并設立微信平臺輔助實驗教學[4-5]，通過學生與老師間，學生與學生間的離線交流討論，引導學生提高實驗過程鉆研問題，提高對課程的興趣。

四、考核模式改革

實驗課程對學生考核主要由出勤情況（20%）、實驗計劃匯報（30%）和實驗分析報告考核（50%）三部分組成（見圖3），各項考核的具體要求如下：

1. 實驗出勤（20%）。要求學生按時到課，并積極參與實驗課堂活動。

2. 實驗計劃匯報（30%）。按照上述研究型實驗教學手段，進行實驗計劃面詢效果考核，在面詢結束后組織其他同組同學的提問，由個人進行答疑，綜合匯報情況和答疑情況進行給分。

3. 專題實驗分析報告（50%）。根據前面所分配和選擇的實驗項目，開展項目專題實驗，通過編程、調試仿真和數據結果分析，完成專題實驗分析報告的撰寫，通過對實驗報告的仿真工作量、研究深度，結果等情況進行綜合評定。

五、課程改革實踐

運用上述《飛行器系統綜合仿真實驗》課程設計的教學內容，實施有針對性地教學手段，并輔以最終靈活多樣的考核模式，課程改革在本學期的實踐中取得了良好的效果。

首先，介紹了系統仿真的基本理論、方法手段和工具;并以某型戰斗機全數字化全流程虛擬設計與校核為工程案例講解了飛機系統領域綜合仿真的情況，讓學生了解了現代工業化綜合仿真的應用現狀。

其次，公布了備選綜合仿真實驗項目，按照學生專業和志愿開展項目組的組建，采用業余時間資料查閱和集中分組項目討論等方法開展系統綜合仿真知識儲備和實驗計劃/方案擬定（見圖4）。

再者，通過指導老師與實驗學生面詢的方式，開展實驗計劃分析與確認，引導學生對實驗過程中的方向進行把控、技術問題和難點進行突破，從而形成完整的實驗內容。

然后，在老師微信指導下學生開展自主完成實驗項目的模型搭建、系統仿真、數據處理、理論提煉和實驗報告撰寫等工作（見圖5）。

最后，指導老師根據學生提交的實驗報告，前期實驗集中授課出勤與實驗實施過程互動情況，實驗計劃面詢情況三方面，開展本課程考核。

通過教學設計研究和實踐，《飛行器系統綜合仿真實驗》實驗課程取得了良好的教學效果，學生對本專業所學專業知識的理解、實踐運用和操作，自我學習和解決問題的能力得到了極大的提升，為后續本科畢業設計以及研究生教育打下了良好的基礎。圖6、7、8、9、10、11是部分學生綜合仿真實驗的結果。

六、結束語

作為集中實踐環節的綜合仿真實驗課程，本課程開展教學設計與探索，完善實驗項目庫，編制實驗指導書，通過課堂授課、學生實驗計劃匯報和仿真實驗相結合的方式，以及多元化考核評價方法，為學生適應航空領域綜合信息化和自動化發展提供實踐操作和直觀接觸。

通過近一年的課程教學實踐，取得了良好的教學效果，鍛煉了學生自我學習和解決問題的能力，提高了學習積極性和效果。

參考文獻：

[1]張超，和麟，田薇，等.基于民機通信導航與雷達的專業核心課程群建設與實踐研究[J].教育教學論壇，2019，31（7）：128-129.

[2]張大良.因時而動，返本開新，建設發展新工科——在工科優勢高校新工科建設研討會上的講話[J].中國大學教學，2017（4）：4-9.

[3]薛定宇.控制系統計算機輔助設計——Matlab語言與應用[M].北京：清華大學出版社，2017.

[4]陳杰，趙志彬，馬存寶，等.適航規章與管理課程教學模式改革與設計[J].高教學刊，2019（13）：83-85.

[5]馬迅.微信平臺輔助課堂教學研究[J].電腦知識與技術，2016，12（22）：122-123.

[6]梁全，液壓系統AMESim計算機仿真進階教程[M].北京：機械工業出版社，2016.

基金項目：西北工業大學2019年“中央高校建設世界一流大學（學科）和特色發展引導專項資金”（編號：19GH0101）

作者簡介：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，測試與故障診斷。