人工智能+新工科背景下航空發動控制專業教學改革

馬靜，緱林峰，韓小寶，鄭華

（西北工業大學 動力與能源學院，陜西 西安）

一 引言

“新工科”是指在傳統工科的基礎上，與新興產業相對應的專業，如人工智能、機器人、智能制造、云計算等；以及對傳統工科專業的升級改造[1]。從2017年教育部發布了《教育部高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》起，為推進“新工科”的建設與發展，深化新時代工程教育改革，國內各高校開展了大量的與“新工科”相關的實踐與研究[2-4]。

目前國內大學的學科專業設置中，已逐步將計算機技術、電子技術類、控制技術、網絡與信息安全、新能源、新材料等專業納入“新工科”的范疇；這些 “新工科”專業的設置更強調學科的交叉性、實用性與綜合性，尤其注重新技術、新理論、新成果與傳統工業技術的緊密結合，可以說是對傳統工科的升級改造。

同時，隨著人工智能理論的發展，其在社會經濟與科技發展中發揮著日益重要的作用，教育也在從方方面面去適應人工智能帶來的沖擊。目前，人工智能已進入與產業深度融合發展的新階段，必然推動著新工科背景下人才培養方向的轉變——智能化、自動化和類人化等成為新目標；這也必然影響新工科的學科重新布局，意味著新工科某些學科專業的生成或消失，同時也促進新工科各學科專業的發展或融合。航空發動機是“飛機的心臟”，被譽為現代工業“皇冠上的明珠”。航空發動機技術涉及現代科技和工程的許多專業領域,集流體力學、固體力學、熱力學、燃燒學、材料學、控制理論、電子技術、計算機技術等學科最新成果的應用為一體，對促進國家裝備制造業發展和提升綜合國力起著引領作用。航動機控制系統從20世紀40年代的機械液壓燃油控制系統，經歷了模擬電子控制階段、模擬和數字電子控制階段、全權限數字電子控制(FADEC)階段等；航空發動機控制系統將向智能控制、主動控制和分布控制的方向發展，航發動機的智能化將成為未來總體目標。尤其是“兩機”重大專項的實施和中國航空發動機集團的成立，加快了實現航空發動機自主研發和制造生產，也為航空發動機控制發展的提供了新的契機。

因此，新形勢下對于航空發動機控制專業人才培養也提出了新的要求，基于人工智能的教學體系、教學模式及實踐模式改革勢在必行，這也是高校建設“雙一流”的發展要求。

本論文在理清人工智能+新工科的概念、內涵、特點，及與本科生教育的關系等基本問題的基礎上，研究人工智能背景下航空發動機控制專業的教學新模式[5-6]、新方法，構建基于人工智能和大數據的、以學生為中心的新工科課程體系，從教學內容、教學方法、考核模式、創新實驗[7-8]等方面進行改革，探索人工智能背景下的混合式教學方法，初步研究在智能選課方面的應用。

二 傳統航空發動機控制專業存在的問題

傳統航空發動機制專業由于專業特點和教學條件的限制，注重于基礎理論知識的傳授，在教學中存在以下問題：

（1）因為早期的航空發動機教學以軍用飛機為主，受到資料保密的限制，專業教學體系更新慢，教學內容相對陳舊；并側重于理論教學，沒有完全體現理論與實踐的結合。

（2）由于傳統專業劃分的限制，對于航空發動機控制這種多學科交叉方向，通常都是劃分在控制大類中，教學中以控制理論的課程體系為主，使得被控對象航空發動機和控制理論成為兩張皮，沒有體現航空發動機控制的特色和特點。

（3）在教學內容上，航空發動機制專業相關前沿知識不系統，教學內容相對于學科發展與應用有一定滯后；沒有體現新工科和人工智能的影響。

（4）教學中缺乏適合本科生的新的教學方法，課堂講授過多過細，留給學生獨立思考的空間和時間少；翻轉式、混合式、分層次等新的教學方式使用較少，科研訓練參與度小，未能因材施教，不能使學生最大限度地發揮創造性。

（5）課程的考核方法比較單一，以知識的掌握為主，對能力考核有限，不能完全體現教學效果，也缺乏對學生學習的促進和引導作用。

（6）現有教學手段以多媒體教學為主，網絡化在教學中使用程度較低，實物演示實驗少，學生專業的整體認知度低，對后續畢業論文、課題研究不利。

（7）實踐教學環節以驗證實驗為主，沒有充分發揮融合工程實踐、產教結合和創新創業的實踐教學的作用。

這些問題嚴重地阻礙了新工科、人工智能對航空發動機控制專業教學的影響和應用，阻礙現有教學質量的提高。

三 人工智能背景下的航空發動機控制專業教學改革方案

教學改革從研究“人工智能+新工科”建設的基本特征出發，借鑒國外高校把創新教育和工程教育相融合的實踐經驗和研究成果，從“人工智能+新工科”背景下建設本科生教育的概念出發，研究將“人工智能+新工科”理念融入到航空發動機控制本科生教育、教學的路徑、方法及其重要作用；以“人工智能”概念下的航空發動機控制專業本科生教學、考核及實踐模式為研究內容，重點研究如何將人工智能相關的理論及課程建設融入到傳統的專業培養方案中，使兩者能夠無縫銜接；把發展學生的創新思維、創業意識和創造能力作為人工智能背景下“新工科”人才培養的目標和標準，在教學模式上研究基于“雨課堂”、MOOC等的混合教學模式和多元化考核模式，以更好地適應新航空發動機控制專業對相關應用型人才的要求。航空發動機控制專業教學改革方案如圖1所示。

圖1 教學改革的總體方案

四 人工智能背景下的航空發動機控制專業教學改革內容

（一） 更新人工智能+新工科背景下航空發動機控制專業教學特點

根據研究團隊近些年的研究成果和學科發展前沿，分析了航空發動機控制的發展趨勢，獲得了人工智能+新工科背景下航空發動機控制專業學生的培養需求和教學特點——“加強基礎，結合學科，注重創新，融入智能”。航空發動機控制發展趨勢與控制理論的關系如圖2所示。

圖2 航空發動機控制發展趨勢

（二） 總結人工智能與新工科的結合方式，與本科生教育的關系和特點

“新工科”的提出是本科教學工程化的激勵因素，為工程教育理論和實踐的探索改革提供了全新的視角。通過對“新工科”人才培養目標定位、基本內涵、培養模式、質量標準及評價等方面的研究，為國家或學校新工科建設和實踐提供決策。

要把人工智能全面、深入地融入到“新工科”建設中，首先要創新學科和專業建設的理念與實踐過程；然后在開發以“人工智能+新工科”為導向課程的基礎上，從人工智能專業基礎知識和人工智能共性技術兩個方面建設“人工智能+新工科”的新課程體系；再針對學生教學和培養階段的不同特點，細化并扎實推進本科生的創新培養工作。因此，從發展“新工科”的戰略高度出發，系統地規劃基于人工智能的學科和專業，并積極發展以人工智能為基礎的交叉學科和專業，努力培養具有與人工智能技術相關的研發和應用新型人才。

（三） 構建航空發動機控制專業新工科課程體系

工科專業課程設置一般按照本科教學規律分為通識通修課程、學科基礎課程、專業核心課程、專業選修課程、綜合實踐課程等。對人工智能和新工科背景下的航空發動機控制專業課程建設進行研究規劃，明確所需基礎、專業支撐和課程內容；對人工智能背景下的新工科航空發動機控制專業課程體系及人工智能為基礎的實踐平臺進行設計，重點從通識通修課程、專業骨干課程、專業前沿課程和工程實踐類課程四個層面融入人工智能的思想和理論構建人工智能+新工科課程體系。使學生從基本認知、興趣培養、思想了解、理論學習、方法掌握、實踐操作幾個方面逐步培養關于人工智能及學科專業的特點、優勢和發展趨勢，既能立足于當前的學習，又能兼顧將來的專業發展和新知識的不斷更新。由此形成滾動動態發展的課程知識體系。

（四） 開展適合新工科下航空發動機控制專業混合式教學方法

“雨課堂”是一款基于微信和PowerPoint的教學軟件，既可以在手機上使用，也可以在電腦上使用。雨課堂的突出特點在于能夠覆蓋課前-課上-課后的每一個教學環節，課前教師可以通過該軟件將含 MOOC資源、視頻、語音和習題的預習課件提前推送到給學生，學生可以用手機及時和老師互動反饋；在課堂教學中，該軟件除提供內容豐富的多媒體教學課件外，也可完成課堂簽到、實時答題、彈幕互動、紅包獎勵、教學效果反饋等；課后除復習內容外，還可以為師生提供完整、立體的數據支持，包含個性化教學效果報表、教學任務提醒等，提高教與學的興趣和效果。

以“雨課堂”為核心構建航空發動機控制專業課程的混合式教學模式，由課前導學（線上自主學習）、課堂重點和難點講解（基于雨課堂線下實時講授+線上深度討論）、課后深入復習（線上指導復習）、各個環節的過程性考核等方式構成，使傳統的“教師教授為主”的教學模式向以“學生自主學習為主”的教學模式轉變。因此，教師借助以“雨課堂”為核心的現代化教學工具引導和激發學生的學習，充分利用教學各個階段的特點和優勢，結合多種教學手段和方法以期實現最優化教學。混合式教學模式框架如圖3所示。

圖3 課程混合式教學模式框架設計

（五） 開展融合工程實踐、產教結合和創新創業的新航空發動機控制專業的創新實驗教學

將人工智能的最新概念始終貫穿在航空發動機控制專業的課程體系中，通過不同類型的實驗培養學生的不同能力；以興趣培養為導向，以知識面拓寬為方向，以動手實踐能力、主動學習能力和創新能力提高為目標；并初步具備開展獨立研究的能力，能將課堂教學、課程設計、校內實驗和校外企業實習相互結合。除正常實驗課程外，鼓勵學生參加各鐘類型的創新、創業競賽；同時，學生可以組隊參加科研見習、高峰體驗計劃等實踐項目進入科研實驗室，由相關研究方向的教師為學生指引道路，使學生早日融入教師的科研團隊中去；通過一定科學研究的開展，提高學生的團隊合作能力、動手實踐能力和科技創新能力。

（六） 新航空發動機控制專業本科生多元化考核模式

適當的考試有利于教師準確、及時地掌握學生學習情況，不斷改進教學內容和教學方法，提高教學水平；也有利于調動學生學習的積極性和主動性。多樣化的考核形式能考查出學生的真實素質和能力，除傳統的線下筆試（含閉卷考試、開卷考試）外，可采用口試、平時課后作業、課堂練習、單元測驗、期中測驗、課堂辯論、專題研討、團隊作業、課程設計、實驗實習報告等多種考核形式，注重評價總結和效果反饋，使學生及時了解自己的學習狀況，提高學習興趣。最終實現以考促教、以考促學的目的，達到考核類型多樣化、考核內容全面化、考核過程全程化。

（七） 初步探索智能控制理論構建航空發動機控制專業本科生智能選課系統

神經網絡作為人工智能的核心內容之一，由大量處理單元互聯組成的非線性、自適應信息處理系統。結合航空發動機控制專業特點，選取學生已學課程和新工科專業需求等多參數作為輸入元素，選取你選擇課程作為輸出，初步實現智能選課；這樣利用神經網絡模式識別可構建本科生智能選課系統，利用MATLAB構建人機界面，實現人工智能+新工科環境下不斷更新的智能選課GUI系統。初步思路如圖4所示。根據基于人工智能的新工科背景下航空發動機控制專業特點，選取合適的輸入、輸出元素，利用神經網絡、模式識別構建本科生智能選課系統，初步探索人工智能在教學實踐中的應用。

圖4 智能選課平臺思路

五 結語

高校教學既要體現學科專業特點，也要緊跟時代科技和行業發展已成為引導趨勢。根據目前航空發動機控制行業的發展狀況，結合人工智能+新工科背景下對于已有工科專業的影響，預測了航空發動機控制專業的未來發展趨勢；重點分析此背景下航空發動機控制在內容、結構等方面的變化和本科生教育的變化，認真梳理本專業人才的核心素養。依據新工科學生培養的新質量標準，構建專業教學體系和智能選課系統，采用多種結合專業特色的教

學模式和手段，理論與實踐緊密結合，使培養的學生具有解決復雜工程問題能力、具備創造能力和終身學習的能力。