航空宇航類課程融入數字孿生技術的教學實踐

陳雪芹 邱實 吳凡 劉明

［摘 要］ 以哈爾濱工業大學航空宇航科學與技術學科承擔的本科生課程“航天器優化設計方法”為例，介紹了航空宇航類課程中的數字孿生教學實踐情況。結合基于項目的學習和體驗學習的方式，進行教學模式設計。在不改變課程原有教學設計框架的前提下，在部分重點教學內容中，融入數字孿生教學系統，用以輔助開展教學。通過在多維場景中進行情境體驗和探索，可以提高學生的專業認知。采用多環節累加式考核方式，并進行了教學反思。為基于數字孿生開展航空航天類專業課程建設提供參考。

［關鍵詞］ 航空宇航；數字孿生；航天器

［基金項目］ 2021年度哈爾濱工業大學本科教育教學改革研究項目“科創教學結合探索航空宇航學科新型人才培養模式”（XJG202102）；2021年度國家自然科學基金委基礎科學中心項目“高階全驅系統理論與航天器控制技術”（62188101）

［作者簡介］ 陳雪芹（1982—），女，四川廣元人，博士，哈爾濱工業大學航天學院研究員，博士生導師，主要從事航天器故障診斷與控制系統設計研究；邱 實（1990—），男，江蘇鹽城人，博士，哈爾濱工業大學航天學院副研究員，博士生導師（通信作者），主要從事航天器星務系統總體設計研究。

［中圖分類號］ G640［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）36-0140-04 ［收稿日期］ 2022-07-11

引言

隨著智能化、數字化概念在各行各業的廣泛應用，數字孿生、元宇宙等技術為航空航天領域帶來了技術變革。世界知名的IT調研與咨詢服務公司Gartner近十年來對數字孿生技術予以高度關注，通過持續調研分析發布了一系列數字孿生技術相關的報告和指南，預測了數字孿生技術未來必將全面應用于世界各行各業。我國也在2020年由工信部中國電子技術標準化研究院牽頭編寫并發布了2020年《數字孿生應用白皮書》。

在教育領域，智能化的教學手段已離不開數字孿生技術。國外例如美國加州大學、瑞士應用科技大學、芬蘭坦佩雷大學已取得了顯著的數字孿生教育應用成果［1］；國內大量學者也已逐步在機器人虛擬仿真、北斗導航實踐教學、船舶與海洋平臺設計教學等教學環節中融入了數字孿生技術［2-4］。

在航空航天領域，“數字孿生”已經開始在總體設計、智能裝配、健康管理等方面發揮越來越大的作用［5］。在總體設計方面，從多個維度進行航天器系統工程的綜合，搭建基于數字孿生的系統工程整體模型，涵蓋了從設計、工藝到裝配、試驗以及在軌運行的各個典型階段［6］。在智能裝配方面，不再局限于采用傳統的基于物理模型的試裝，而是基于實測數據搭建數字孿生模型，實現高復雜易形變航天艙段的高精度數字孿生裝配，以提高裝配性能和裝配的成功率。在健康管理方面，依靠航天器全生命周期建設，基于實測數據實時同步逼近航天器在空間環境中的狀態，在系統級的數字孿生體中引入故障模型庫和健康管理策略庫，再經過訓練實現對故障狀態的模擬，實現航天器全系統健康管理［7］。在環境試驗方面，將虛擬試驗和環境試驗深度融合，基于數字孿生和多智能體的概念，設計試驗內涵建立智能試驗管控平臺［8］。

一、教學設計

（一）課程目標

航天器優化設計是在眾多方案中確定最優方案以及如何確定最優方案的一項技術，是提高航天器設計水平的重要途徑，對實現航天器“快、好、省”的設計思想有著重要意義。本課程針對航天任務設計過程幾個主要階段的優化問題，介紹其實現途徑、問題建模以及優化求解等。同時，結合典型的航天器設計優化問題工程實例，對所采用的優化理論、算法以及應用進行講解，促進學生對優化設計方法及其實際應用的理解與掌握，增加學生的學習興趣和感性認識。

“航天器優化設計方法”是飛行器設計與工程專業的重要專業選修課，在整個專業教學中具有承上啟下的作用，在培養學生創造性思維、綜合設計能力和實踐能力方面占有重要的地位。

本課程的主要任務是通過課堂教學、課題小組作業、數字孿生教學系統實踐等環節培養學生的系統工程思維與協同優化的應用能力，使學生進一步熟悉和掌握航天器優化設計、優化方法與技術，掌握優化設計軟件的使用方法，注重在工程實踐中提高學生的綜合能力，使學生走上工作崗位后能很快進入“角色”。

課程目標對學生的能力要求如下。

課程目標1：熟悉航天器優化設計的相關程序及方法，掌握航天器優化設計的基本概念和設計方法；引導學生應用優化設計方法和優化軟件進行航天器的設計建模、分析與協同優化，逐步具有應用優化設計思維和工具解決工程實際問題的能力。

課程目標2：掌握優化設計軟件的主要功能、方法和技巧，進行獨立完成課題的基本訓練。

課程目標3：在課題小組作業研究過程中培養和鍛煉學生的研究能力、表達能力和在團隊中發揮作用的能力，以及團隊合作精神。

（二）教學模式設計

基于數字孿生的教學模式的理論基礎主要有基于項目的學習、體驗學習、從中學、態勢感知理論等［1］。本課程在過去的課程設置中，主要以基于項目的學習方式開展教學［9］。從項目入手，理論結合實踐，旨在培養一批航天領域領軍人才和創新人才?；跀底謱\生進行教學模式設計時，將基于項目的學習與數字孿生場景結合，開發了數字孿生學習系統，通過在數字孿生學習系統中的體驗學習，在多維場景中實現情境體驗和探索，可以提升學生的航天器系統認知，為航天器優化設計提供多維的學習途徑。

1.基于項目的學習。課前結合課程教學內容，以及教師所在學術團隊正在承擔的型號任務或者項目，提出幾個可執行的小型學習項目。在學生上課初期，結合學習內容，將學生分組，并對應安排學習項目。每個學習項目在數字孿生學習系統中都有對應的學習環節，學生可以通過教師結合數字孿生學習系統的講解和演示，或者親自通過情境體驗完成學習項目的學習，最終完成全課程學習。

2.體驗學習。體驗學習是一種通過自身體驗轉換進行知識創造的過程，主要包括個體體驗、反思性觀察、抽象概念化和積極實驗四個階段［1］。顧名思義，體驗學習就是通過親身體驗，在場景中通過教師講解或者親自操作獲得知識的過程。將小型學習項目與不同的數字孿生場景結合，可以達到比單純依靠基于項目的學習方式更好的學習效果。

（三）教學實施

基于數字孿生的課程教學環境如圖1所示。

以“航天器優化設計方法”課程為例，課程的主要教學內容有航天器優化設計的基本概念、航天任務分析及星座優化設計方法、航天器總體參數優化設計方法、航天器軌道優化設計方法、粒子群算法及其航天應用情況、航天器多學科設計優化方法。其中，航天任務分析及星座優化設計方法和航天器軌道優化設計方法兩部分教學內容可以結合數字孿生教學系統開展，本文以教學內容——星座優化設計方法（2學時）為例。通過視頻和電子課件講解，學生初步掌握了航天器任務分析方法、任務軌道優化設計流程、軌道設計約束條件、軌道設計的指標、特殊軌道設計、基于遺傳算法的星座優化設計等內容，在教學內容講解的最后，通過數字孿生教學系統中的實施案例分析，可以加強學生對學習內容的理解。

未結合數字孿生教學系統時，課程中實施案例分析結合STK軟件演示講解，根據給定的航天器應用目標、軌道設計指標和設計約束條件，完成某近地軌道星座優化設計，如圖2所示。如今，數字孿生教學系統將STK軟件和其他仿真軟件的數據全部導入數字孿生教學系統，教師或者學生可以基于此開展星座優化設計和案例分析，如圖3所示。數字孿生教學系統中融入了型號衛星的真實在軌數據、桌面測試數據以及孿生數據，教學時可以結合各類數據對設計內容進行實時對比和分析。

二、考核方式

采用多環節累加式考核方式，包括課堂參與情況、課題小組作業和期末考試，總評成績以百分計，滿分100分，各考核環節所占分值比例可根據具體情況進行微調。數字孿生教學系統作為課程案例實施演示的載體，學生在該教學系統中的參與情況不作為考核的環節。

（一）課堂參與情況

課程初期讓學生調研一些本課程的熱點問題，課上結合學生的專業興趣點和學生完成過的相關課程的大作業案例，設置一些軌道案例進行講解，并與學生探討優化途徑。同時，通過教學中學生評教系統反饋和課堂反應及時調整教學方案。

（二）課題小組作業

課前設置多個小組作業，根據課堂參與時學生表現出的不同專業興趣點，將學生劃分為多個小組分別開展。同時結合數字孿生教學系統需求，有的小組的作業是提供數字孿生教學系統的輸入數據，有的小組的作業是提供數字孿生的場景，為后續開展數字孿生教學實施做準備。每個小組提交一份設計報告或者數據包。考核課題小組作業時，主要考核報告的完整度、設計思路是否清晰、數據是否真實等。

三、教學反思

航空宇航技術的發展離不開工業技術的支持，航空宇航人才的培養離不開新型教學方法的實施。航空宇航類專業課程的開展必須緊跟工業信息技術的發展，防止照本宣科、閉門造車。隨著電子信息技術的大力發展，以及越來越多的商業航天企業的崛起，人工智能、大數據、數字孿生、元宇宙等技術已經在航空宇航技術的方方面面得到了快速應用與有機融合。航空宇航技術的實施已經從過去的某一個企業或者某一個研究所內部的局部研究，轉變為整個航空宇航領域結合現代新型技術方法廣泛開展的技術共享。航空宇航人才的培養從過去的工程師式的技術儲備式學習，轉變為能夠與當下新型工業信息技術快速結合的高端領軍人才培養?；跀底謱\生的教學實踐試圖將數字孿生與航空宇航類學生教學有機結合，有助于將傳統航空航天技術與現代新型工業信息技術融合，然而也需要細化學習內容，防止盲目結合，浮于表面。

參考文獻

［1］李海峰，王煒.數字孿生教育應用的教學模式探究：基于美國、瑞士和芬蘭數字孿生教育應用的案例分析［J］.現代教育技術，2021，31（7）：12-20.

［2］李福，吳益飛，孔維一，等.數字孿生趨勢下機器人虛擬仿真實驗建設［J］.實驗技術與管理，2021，38（10）：265-268+287.

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［4］袁利毫，劉旸，昝英飛，等.數字孿生船舶與課堂、實驗教學的融合探索［J］.創新創業理論研究與實踐，2022，5（1）：130-132.

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［9］王峰，陳雪芹，陳健，等.科研帶動教學、促進學生創新能力培養的教學實踐：以哈工大微納衛星學生團隊培養模式為例［J］.大學教育，2020（3）：146-148.

Teaching Practice of Aeronautical and Astronautical Courses： Taking the Course of Optimization Methods for Spacecraft Design as an Example

CHEN Xue-qin， QIU Shi， WU Fan， LIU Ming

（School of Astronautics， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： Taking the undergraduate course Spacecraft Optimization Design of aerospace science and technology of Harbin Institute of Technology as an example， this paper introduces the teaching practice of digital twins in aerospace courses. Combining project-based learning and experiential learning， the teaching model approach is designed. Without changing the teaching design framework， the digital twin teaching system is integrated into some key teaching contents. Through situational experience and exploration in multi-dimensional scenes， students professional cognition can be improved. The method of accumulative assessment is adopted， and teaching reflection is carried out. It provides a reference for the curriculum construction of aerospace majors based on digital twins.

Key words： aerospace; digital twins; spacecraft