面向智能制造的飛機數字化設計制造技術課程教學改革探索

摘 要：該文探討面向智能制造的飛機數字化設計制造技術課程教學改革。分析總結當前飛機數字化設計制造技術課程面臨的主要問題，包括教學內容多、學習任務繁重、授課模式單一、創新實踐能力培養不足等。提出通過重構面向智能制造的課程教學知識體系、增設基礎型和探索型實踐教學環節、實施科研項目牽引式案例教學、有機融入課程思政等四個途徑，來完善教學內容、提升教學質量、強化創新意識、拓寬學科視野、提高綜合素養并激發空天報國情懷。擬為智能制造背景下新工科專業建設和教學改革提供借鑒。

關鍵詞：教學改革；智能制造；數字化設計制造；飛機；飛行器制造工程

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）35-0141-05

Abstract： This paper explores the teaching reform of Aircraft Digital Design and Manufacturing Technology course for intelligence manufacturing. The main problems faced by the current Aircraft Digital Design and Manufacturing Technology course are analyzed and summarized， including too much teaching content， heavy learning tasks， single teaching mode， and insufficient cultivation of innovative practical ability. This paper puts forward four approaches， such as reconstructing the knowledge system of intelligent manufacturing course teaching， adding basic and exploratory practice teaching links， implementing case teaching of scientific research project， and organically integrating into curriculum ideology and politics. The purpose is to improve the teaching content， improve the teaching quality， strengthen the consciousness of innovation， broaden the field of view， improve the comprehensive quality and stimulate the feelings of serving the country. The study intends to provide a reference for constructing courses and teaching reforms in new engineering majors under the background of intelligent manufacturing.

Keywords： teaching reform; intelligent manufacturing; digital design and manufacturing; aircraft; aircraft manufacturing

隨著智能制造和工業4.0的深入研究和推廣應用，制造業不斷出現調整生產流程、優化管理結構、降低生產成本的新框架和新方法，各制造企業也面臨著采用數字化技術、發展智能化生產的挑戰。數字化設計制造技術是實現智能制造和工業4.0的基礎，是現代及未來高端產品研發不可或缺的支撐技術。飛機作為一種典型的高端機械產品，具有復雜度高、氣動外形要求嚴格、設計更改頻繁、產品構型眾多、零件材料和形狀各異、系統布置密集、零組件數量龐大等特點，研制技術難度大，是衡量一個國家科技和工業水平甚至是綜合國力的重要標志之一[1-2]。我國作為航空航天大國，于2008年和2017年分別實現了支線客機ARJ21和干線客機C919的成功首飛，切入了原由美國波音和歐洲空客壟斷的大飛機市場，對我國航空制造業的發展具有標志性意義。

在飛機的研制過程中，數字化設計制造技術一直是產品迭代更新、企業創新發展的有力工具[3]。無論是空客A380、波音B787，還是商飛C919，都深度應用了基于數字化設計制造技術的飛機創新研制模式。在北京航空航天大學等開設飛行器制造專業的高校，飛機數字化設計制造技術是一門培養學生掌握、應用、開發和研究飛機數字化設計制造方法和技術的課程，是航空宇航科學與技術學科飛行器制造工程系的核心專業課程之一，面向本科學生開設。該課程涉及專業廣、運用技術新，學生需要在有限的學時內學習和掌握的知識多、壓力大，亟需探索一套合理融洽的教學實踐體系。此外，近年來智能制造技術發展迅猛，已經在航空制造企業得到初步應用并取得顯著成效，有望推動航空制造業的智能化轉型[4]，飛機數字化設計制造技術課程需要充分考慮智能制造賦能下飛機設計制造技術的未來發展趨勢和演變模式。因此，開展面向智能制造的飛機數字化設計制造技術課程教學改革探索，為我國航空航天領域培養理論基礎扎實、創新能力突出、理想信念堅定的卓越領軍人才，無疑具有重要意義，同時也是教育工作者的使命擔當。

一 飛機數字化設計制造技術課程的教學目標和任務

飛機的數字化設計和制造是指借助計算機技術和信息技術等來輔助飛機的設計與制造，其核心是構建飛機設計和制造的數字化模型及環境。數字化設計制造是現代及未來飛機設計和制造的主要發展趨勢和實現方式，是適應新一代飛機研制需求的有效技術途徑。飛機數字化設計制造技術課程主要從系統、技術及專業開發三個方面，對飛機研制過程中的軟件技術需求、系統結構、關鍵技術及專業化開發等進行系統化介紹，旨在使學生了解飛機數字化設計和制造的基本過程及方式，掌握飛機數字化設計和制造的核心理論知識，具備熟練應用常見飛機數字化設計制造軟件的基本技能和開發相關專業化軟件工具的基本能力。

在理論知識掌握方面，通過基礎知識講授和案例教學，學生應掌握飛機數字化設計制造的基礎理論（包括實體建模、曲面建模、幾何變換、基礎有限元計算和零件數控加工等核心知識），了解飛機數字化設計制造的全過程、關鍵支撐技術及整個系統的主要構成。在實踐技能培養方面，通過數字化設計仿真實驗、虛擬裝配實驗、制造工藝實驗等實踐教學，學生應熟練使用主流數字化設計與制造軟件（如CATIA、SOLIDWORKS、ABAQUS等），能夠應用這些軟件進行飛機零部件的設計、仿真與加工規劃等，理解這些軟件功能背后的基本原理和開發思路。在綜合素質提升方面，通過項目牽引、案例分享等教學環節，學生應具備分析和解決實際工程問題的核心能力，提升團隊協作與創新意識。在多學科團隊協作中，做到理想信念堅定，責任擔當強烈，并具備過硬的綜合素養，能夠有效應對復雜的飛機設計制造挑戰。

二 飛機數字化設計制造技術課程教學存在的問題

近二十年來，中國航空制造業取得了長足進步，自主研發能力大幅提升，設計制造技術進步明顯，產業鏈不斷完善。但是，先進技術特別是智能制造技術的高速發展和迭代對專業人才的質量也提出了更高的要求，航空制造業尤其面臨創新人才儲備短缺、核心技術與自主創新能力不足、國際市場開拓困難等多方面挑戰。作為我國航空航天領域后備人才培育的重要基地，我們需要針對國家重大戰略需求，直面航空高端裝備制造面臨的挑戰，培養引領未來航空科技發展的卓越創新領軍人才。飛機數字化設計制造技術課程作為專業核心課程，與一般的基礎理論課程截然不同。該課程涉及航空工程、機械工程、計算機科學、信息技術、數學與物理等多學科的交叉融合，強調基礎理論與實踐應用的緊密結合，注重將理論知識應用于飛機的數字化設計和制造過程，是培養學生飛機設計、制造、研發和創新能力的關鍵課程之一。然而，由于課程內容涵蓋廣泛、基礎理論深刻、軟件技能要求高、應用場景復雜精密，教學過程中仍存在諸多不足，主要體現在以下幾個方面。

（一） 課程內容涵蓋廣泛，學生學習任務繁重

飛機數字化設計制造技術課程的教學面向現代及未來飛機的研制過程，涉及專業廣、運用技術新，學生需要學習和掌握的知識較多、學習壓力較大。飛機數字化設計和制造過程可以劃分為三個階段：數字化設計、數字化生產準備和數字化制造（圖1）。在數字化設計階段，通過氣動設計、結構設計、系統設計等子模塊實現飛機產品的全三維設計，為數字化生產準備階段提供數模；在數字化生產準備階段，依據三維數模和制造條件，進行飛機零部件的工藝規劃和工裝研制等，為飛機數字化制造階段提供生產條件；在數字化制造階段，依據生產條件實現飛機零部件的生產制造、系統安裝和整機的數字化裝配等，形成完整的飛機產品。在整個飛機設計制造過程中，需要一系列專業軟件的支撐，包括計算機輔助設計（CAD）軟件、計算機輔助工程（CAE）軟件、計算機輔助制造（CAM）軟件等。由此可見，該課程所涵蓋的理論、技術和系統之復雜，學生在有限的課時內學習和掌握相關知識與技能將面臨著極大挑戰。如果縮減教學內容，學生將難以形成完整的飛機數字化設計制造知識體系。因此，在確保教學系統性的前提下，如何平衡教學內容的深度與廣度以及學生學習的難易程度，成為當前飛機數字化設計制造技術課程教學中亟待解決的問題。

（二） 技術應用更新快，教學內容滯后于行業需求

技術的發展日新月異。近年來，飛機數字化設計和制造技術取得了顯著進步，然而，現有課程仍偏重理論教學，內容更新緩慢，教材略顯陳舊，導致部分教學內容滯后于行業需求[5]。為了提升飛機研制效能和增強產品競爭力，航空制造業在原有成熟技術的基礎上，積極探索并引入了包括數字孿生、3D打印、人工智能、增強現實、人機協作和綠色制造等在內的先進設計制造技術和系統（圖2），這些新技術正逐步得到應用和重視。高校作為前沿技術和理論的探索陣地，應走在技術發展的前沿。然而，教學內容滯后于行業需求，將嚴重影響學生對新一代飛機研制的理解，制約其創新實踐能力，不利于其職業發展與競爭力的提升。

（三） 授課模式單一，創新實踐能力培養不足

專業軟件和工具貫穿了飛機數字化設計和制造全流程，大幅提升了飛機產品的研制效能，是數字化技術實現的載體。以傳統講授模式的教學雖能有效夯實學生的理論基礎，卻難以鍛煉學生的專業技能和研發能力，導致學生入職主機廠所時存在適應性差、入手慢等問題。因此，迫切需要設置合適的實踐教學環節，依托科研項目和集成開發環境等來快速鍛煉學生的創新實踐能力。

圖2 飛機設計制造新技術應用與發展趨勢

三 面向智能制造的飛機數字化設計制造技術課程建設探索

（一） 調整教學大綱，重構面向智能制造的課程教學知識體系

智能制造通過集成和應用人工智能、大數據、物聯網等多種先進技術，實現制造過程的自動化、數字化和智能化。航空制造業作為高新技術和尖端制造的典型產業，近年來廣泛引入智能制造技術來優化產品研制流程、提升研制效能，在制造工藝過程優化、制造工件快速裝卸、制造現場數據采集與動態監控、物料配送等諸多方面實現了具體應用[6]。智能制造作為航空制造業的未來發展方向，面向航空航天領域的飛機數字化設計制造技術課程應重構面向智能制造的課程教學知識體系，以實現“飛機數字化設計制造技術”向“飛機智能化設計制造技術”的教學轉型（圖3），強化學生對新一代智能制造技術的理解和掌握，激發學生對基礎理論和先進技術的學習熱情與動力。

針對智能制造技術在飛機不同研制階段的應用現狀與發展趨勢，調整教學大綱，介紹智能制造賦能下的飛機數字化設計制造技術，引導學生學習、思考和創新未來飛機產品的研制模式。在飛機數字化設計教學部分，引入智能優化設計、數據驅動設計和生成式設計等概念，講解飛機典型結構或外形的智能化設計方法。在飛機數字化生產準備教學部分，介紹基于特征識別、知識推薦、虛擬仿真等技術實現的飛機零部件智能工藝規劃。在飛機數字化制造階段，引入智能工廠、異地協同、云制造、數字孿生等概念，分析飛機機身部件的智能化制造與裝配技術。

針對當前飛機數字化設計制造技術課程內容廣泛、學生學習壓力較大的問題，亟需重新梳理教學大綱。通過重組智能制造框架下的核心知識點，厘清有關知識體系的邏輯關系，提煉重點、難點和交叉點，合理平衡教學內容與課時量，積極探索以學生為中心的課堂教學模式，減輕學生負擔，提升其學習興趣。在理論教學部分，按照飛機數字化設計制造所涉及的三大關鍵技術，即計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）和計算機輔助制造（CAM），將教學內容劃分為設計、分析和制造三個模塊進行介紹，并輻射至相關軟件系統與應用部分教學。在網絡信息普及的當下，學生獲取學習資源的方式更加多樣和便捷，課堂教學應充分發揮師生近距離互動的優勢，增強理解與溝通，提高課堂教學效率。

（二） 協調優勢平臺，設計基礎型和探索型實踐教學環節

實踐教學環節是應用類課程教學不可缺少的部分。飛機數字化設計制造技術課程涉及“理論-軟件-應用”的一體化教學，單純理論教學難以讓學生充分理解和掌握飛機數字化設計制造的核心技術，有必要增加實踐教學環節[7]。實踐教學環節的設計依賴于軟硬件平臺支持，可以通過高校已有平臺或企業聯合平臺實施。以北京航空航天航天大學為例，飛機數字化設計制造技術課程的實踐環節主要依托全國重點實驗室“虛擬現實技術與系統”、工信部重點實驗室“航空高端裝備智能制造技術”、北京市重點實驗室“飛行器裝配機器人裝備”和北京市工程技術研究中心“高效綠色數控加工工藝及裝備”四個科研平臺來實施，形成高端科研平臺對實踐教學的強力支撐，實現學科資源共享、設備資源開放和人才資源互通。

依托優勢平臺，設置基礎型和探索型實踐教學環節。在基礎型實踐教學環節，講授我國工業軟件、大飛機研制的發展歷史與研究現狀，構建飛機零部件設計、分析和制造的CAD/CAE/CAM軟件實驗，讓學生掌握主流研發設計類工業軟件在飛機研制中的應用，了解工業軟件的研發思路。在探索型實踐教學環節，構建采集、測量等硬件設備的學習和實操環節，講解相關設備在飛機制造和裝配中的應用；依托多通道虛擬現實系統，創建沉浸式裝配仿真試驗，學習VR/AR技術的具體應用。實踐教學環節可以培養學生應用多學科知識來解決實際工程問題，有助于提升其跨學科綜合能力[8]。

（三） 甄選科研項目，打造以核心科研項目為引領的教學案例庫

北京航空航天大學飛行器制造工程系近年來圍繞國家重大戰略需求，開展了一系列重大重點項目攻關，在數字化設計制造領域積累了深厚的專業理論知識，榮獲了一系列成果，為本專業人才培養提供了強有力支撐。將部分科研項目和成果融入飛機數字化設計制造技術課程，通過理論知識與實際科研項目相結合的方式實施教學，不僅可以有效提升學生的學習興趣，同時也有助于培養學生解決工程問題的能力。例如：以機翼結構的一體化設計與仿真教學案例，講解參數化設計、有限元仿真、形狀設計優化相關知識； 以面向制造全過程的全要素工藝建模教學案例，介紹基于模型的定義（MBD）、本體技術、復雜產品知識建模和模型數據智能檢索等技術； 以增強現實（AR）輔助裝配和裝配狀態檢測教學案例，分析AR技術在飛機裝配中的具體應用和前景； 以基于數字孿生的發動機監測教學案例，講授數字孿生技術的核心理念及其在實時監測、預測性維護、虛擬優化和產品全生命周期管理等方面所發揮的作用； 以飛行器部件的高精度裝調教學案例，闡述加工模型的制造誤差給高精密制造帶來的挑戰以及如何借助設計、仿真和制造數據來實現高精密零部件的智能裝調。

以科研項目為牽引的案例教學能夠深化學生對理論知識的理解與掌握，使他們更迅速地洞察企業的實際需求及面臨的挑戰，為后續參與科研訓練和項目研究奠定堅實基礎。因此，構建一個素材豐富的科研項目教學案例庫，對課程教學具有重要價值。通過“強科研”推動“強教學”，并通過“強教學”促進“強科研”，實現科研與教學的協同發展。

（四） 融入思政元素，培養愛國敬業、敢于擔當、勇于創新的領軍人才

立德樹人是高校教育的根本任務，將思政元素有機融入專業課程是高校實施課程思政建設的有效途徑[9]。筆者所在的飛行器制造工程系作為我國航空航天后備力量的重要培育地，課程思政建設尤為重要，需要牢記為黨育人、為國育才的使命，培養愛國敬業、敢于擔當、勇于創新的新時代領軍人才。飛機數字化設計制造技術作為飛行器制造工程系的專業核心課程，積極融入思政元素具有現實意義，可以激發學生的愛國情懷，鼓勵學生踴躍投身國家重大戰略需求領域。

專業課程教學融入思政教育需要深入挖掘思政元素。飛機數字化設計制造技術課程面向現代和未來飛機研制，可以從以下三個途徑來挖掘思政元素：①歷史淵源。我國大飛機研制可以追溯到20世紀70年代，從運10、ARJ21到C919，歷經磨難，終于實現了干線客機的突破。通過挖掘我國大飛機的研制歷史及其蘊含的百折不撓精神，引導學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。②工匠精神[10]。飛機研制是一項極其復雜的系統工程，以C919為例，有超過100萬個零部件，涉及總體、結構、氣動、材料、制造、飛控、航電、防冰和適航等諸多內容，其成功研制離不開大國工匠精神。通過挖掘我國大飛機及各型戰機背后的英雄楷模與工匠精神（例如，殲-15研制現場總指揮羅陽同志及其攻堅克難、忘我奉獻的“羅陽精神”），鼓勵學生精益求精、追求卓越，并樹立挑戰自我、超越自我的人生信條。③家國情懷。我國航空航天事業的發展從一無所有到面向星辰大海，艱辛與榮耀并存。通過介紹我國近現代航空航天事業的發展歷程與卓越成就，激發學生的愛國情懷與民族自豪感。

四 結束語

隨著智能制造技術的快速發展及其在航空制造業的廣泛應用，高校飛機數字化設計與制造技術課程的教學內容和體系面臨著新的挑戰與機遇。本文針對當前飛機數字化設計制造技術課程面臨的學習任務繁重、教學落后實際、創新實踐能力弱等問題，提出面向智能制造的課程教學改革探索，從調整教學大綱、增設創新實踐環節、打造科研項目教學案例庫和融入課程思政等四個途徑來開展新課程建設，探索從“飛機數字化設計制造技術”向“飛機智能化設計制造技術”的教學轉型。這些教學改革措施不僅有助于完善學生的基礎知識體系，拓寬學科視野，提升創新意識，激發空天報國情懷，還能有效培養學生的問題洞察力、團隊協作能力及解決實際問題的能力，為其職業發展奠定堅實基礎。

參考文獻

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