飛行操縱理論與技術課程設計和教學方法探討

摘"要：飛行技術專業是一個綜合性、跨學科的高技術應用型專業，其主要任務是為航空運輸業培養飛行員。對于飛行技術專業學員來說飛行原理2一直沒有一個明確的課名，導致該課程教授的內容邊界模糊，同等院校的培養方案各異，進而導致該課程的授課目的不明確，取得的效果也不同。該文提出將飛行原理2命名為飛行操縱理論與技術課程的提議，將課程的重點從飛機飛行原理轉變到飛行操縱理論上，從飛機飛行力學基礎到飛行操縱技術理論，形成連貫的飛行技能知識體系，直接對接航校實際飛行訓練，為實際航校飛行訓練提供前期理論指導。該文依據飛行學員在理論學習階段的實際需求，研究該課程建設的整體思路和模塊設計，并給出預期結果。

關鍵詞：飛行原理;飛行操縱;理論與技術;課程設計;教學方法

中圖分類號：G642"""文獻標志碼：A"""""文章編號：2096-000X（2025）03-0047-05

Abstract：Flighttechnologymajorisacomprehensiveandinterdisciplinaryhigh-techapplicationorientedmajor，withthemaintaskofcultivatingpilotsfortheaviationtransportationindustry.Forflighttechnologystudents，\"FlightPrinciples2\"hasnothadaclearcoursename，resultingintheblurringoftheboundariesofthecontenttaughtbythecourse，andthetrainingprogramsofthesamecollegesaredifferent.Thispapergivestheproposaltoname\"FlightPrinciple2\"as\"FlightControlTheoryandTechnology\"，thecoursemaincontentistransferringfromflightprincipletoflightmanipulationtheory，formingacoherentflightskillknowledgesystem，whichdirectlydockingwiththeactualflighttrainingofaviationschools，andsuitableforflightstudentstouseinthetheoreticallearningstage，thenprovidepreliminarytheoreticalguidancefortheactualaviationschoolflighttraining.Accordingtotheactualneedsoftheflightstudents，thepaperstudiestheoverallideaofthecourseconstructionandmoduledesignexamples，andgivestheexpectedresults.

Keywords：flightprinciple;flightmanipulation;theoryandtechnology;coursedesign;teachingmethods

目前我國民航飛行員的來源主要有兩種渠道：一是高考直接錄用的飛行技術專業本科學生;二是社會招聘的非飛行技術專業的本科畢業生，進入航校學習的學員。通常飛行學員的培養分為四個階段：理論學習階段、航校飛行訓練階段、換照考試階段及崗前培訓階段。飛行原理[1-2]課程是飛行技術專業一門很重要的專業基礎課，課程通常分為飛行原理1和飛行原理2兩個模塊，飛行原理1課程模塊研究內容明確，就是圍繞空氣動力學基礎教學，我國“三航”院校（南京航空航天大學、北京航空航天大學和西北工業大學）也開設該方面課程，稱為空氣動力學課程;而飛行原理2課程模塊通常包括飛機飛行性能、飛機的穩定性和操縱性，以及飛機在常規和特殊條件下的操縱技術。該課程內容對應在“三航”院校的開課名為飛行力學，或者分為兩部分飛行性能和飛行品質[3-4]。然而針對于飛行性能部分，飛行技術專業學生不涉及過多的理論計算分析;對于飛行品質部分，飛行技術專業不考慮飛機的動力學分析部分。對于飛行技術專業同學來說，飛行原理2一直沒有一個明確的課名，導致該課程教授內容的邊界模糊和同等院校的培養方案各異[5-7]，各院校的學生到同一試飛場地訓練時的知識儲備是不同的，降低航校飛行培訓的效率，拖延了訓練時間。

同時，為了滿足現代飛行員的培養需求，飛行技術專業需要添加和更新一些知識模塊，例如“飛機氣動、動力和起落架布局的新知識”[8]“飛機自動駕駛儀的權限分析”[9-11]和“近期飛行空中失控案例分析”[12-15]等。雖然飛機氣動、動力和起落架布局部分在大一的飛機系統課程里面有涉及，但該課程以初步認知為目的，課堂上不涉及原理分析，不足以作為飛行操縱理論與技術課程的理論基礎;“飛機自動駕駛儀的權限分析”該模塊目前沒有理論課程涉及，甚至飛行員的飛行手冊上對該部分的原理講解得也不多，人機操縱的矛盾、人機對抗沖突是否解決是目前飛行事故的主要原因;“飛行空中失控案例分析模塊”該部分內容會有教師進行事故分析，然而飛行案例范圍寬泛，這里更應該強調的是與飛行員操縱和自動駕駛飛行相關的專題案例。基于此，本文提出將飛行技術專業基礎課飛行原理2命名為飛行操縱理論與技術[16]的設想，并就后續課程建設給出思考。

一"飛行操縱理論與技術課程的建設內容

飛行操縱理論與技術基礎課程應該以學生需求為中心，根據學生需求和教學要求，將主要內容分為：基本飛行原理知識、飛機的穩定性和操縱性、飛行的基本原理與操縱技巧、自動飛行控制系統模塊與空中飛行失控案例分析五個部分。每部分又分成若干知識點，知識點在各個模塊之間是串聯的。

（一）"典型模塊建設

飛行操縱理論與技術是在基本空氣動力學基礎上，分析了飛機的飛行性能、穩定性和操縱性，進而闡述了飛行操縱理論與技術相關的各方面知識。其四部分細化的模塊包括飛行環境和飛機布局;飛機穩態飛行、機動飛行、起飛和著陸的性能;飛機縱向、橫向和航向的穩定性和操縱性;飛機在常規和特殊條件下的操縱技術特征;飛機自動配平、自動駕駛儀和包線保護功能;飛行空中失控案例分析。整體模塊規劃如圖1所示。

與傳統的飛行原理2課程相比，本課程主要添加的模塊為基本飛行原理知識模塊、自動飛行控制系統模塊、飛行控制失控案例分析模塊，如圖1所示。基本飛行原理模塊從大氣環境、氣動布局、起落架布局、外力和狀態描述幾部分，給學員奠定飛機的整體概念和理論分析基礎;自動化的飛機有效地避免了如飛機相撞、失控等事故。但飛行管理計算機的使用帶來了新的工作方式，引入了新的人機關系和人機界面，因此添加了自動飛行控制系統和相關案例分析章節，提升學生對人工操縱與自動駕駛之間的權限意識;通過實際飛行操縱引起的空中失控案例進行分析，提高飛行學員的安全意識，增強對飛行操縱知識的融合貫通能力，培養學生的社會責任感。

（二）"關鍵知識點串聯

課程講述了與飛機飛行操縱相關的普遍規律，并給出理論分析過程，由于沒有實際上機過程，許多術語比較抽象，需要通過圖表展示，讓課程知識點連貫一致，由淺入深，呈遞進關系，有助于學生的理解和運用。另外，可以采用縱向對比和橫向對比的方法加深知識點的理解。

例如本課程在大的層次方面同步對比分析了大型噴氣式飛機和小型螺旋槳飛機的動力特性、飛行性能，以及操縱特點，使概念分類清晰，結論所屬明確;同時課程對于不同飛機類型、不同飛行條件、不同飛行階段給予細化，將概念理解貫穿于整個飛行性能、穩定性和操縱性的理論分析過程中，并在飛行操縱技術階段得以驗證。教學案例如下：圖2給出了不同類型飛機的動力特性的區別;圖3給出穩態飛行不同階段的性能參數的比較;圖4給出了橫側向交叉力矩產生的原因和分析。圖3、圖4中：在每一個平飛速度點，發動機所能提供的推力TA與平飛所需推力TR之間存在最大推力差，稱為最大剩余推力ΔT。發動機所能提供的功率PA與平飛所需功率PR之間存在最大功率差，稱為最大剩余功率ΔPmax。對于噴氣式飛機，最大剩余推力ΔTmax所對應的速度取在平飛最小阻力點C的速度VminD，最大剩余功率ΔPmax所對應的速度要大于平飛最小阻力點速度;對于螺旋槳飛機，最大剩余推力所對應的速度近似地取在平飛最小功率點B的速度VminP，最大剩余功率所對應的速度點取在平飛最小阻力點速度VminD。對應各高度上的可用推力TA曲線和平飛所需推力TR曲線在右方交點的速度為推力約束下的最大平飛速度Vmax1;可用功率曲線和平飛所需功率曲線在右方交點的速度為功率約束下的最大平飛速度Vmax2，兩者取最小值即為飛機的最大平飛速度Vmax=min{Vmax1，Vmax2}。平飛推力曲線上還可以找到在最大可用升力系數下，滿足升重平衡的最小平飛速度Vmin。

通過圖2至圖4可見，重要的知識點都是耦合多因素的，可以縱觀整個課程給予細化分析，并成為線索：例如風對起飛、爬升、巡航、下滑和著陸的影響;飛行操縱理論與技術中哪些地方強調迎角、側滑角和速度及其原因;機翼和尾翼作用的兩面性;表征狀態的各個角度變量之間的關系;不同運動模態的相互關聯;課程哪些地方把特性曲線近似呈直線等等，任何一個圍繞知識點的總結都會串聯整個課程，讓學生重新復習一次，并加深對新知識點的理解。

（三）"課內實驗科目建設

飛行操縱理論與技術課內實驗不同于后期的模擬飛行試驗和飛行訓練，需要在該階段對飛機重要的特性有更深刻的認識，是整個課程的升華。因此選擇該課程的最難點——飛機的動穩定性和飛行模態進行研究，運動穩定性是飛機本身的屬性，了解運動穩定性對飛行員操縱飛機有很重要的意義。課內實驗采用計算機語言Matlab編程的方式實現，如圖5所示。通過簡單、易懂的計算機語言編程，能夠培養學生的參數分析能力，獲得飛機穩定性的數值模擬，如圖6和圖7所示，通過飛機參數改變和飛行條件改變，直觀地獲得飛機的縱向長、短周期模態和橫側向螺旋不穩定和荷蘭滾模態，增強學員對飛機物理特性的深刻理解，為后續螺旋改出和荷蘭滾抑制操縱提供理論依據。圖6、圖7中，u為飛機的縱向速度，w為飛機的速度，θ、?和ψ分別為飛機的俯仰角、滾轉角（坡度）和偏航角，β為飛機的側滑角。

（四）"課程思政建設體系的形成

在教學思政方面，無論在問題引入，知識講解，實際應用，還是答疑環節，飛行力學基礎課程都潤物細無聲地恰當地融入了航空報國的元素，更是引用習近平總書記考察西藏林芝機場、C919終試飛的新聞凸顯了航空產業的重要性，將學生對專業課的學習跟關鍵技術的解決與民族產業的振興緊密地聯系起來，培養了學生的家國情懷，增強了航空人的責任感和自信心。

課程思政教學不僅僅局限于課堂理論的講授，更要針對理論聯系實際的問題進行解決。課程考核的重要部分并不是書后的計算題，而是考核每個人在理解飛行力學知識點時所掌握的分析問題、解決問題的能力。

飛行操縱理論與技術課程要讓每個學生都可以上講臺講解他們對知識點的課堂理解和進一步認知，如圖8所示。學生上課分享的內容既是專業課，又是必備的職業技能。學習本課程的最終目的是掌握飛行各階段的基本操縱方法，具備應對突發情況的處理能力。

航空運輸業對于中國經濟的未來發展來說很重要，因為國外航空技術的封鎖，我國航空事業正在逐步走向自主研發。飛行員是駕駛員，也有可能是試飛員，在大學期間就需要培養他們科技強國的意識，這不僅僅是為自己學習，航空人肩負的是整個國家的期盼。

二"課程建設預期結果

本門課的內容是飛行技術專業必修專業基礎課，迎合專業需求進行有針對性的課程建設勢在必行。通過課程的改革，首先讓學生具備基本飛行原理知識，掌握受力分析手段，對飛機的飛行性能進行定性分析和定量計算;進一步理解飛機的穩定性和操縱性的關系，掌握在飛行各階段的基本操縱方法;最后理解特殊條件下飛行的基本原理和操縱技巧，通過了解自動飛行操縱系統的原理和相關案例分析章節，提升學生對人工操縱與自動駕駛之間的權限意識，提高飛行學員的安全意識，增強學員對飛行知識的融合貫通掌握能力，最終目的是為實際航校飛行奠定完備和精湛的理論儲備。

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基金項目：國家自然科學基金項目“臨近空間浮空器多場耦合伺服彈性機理研究”（52175103）

第一作者簡介：陳麗（1975-），女，漢族，黑龍江寧安人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為飛行力學和飛行控制。