飞行管理与自动飞行控制系统教学改革探索*

钟伦珑 王颖

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）

飞行管理与自动飞行控制系统教学改革探索*

钟伦珑 王颖

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）

针对“飞行管理与自动飞行控制系统”课程理论难以理解以及实验过度依赖专用设备等问题，文章基于CDIO对理论教学的内容和仿真实验的组织形式进行了改革，探讨了基于CD的理论教学改革和基于IO的仿真教学改革方式。在此基础上，综合应用基于问题的探索式教学、实例式教学和基于仿真软件的实验手段，最终通过仿真实验并以项目的形式将理论教学和仿真教学紧密联系在一起。通过对教学方法和教学手段的改革，激发学生学习兴趣的同时培养了学生的工程实践与动手能力，提高了教学质量。

飞行管理与自动飞行控制系统；CDIO；基于问题的探索式教学；仿真实验

引言

“飞行管理与自动飞行控制系统”属于我校电子信息工程类专业的主干专业课程，课程将偏重控制类的飞行控制系统和偏重电子信息类的飞行管理系统结合起来讲授，并以典型民用飞机为例分析飞行管理与自动飞行控制系统，力求使学生获得从事机务活动所需的相关专业知识。由于知识点与几乎所有的电子信息工程专业主干课程相关，所以对学生的理论和实践能力都有很高要求，同时对教师的授课也提出了高标准。

和国内外其他高校相比，我校的飞行管理与自动飞行控制系统课程有着明显的机务特色。国内有名的航空航天类院校北京航空航天大学、西北工业大学等高校均开设了与飞行控制系统相关的课程[1]。然而，这些学校的飞控系统教学主要和军机飞控系统设计相关，在民用飞机飞控系统的分析方面内容较少，同时在飞管系统的介绍方面偏弱。欧美民航能力强的国家，《飞行控制系统》是一门航空航天及其相关专业学生的必修课程[2]，在教学内容也都偏重飞控系统的设计和理论分析，而在飞行管理系统介绍较少，机务内容较少。

中国民航大学在飞管飞控维护方面积累了不少经验与资源，如航空自动化学院开发的机务维护模拟机，工程技术培训中心的飞控飞管模拟系统，然而这些资源过度依赖专用设备，在飞行管理与自动飞行控制系统课程的理论教学当中难以起到应有作用。本课改的目的就是要形成一种简单而又实用、有效将理论与实践相结合的教学模式。

一、基于CDIO的教学改革总体规划

（一）CDIO简介

CDIO工程教育模式由麻省理工学院等国际知名大学提出，是近年来在全球工程教育领域非常流行的模式。依照产品从研发到运行的一个生命周期划分，CDIO便是构思、设计、实现、运行这四个产品生命阶段的简称，CDIO工程教育模式恰恰就是以此作为载体，促使学生以主动与实践性的学习方式去探索不同课程之间有机联系。自从2008年以来，教育部就大力推动我国的CDIO工程教育模式改革[3]，并取得了良好的成绩。

（二）当前教学存在的问题及改革规划

目前飞行管理与自动飞行控制系统的课堂教学及实验中存在的问题有：1.飞控系统的理论教学多以理论分析为主，概念抽象、难以理解，而飞管系统的理论教学以功能描述为主，显得枯燥，这些都难以激发学生的学习热情，提高教学质量；2.大部分实验是验证型实验，难以加深学生对理论知识的理解和记忆，培养并开发学生解决问题的能力有限，且和后续的飞机电子系统实习重复度较高；3.现在的实验设备专用性强，需要有专门的软硬件，包括服务器，受这些因素影响，学生平时难得有机会实践。

针对在理论和实验教学中遇到的这些问题，飞管飞控课程组围绕教学内容、教学方法、实验教学及考核方法等进行了一系列的改进。为了保证课程改革的顺利实施，课程组确立了“立足现有资源，将CDIO理念贯穿理论与实验教学，改革教学手段，促教学效果提高”的课程改革方针。同时，课程组紧紧围绕大纲规定的培养目标，设计了一个如图1所示的课程教学方法改革总体规划，将课程内容分理论和实例分别进行启发引导式和实例讲解教学，并使用习题、研讨方式加深对教学内容的理解，最终用仿真实验提高对整个课程内容的理解以及提高工程能力。在此次课程教学改革中，重点实施基于CD（构思与设计）的理论教学改革和基于IO（实施与运行）的仿真实验改革，通过实施一组相互关联、互补的改革方案保证规划的顺利完成。

图1　课程教学方法改革总体规划

二、基于CD的理论教学改革

飞行管理与自动飞行控制系统课程分飞控系统和飞管系统两部分内容，分别以理论和系统实例进行讲解，共安排有12讲内容。第1-4讲和第7-8讲分别讲授飞控系统和飞管系统的理论，第5-6讲以飞控系统实例进行分析，第9-12讲讲授具体飞管系统实例的显示维护。其中第1-4讲的飞控系统理论为整个课程的难点部分，而第5-6讲和第9-12讲会在后续飞机电子系统实习中再次接触。因此在课堂教学改革环节中，主要针对理论和系统实例分别进行基于问题的探索式教学和实例讲解教学，通过引导学生对问题分析和分组构思设计、研究讨论来帮助学生形成一个清晰的飞控飞管系统概念。

（一）基于问题的探索式教学

“学生为主体，教师为主导”是现代教学的指导思想，考虑到和飞行管理与自动飞行控制系统课程相关理论部分在之前课程中都有接触，如自动控制原理、大气数据惯导系统和导航原理与系统，因此在本课程的教学过程中和理论相关的章节都采用基于问题的探索式教学方法。基于问题的探索式教学不是简单的重复已教授过的理论知识[4]，而是提出学生用已有知识就可以解决的本课程的关键问题，再加上适当的知识补充，从而形成对课程内容的形象而深入的理解。

在具体的授课过程中，当开始一个章节或引入一个新的知识点时，首先提出与该部分内容相关、用以往所学知识能解决的问题，让学生进行问题求解，任课教师视情况进行相关知识的回顾与补充，然后教师讲解、软件仿真演示解决问题。对于比较有代表性与综合性强的问题，先进行分组构思设计，鼓励学生充分利用所学知识给出自己的解决方案，然后任课教师进行讲解与软件仿真演示。对于问题求解及构思设计当中存在的问题，最后学生分组之间以及学生与教师之间就遗留问题进行讨论，力求将章节的关键问题在课堂上直接解决，具体的实施流程如图2所示。

图2　基于问题的探索式教学流程

基于问题的探索式教学的关键是在问题设计，教师所提问题应与课程内容紧密相关、容易为学生理解、能启发学生思考，同时还要考虑到CDIO环节的整体性，因此需要为后续的IO环节做相关铺垫。以本课程核心内容第2讲、第4讲为例，采用本教学方法设计的部分核心问题如表1所示，同时给出了求解问题所需回顾或补充的知识，对应CD的相应环节。

在本课程的教学实践中对第1-4讲和第7-8讲采用了基于问题的探索式教学方法，不仅激发了学生的学习兴趣，还有效培养和训练了学生的思维能力，为后续的学习及工作打好基础。

表1　基于问题的探索式教学典型问题举例

图3　实例讲解教学流程

表2　实例讲解教学举例

（二）实例讲解教学

为了更好地促进学生对机务所需知识的理解，本课程在理论教学的基础上，以典型波音和空客民用飞机机型为例分别对实际飞行管理与自动飞行控制系统进行介绍。同时，为了和飞机电子系统实习更好衔接，在此课程主要目的以形成学生对整个飞行管理与自动飞行控制系统的感性认识为主。

具体的授课过程流程如图3所示，主要步骤如下：在该章内容开始前分发相关飞机系统的ATA章节，并提出本章的核心问题，由学生课下自己通过学习ATA章节、课本知识，给出问题答案，然后在课堂上进行分组研究讨论，任课教师针对学生提出的疑难问题进行指导，学生完成章节的学习报告，最后任课教师根据学生讨论和学习报告中出现的问题给出详细的总结。

实例讲解教学的关键在于美国航空运输协会ATA章节内容的选取，ATA手册语言是英文，这对学生的英语水平是一个考验，并且本课程也涉及到众多的飞机系统，如：ATA 22自动飞行、24电源、27飞行操纵、29液压、31仪表、34导航，需要指定核心章节避免学生盲目看书，产生畏难情绪。因此在教学过程当中整理关键的专业词汇以及关键内容的划分是需要解决的问题。以本课程第5讲、第9讲为例，采用本教学方法设计的实例分析如表2所示，同时设计相关问题和给出ATA相关章节引导学生对课程内容的主动探索，最后设计对应CD相应环节的问题，为实验环节做准备。

在本课程的教学实践中对第5-6讲和第10-12讲采用了实例讲解教学方法，不仅激发了学生的学习兴趣，还有效培养和训练了学生的思维能力，为后续的学习及工作打好基础。

三、基于IO的仿真实验改革

目前实验最主要的问题在于实验设备专用性强，需要有专门的软硬件，包括服务器，受这些因素影响，学生平时难得有机会实践，任课教师也难以在课堂上演示效果，容易造成理论与实验教学在进度上不同步，往往不能让学生及时消化所学知识，甚至会造成学生不愿学的负面影响。

为了有效提高教学效果，课程组综合利用了多个计算机仿真软件开发了相关的实验项目，如学生在先期课程中接触过的Matlab/Simulink软件，以及进行飞行显示的FlighGear软件[5，6]，这些软件在个人电脑中很容易安装，因此摆脱了原有实验过度依赖专用设备的缺点。

在实验设置方面，课程组和负责机务实训的工程技术培训中心相关课程老师进行了充分讨论，最终确定将实验分为两类，一类是为了验证理论知识的课堂演示性实验，这种演示性实验安排在理论教学中，在如表1所示的核心问题答案基础上，重点演示一个仿真系统的实现运行过程，并在此过程中再次回顾相关章节问题，以加深学生对基础理论的理解；另一类是集中及课后仿真实验，这和机务实训时进行的电子系统实习有效衔接起来，要求学生在课堂演示仿真系统的基础上进行实验，并要求进行如表2所述的类似功能扩展，从而提升学生在实现运行的实践综合能力，任课教师在学生实验报告的基础上再进行问题反馈及分组进行讨论总结，基于IO的实验改革流程如图4所示。在这里，集中及课后仿真实验不再是对课堂演示性实验的简单重复，而是在理解的层次上进行再次开发深化。

图4　基于IO的实验改革流程

目前本课程的仿真实验主要针对第2-6讲进行了开发，包含典型飞行动力学仿真平台和可视化飞行仿真系统两大仿真平台，如表3所示，在回答如表1和表2的问题后，任课教师可借助此两个仿真平台在课堂上进行实现运行的演示实验，同时学生也可以在充分理解平台设计原则的基础上进行功能扩展、或其他机型的仿真实验。此种实验方式不仅有效培养学生的实践能力，而且吸引他们利用课余实践进行科学探索，尽快建立对整个飞行管理与自动飞行控制系统的认识。

表3　仿真实验项目举例

四、教学效果

在实际教学中，应用基于CDIO理念，通过仿真实验项目将理论教学和仿真教学紧密联系在一起的这种教学改革形式，已在实际教学中产生了一些良好的效果：1.学生在后期的实例讲解教学对前期的理论教学中的问题逐渐加深了认识，在后续的仿真实验中又得到了进一步的提高，学生纷纷表示有种豁然开朗、柳暗花明的感觉；2.学生通过仿真实验项目以及提高部分，增强了实际动手能力，培养了创新性，同时又达到联系前期课程内容，将理论充分应用于实践的目的；3.问题设计、实例教学和仿真项目的教学手段，以及前后呼应的教学安排，不仅提高了和任课教师的要求，同时也促进了教师与学生之间的良性循环；4.在教学改革实践的基础上，课程组开发出了比如“单轴螺旋桨悬浮系统”的CDIO高级项目，学生进行了相关实物开发，取得了良好效果。

五、结束语

“飞行管理与自动飞行控制系统”是一门极具行业特色的电子信息工程类课程，CDIO理念注重培养学生应用所学理论知识解决工程问题的能力、团队合作能力以及系统掌控能力。文章针对飞管飞控教学过程中存在的问题，结合CDIO理念，探讨了基于CD的理论教学改革和基于IO的仿真教学改革方式，最终通过仿真实验项目的形式将理论教学和仿真教学紧密联系在一起，在激发学生学习兴趣的同时培养了学生的工程能力，提高了教学质量。

[1]刘小雄，李广文，章卫国.飞行控制系统课程教学改革的若干探讨[J].高教论坛，2009（1）：47-49.

[2]Shankar P,Husman J,Wells V L,et al.Innovative Instruction for Undergraduate Aircraft Dynamics and Control[C]. American Society for Engineering Education，2011.

[3]顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012，3：24-40.

[4]White M D,Padfield G D.The use of flight simulation for research and teaching in academia[C].Proceedings of the AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference，2006:21-24.

[5]Daniel Ondris,Rudolf Andoga.Aircraft modeling using Matlab/FlightGear interface[J].ATCA Avionics,2013,27(XV): 1-6.

[6]Moness M,Mostafa A M,Abdel-Fadeel M A,et al. Automatic control education using Flight Gear and MATLAB based virtual lab[C].8th International Conference of Electrical Engineering，2012.

Many problems exist in the teaching of flight management and automatic flight control system,such as the theory which is difficult to understand and labs are over-reliance on special experimental equipment.Based on the different stages of CDIO,the organization of theory teaching and simulation of the course are reformed.In detail, CD-based teaching reform and IO-based simulation are discussed.In the reform methodology,different methods have been applied comprehensively,including problem-based exploratory teaching,examples teaching and simulation software based labs.Finally,theory teaching and lab teaching are linked closely in the form of simulation programs,and a complete CDIO project is performed.At the same time,through the reform of teaching methods and means,the students'interest is stimulated as well as CDIO engineering capabilities are cultivated.As a result,the teaching quality is improved.

Flight Management and Automatic Flight Control System;Conceive-Design-Implement-Operate; problem-based exploratory teaching;simulation

G642

A

2096-000X（2016）24-0071-04

中国民航大学实验技术创新基金2016SYCX10；2016年中国民航大学电子信息工程专业综合改革项目。

钟伦珑（1979-），男，汉族，湖南新邵，博士，讲师，研究方向：航空电子；王颖（1972-），女，汉族，河北唐山，硕士，讲师，研究方向：航空电子。