航空信息类专业综合仿真实验课程教学设计与探索

2021-06-15陈杰马存宝张晓化宋东和麟

高教学刊 2021年7期

陈杰　马存宝　张晓化　宋东　和麟

摘要：现代航空正朝着机电与信息一体、控制与网络综合的方向发展，为了强化航空基础理论，锻炼工程应用能力，开展了飞行器系统综合仿真实验课程的教学模式设计与探索。从教学内容设计、研究型教学手段和考核模式三个方面进行研究和改革，实践表明该改革思路能有效提升学生钻研积极性，可以为新工科建设类似课程改革提供借鉴。

关键词：新工科;航空电子;模式改革;综合仿真

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）07-0082-05

Abstract： Modern aviation is developing in the direction of mechatronics and information integration， control and network integration. To strengthen the basic theory of aviation and improve the ability of engineering application， the teaching mode design and exploration of aircraft integrated simulation experimental course are carried out， which is studied and reformed from the three aspects of teaching content design， research-oriented teaching methods and assessment mode. The practices results show that the reform idea can effectively promote the enthusiasm of students and provide references for the emerging engineering construction similar courses reform.

Keywords： emerging engineering; avionics; mode reform; comprehensive simulation

一、概述

自动化、信息化和智能化是现代航空器发展的必然趋势，由西北工业大学申报的“飞行器控制与信息工程”专业是教育部新增审批的唯一一个航空领域的本科专业，主要面向国家航空航天领域在飞行器控制与信息系统方面对人才的新需求。这一专业作为典型工科专业，在“新工科”建设中需要体现航空技术高速发展的深刻时代特性[1]。

为了响应新工科建设需求，本专业将“做中学”深入贯彻到课程培养方案中，设置大量课程辅助实验/课程设计、集中实践和专业综合设计环节，《飞行器系统综合仿真实验》作为专业必修的集中实践环节，计划通过开展综合仿真实验，为学生从课程教学向毕业设计过渡提供桥梁，为学生适应航空领域综合信息化和自动化发展提供实践操作和直观接触。然而，该课程教学存在如下问题：1. 教学内容单调，与先修课程间联系不足，在完全学分制自主选课模式下存在先修课程体系建立不完善;2. 教学模式手段不明，作为创新性集中实践环节，与传统实验室教学不同，受限于实验室条件和实验对象特点，无法开展实物综合仿真，需要创新教学模式和仿真手段;3. 缺乏考核模式和学生积极性调动方法，教学考核模式需要与教学模式相配合，充分考虑教学手段变化，有针对性调动学生学习兴趣。

按照新工科建设要求，改变教学方法[2]，增加学生学习和钻研积极性，本文针对飞行器系统综合仿真实验课程开展教学设计与探索，梳理构建飞行器系统综合仿真实验教学内容，通过综合实验与调试锻炼学生;在做中学习理论知识，筑牢学生基础。从教学内容设计、研究型教学手段和考核模式三个方面进行研究和改革，让学生在动手、动脑和实践过程中去映射和体会理论所学知识和方法，使得课程内容和体系前后主动衔接，充分实践“做中学”的教学理念和模式，提升学生创新实践能力。

二、实验教学内容设计

通过教学大纲的分析，针对课程特点和培养方案前期课程理论体系，设计编列可选的系统综合仿真实验项目和教学内容，涵盖飞机典型系统理论基础、基于Matlab/Simulink和AMESim的系统建模方法、飞机系统建模编程、仿真与调试等内容要求，使学生能够了解、学习并掌握工程领域常用的基本仿真工具，编程语言，能够独立使用对应仿真平台完成系统数学建模，完成仿真程序的编写、调试和仿真结果的处理与分析，并最终撰写课程实验报告。

具体实验教学内容包括：

（一）系统建模与仿真基础知识

通过集中课堂教学，讲解系统仿真技术，系统建模方法，布置課后仿真类专著、文献查阅和学习，目标是掌握系统建模的基本方法和思路、连续系统/离散系统基本概念，计算机系统仿真系统运行基础，初步了解Matlab/Simulink或AMESim等工程专业常用系统建模与仿真软件平台工具。通过资料文献查阅和学习，对系统综合仿真方法有较为系统和全面认识，基本具备开展系统仿真的知识条件。

（二）飞行器系统综合仿真项目实验与实验报告撰写

设置多项可选的系统综合仿真实验项目，通过学生自主选择项目，开展仿真对象资料查阅，综合仿真实验计划/方案设计与研讨，项目实验和实验报告撰写。具体可选实验项目包括：

1. 小型无人机飞行系统建模与仿真实验。在小型无人机气动参数基础上，通过在Matlab/Simulink仿真平台下建立三维飞行运动数学模型，搭建仿真环境，完成飞机常见运动过程的仿真和数据输出，数据处理与分析。

2. 基于FlightGear的飞行器三维仿真演示。在Simulink仿真平台建立仿真数据输出和FlightGear的数据接口，通过地球坐标下经纬高的数据转换，飞行场景的设置，完成飞行器三维仿真演示。

3. 倒立摆控制问题的建模仿真与复杂控制。分析经典一阶/二阶倒立摆数学模型，从控制角度完成倒立摆MATLAB仿真模型建立，并以所学控制理论为基础，提出自己的复杂控制方法，并在仿真平台上加以实现，验证其控制效果。

4. 飞机电液作动筒的数学建模与性能仿真。分析飞机EHA机械运动过程，建立起运动数学模型，在Simulink仿真平台下建立飞机电液作动筒仿真模型，完成调试与数据输出;理论分析机载EHA机械运动磨损对数学模型参数的影响，并通过仿真分析和验证这一性能变化过程[3]。

5. 基于AMESim的起落架收放过程仿真。分析液压源驱动下起落架收放过程基本原理，在AMESim仿真平台下搭建起落架收放过程，并针对所分析的收放过程原理，分析不同运动参数对收放过程的影响。

6. 基于AMESim的襟翼收放过程仿真。分析液压源驱动下襟翼收放过程基本原理，在AMESim仿真平台下搭建襟翼收放过程，并针对所分析的收放过程原理，分析不同运动参数对收放过程的影响。

三、研究型教学手段

实验教学过程采用先集中讲学，后分组实验的原则。首先开展系统仿真方法和飞机系统相关理论基础讲解，再运用前置課程所学理论知识开展特定飞机系统的程序编写，调试与仿真，数据分析与实验报告撰写（见图1）。

1. 工程案例对象讲解，了解飞机系统综合与控制过程。飞行器系统综合仿真主要体现系统层面和综合过程中，选取国内外航空领域最新最热问题作为案例讲解，以分系统进行阐述，通过问题导向，给学生以充分的空间想象和发挥，让学生事先对飞机系统综合与控制过程有直观了解。

2. 学生为主的项目实验计划交流和面询。以教师为主导，发挥教师的组织和引导作用，开列与本实验课程计划开设的相关试验项目主题，将学生划分小组，以小组形式完成对应项目的专题学习，化被动的接收者为主动的学习者。在分组讨论过程中，教师引入大量的学生思考环节，这其中最重要的就是互动，要鼓励学生多说、多做、多讨论。在各类型问题中，效果由小到大应为：设问式、是否式、开放式。但是，开放式问题的设计需要细致、精巧，要达到鼓励学生思考-结对讨论-分享（Think-Pair-Share，TPS）的目标，努力打破“2/3定律”，降低教师讲课时间（TTT，Teacher Talking Time），提升学生展示和表达时间，如图2所示。

学生通过实验和专业系统资料素材收集、分析讨论、方案计划的拟订，并以小组开展个人实验规划的面询讲解，通过最终试验计划和方案面询情况完成平时成绩的评定，同时锻炼学生的实验规划和把控能力，让每个学生都得到发挥自身想象力和执行力的机会。

3. 实验项目自主开展。在前期备选项目计划准备与交流讨论基础上，依据所查阅的项目文献，最新研究方法和成果，引入试验过程中，按照讨论面询所确定的试验目标和计划，自主开展试验项目，通过编程、调试和数据分析等过程，形成个人实验报告，并设立微信平台辅助实验教学[4-5]，通过学生与老师间，学生与学生间的离线交流讨论，引导学生提高实验过程钻研问题，提高对课程的兴趣。

四、考核模式改革

实验课程对学生考核主要由出勤情况（20%）、实验计划汇报（30%）和实验分析报告考核（50%）三部分组成（见图3），各项考核的具体要求如下：

1. 实验出勤（20%）。要求学生按时到课，并积极参与实验课堂活动。

2. 实验计划汇报（30%）。按照上述研究型实验教学手段，进行实验计划面询效果考核，在面询结束后组织其他同组同学的提问，由个人进行答疑，综合汇报情况和答疑情况进行给分。

3. 专题实验分析报告（50%）。根据前面所分配和选择的实验项目，开展项目专题实验，通过编程、调试仿真和数据结果分析，完成专题实验分析报告的撰写，通过对实验报告的仿真工作量、研究深度，结果等情况进行综合评定。

五、课程改革实践

运用上述《飞行器系统综合仿真实验》课程设计的教学内容，实施有针对性地教学手段，并辅以最终灵活多样的考核模式，课程改革在本学期的实践中取得了良好的效果。

首先，介绍了系统仿真的基本理论、方法手段和工具;并以某型战斗机全数字化全流程虚拟设计与校核为工程案例讲解了飞机系统领域综合仿真的情况，让学生了解了现代工业化综合仿真的应用现状。

其次，公布了备选综合仿真实验项目，按照学生专业和志愿开展项目组的组建，采用业余时间资料查阅和集中分组项目讨论等方法开展系统综合仿真知识储备和实验计划/方案拟定（见图4）。

再者，通过指导老师与实验学生面询的方式，开展实验计划分析与确认，引导学生对实验过程中的方向进行把控、技术问题和难点进行突破，从而形成完整的实验内容。

然后，在老师微信指导下学生开展自主完成实验项目的模型搭建、系统仿真、数据处理、理论提炼和实验报告撰写等工作（见图5）。

最后，指导老师根据学生提交的实验报告，前期实验集中授课出勤与实验实施过程互动情况，实验计划面询情况三方面，开展本课程考核。