基于工程能力培养的“航空电子系统设计技术”课程建设研究

田毅 刘畅 马世耀 史春蕾

中国民航大学 天津 300300

随着国产民机型号研制、运行的促进，民机机载系统研制进入快速发展期。适航审定能力作为中国民航业的“四个短板”之一，适航专业型人才缺乏是一个关键制约因素[1]。“航空电子系统设计技术”是航空器适航审定工程机载系统与设备适航审定方向硕士研究生学科选修课，讲授典型的民用航空器航空电子系统、航电系统体系结构、机载数据总线、软硬件设计实现技术、适航要求等内容。课程满足工程教育对学生系统工程能力培养的需要，要求学生在掌握航空电子系统基本原理的基础上，熟悉如何进一步开发符合适航要求的复杂电子系统，培养学生对航空电子系统进行分析、设计和适航审定的能力，能够独立解决适航审定与符合性验证方面的工程技术问题。航空电子系统设计能力包括航空电子系统设计层次抽象，系统功能的软硬件划分与构建，系统的验证、鉴定，装机产品保证，系统研制保证。

航空电子系统涵盖系统、安全、计算机、信息、控制等众多学科知识，知识点较为离散，知识内容有一定的交叉又相互独立。在学校现有专业课程体系中，设置有独立的课程，但课程内容重点关注具体专业领域知识内容的完整性，课程间缺乏主线贯穿，关联性不强。设计工作中描述工作要求与实际的工程技术也缺乏关联，学生难以对航电系统设计形成清晰的认识。另外，民航工作强调安全是底线，鉴于航空电子系统愈发复杂的趋势，对于如何将设计中安全性要求进行捕获、落地以及实施的等知识内容还需要加强。

课程已经讲授多年，对学生建立相关适航性设计理念发挥了重要作用，但在教学过程中也发现课程内容框架需要调整，知识点需要更新，教学手段需要革新。针对当前教学过程中存在的不足，以培养航空电子系统工程设计能力为目标，开展课程建设研究。

1 课程分析

航空器适航审定工程专业是一门新兴交叉学科，研究保持和提高民用航空器安全性水平的基础理论、科学技术、项目管理与控制等内容，关注航空器适航审定领域的科学问题和应用技术，分为飞机结构、航空发动机、机载系统与设备三个专业研究方向。依据2021版研究生培养方案[2]中的课程设置，机载系统与设备适航审定研究方向的课程群已经基本形成，包括“航空电子系统概论”“航空电气系统概论”“航空器适航审定”“可靠性理论及应用”“民机系统安全性设计与评估”“系统工程原理及应用”“机载电子软硬件的设计与验证”“机载系统环境防护设计与验证”“航空电子系统设计技术”“综合化航电系统安全性评估技术”“飞行控制系统设计理论与方法”“系统仿真技术”等，支持航电、飞控两个细分方向研究生培养，课程体系如图1所示。其中，“航空电子系统概论”“航空电气系统概论”是学科补修课，主要是机载系统概念介绍，要求非民航院校毕业生源按照细分方向进行选修。

按照国际航空认证委员会认证关于毕业要求的描述，航空专业教学要确保其毕业生拥有11种通用的能力[3]，包括：数学、科学及其他科学知识的应用，数据分析与解释，多学科背景团队协作，职业道德，书面和语言沟通，终身学习意识，现有问题认知，专业技术、技能以及先进技术使用，在航空专业中实践，国内外航空环境评估，发现问题、解决问题，航空业务可持续性评估。“航空电子系统设计技术”课程针对航电细分方向起到了承上启下的作用，依据技术发展，参考专业认证的要求，对课程内容的建设需求如下：

(1)承接前序课程中的适航审定基础知识、规章要求、审查程序，系统、软件、硬件研制保证方法，环境要求等适航知识内容，综合多学科知识，对前序课程内容进行整合编排并从设计实现的角度进行讲解。

(2)支持后续课程开设，对航空电子系统相关的数学、科学知识进行关联，展现对数据的分析与解释过程，突出专业技术、技能以及先进技术在系统研制中的应用。

(3)支持学生科学研究工作，依据航空专业实践，启发学生发现问题并通过资料检索、建模仿真、思维实验等方式探索如何解决问题，同时培养学生的书面和语言沟通。

(4)突出民航业务特点，简述当前国内外航空产业环境，引导学生发掘当前行业的问题，培养学生终身学习意识以及良好的职业道德。

(5)围绕航空安全要求，突出安全性设计技术相关内容。

图1 机载系统与设备适航审定课程体系

2 课程建设与探索

针对上述建设需求，围绕“新工科”工程教育改革，以工程能力培养为目标对“航空电子系统设计技术”课程进行改革，具体内容如下。

2.1 课程建设基本思路

以学生工程能力培养为目标开展课程建设，实现课程质量的提升，满足行业人才培养的需要。具体包括：依据学生工程能力提升过程重构教学内容框架，从对航空电子系统的认知到设计技术实施再到保证技术拓展，逐渐提升学生的工程能力；结合工程应用，对关键知识点从广度和深度精心设计教学案例，加强学生对课程内容的理解；利用学校现有网络教学平台改进教学方法，提高学生的学习兴趣。

2.2 课程内容设计

根据航空器适航审定工程专业培养方案的安排，“航空电子系统设计技术”课程安排在第二学期开设，结合相关课程的开设，调整后的课程内容及基本逻辑如图2所示。

课程分为四个部分，包括基础知识、设计技术、研制保证技术以及案例分析，各部分内容是一个递进关系。基础知识衔接前序课程，通过对于航空电子系统的基本知识、相关法规和标准，典型航空电子系统等内容的讲授，让学生对航空电子系统有一个直观认识；设计技术从工程实现的角度，通过航电系统的基本设计架构及组成、航空数据总线互联技术的讲解，同时关联其他专业技术和实现方法，让学生体会到从系统需求如何落实到具体部件的设计实现，培养学生对工程项目的结构化思维能力；研制保证技术是为了保证航空电子系统满足用户航空应用为目的，对设计保证、设计与鉴定、应用验证和装机产品保证等各个过程中所涉及的技术和要求进行梳理，突出系统安全性设计与分析方法，提高学生的综合设计能力；案例分析则在课程最后，通过适航取证工程案例和硬件设计实现工程案例，系统梳理前序课程内容，巩固学习效果。

图2 课程教学内容及基本逻辑

2.3 教学案例开发

“航空电子系统设计技术”课程的授课对象为航空器适航审定工程、交通运输、机械方向的一年级硕士研究生，部分学生本科为非航空类院校，学生对于航空设计的知识体系不全面，并且绝大多数不具备工程实践经验。此外，课程内容需要贯穿适航相关的概念，比如，过程保证、适航审定要求等知识内容抽象，学生难以理解。因此，课程需要依据教学内容，结合学生的专业背景设置教学案例，通过案例牵引，帮助学生从已有的知识迁移到新知识，提升学习兴趣。

案例按照课程的内容系统开展设计，并注重课堂中引导学生进行思考和讨论，从知识的广度和深度两方面进行案例开发。

(1)多学科知识融合。航空电子技术涉及多个学科领域，部分知识点字面表达不同但内涵相同，比如，配置管理和构型管理在民机系统研制中指代相同，在学习过程中容易混淆念，借助案例将多学科的知识进行贯穿。以航空中广泛使用的ARINC 429航空数据总线接口研制为例[4]，按照航空设计标准完成一个可复用的A级知识产品(IP)软核，涵盖整个生命周期过程的关键活动，符合性数据编制、计划过程、开发过程、支持过程、适航审查等知识内容，并将管理科学、计算机仿真、电子设计与测量等多方面知识进行融合，案例涉及的知识点分为管理知识和技术知识两部分：

a.管理知识：计划过程中包括计划资料编制、资料评审、计划阶段审查；需求捕获过程中是需求管理；概念设计过程中包括设计资料编制、资料评审；详细设计过程中包括基线、问题报告、更改控制、设计阶段审查；设计实现过程中包括验证报告的编制，设计追溯，确认和验证阶段审查；试生产过程中包括完结综述编制、完结审查。

b.技术知识：在需求捕获过程中开展需求编制、确认，以及使用DOORS工具管理需求；在详细设计过程中进行硬件编码、检查，使用仿真工具进行功能仿真、元素分析；设计实现阶段进行设计约束，生成位流文件，时序仿真，静态时序分析，使用测试仪器进行板卡测试。

(2)知识纵向拓展。航空电子系统设计可以借鉴通用电子设计的方法，但也有自己的设计特征，如强调安全性。因此在讲述设计技术时，要明确安全性设计思路和方法。以在航空、航天、铁路中有广泛使用的三模冗余方法为例，该方法是一种有效的系统加固设计方法，当一个输出与其他两个的输出状态不同时，系统的输出状态不会发生变化。在实际中，学生仅仅知道该方法，但没有进行过系统的认识，使得该方法使用的效果不佳。依照基本概念、实现架构、安全性分析方法、架构改进的思路开展案例设计，如图3所示。首先讲述三模冗余的基本概念和应用，接着讲述基本的三模冗余安全性控制器结构[5]，然后通过使用故障树分析或马尔科夫模型分析方法对架构进行安全性分析，最后结合上述分析法的结果，采用系统机制对控制器结构进行改进，得出带诊断的三模冗余安全性控制器结构以实现系统的容错。在讲授过程中要提醒学生注意加固措施的实施所带来的资源的消耗，并思考加固所带来的费效变化。

图3 三模冗余方法案例知识点讲授思路

2.4 教学方法

由于课程知识点多、概念多的特点，课堂讲授容易让学生产生枯燥乏味的感觉，影响教学效果。借助学校研究生部网络教学平台，将教学过程由单一课堂学习延伸至课前和课后。课前准备好视频、电子文献发给学生提前“暖场”，课中“抖包袱”，将准备好的评语、问题以弹幕、抢答等形式调节课堂气氛，课后发布知识点总结并通过习题练习、测试强化学生记忆，有效提升学习效果。

结语

文章分析了“航空电子系统设计技术”课程在航空器适航审定工程专业研究生培养中的作用，梳理了当前课程建设的需求，围绕建设需求并且以工程能力培养为目标，提出了在课程内容、教学案例开发、教学方式上的建设思路和实施方法，为其他适航专业课程建设和改革提供参考。