鐘倫瓏 王穎

（中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300300）

飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)教學(xué)改革探索*

鐘倫瓏 王穎

（中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300300）

針對(duì)“飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)”課程理論難以理解以及實(shí)驗(yàn)過(guò)度依賴專用設(shè)備等問(wèn)題，文章基于CDIO對(duì)理論教學(xué)的內(nèi)容和仿真實(shí)驗(yàn)的組織形式進(jìn)行了改革，探討了基于CD的理論教學(xué)改革和基于IO的仿真教學(xué)改革方式。在此基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用基于問(wèn)題的探索式教學(xué)、實(shí)例式教學(xué)和基于仿真軟件的實(shí)驗(yàn)手段，最終通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)并以項(xiàng)目的形式將理論教學(xué)和仿真教學(xué)緊密聯(lián)系在一起。通過(guò)對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐與動(dòng)手能力，提高了教學(xué)質(zhì)量。

飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)；CDIO；基于問(wèn)題的探索式教學(xué)；仿真實(shí)驗(yàn)

引言

“飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)”屬于我校電子信息工程類專業(yè)的主干專業(yè)課程，課程將偏重控制類的飛行控制系統(tǒng)和偏重電子信息類的飛行管理系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)講授，并以典型民用飛機(jī)為例分析飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，力求使學(xué)生獲得從事機(jī)務(wù)活動(dòng)所需的相關(guān)專業(yè)知識(shí)。由于知識(shí)點(diǎn)與幾乎所有的電子信息工程專業(yè)主干課程相關(guān)，所以對(duì)學(xué)生的理論和實(shí)踐能力都有很高要求，同時(shí)對(duì)教師的授課也提出了高標(biāo)準(zhǔn)。

和國(guó)內(nèi)外其他高校相比，我校的飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)課程有著明顯的機(jī)務(wù)特色。國(guó)內(nèi)有名的航空航天類院校北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校均開設(shè)了與飛行控制系統(tǒng)相關(guān)的課程[1]。然而，這些學(xué)校的飛控系統(tǒng)教學(xué)主要和軍機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)，在民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)的分析方面內(nèi)容較少，同時(shí)在飛管系統(tǒng)的介紹方面偏弱。歐美民航能力強(qiáng)的國(guó)家，《飛行控制系統(tǒng)》是一門航空航天及其相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修課程[2]，在教學(xué)內(nèi)容也都偏重飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和理論分析，而在飛行管理系統(tǒng)介紹較少，機(jī)務(wù)內(nèi)容較少。

中國(guó)民航大學(xué)在飛管飛控維護(hù)方面積累了不少經(jīng)驗(yàn)與資源，如航空自動(dòng)化學(xué)院開發(fā)的機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)，工程技術(shù)培訓(xùn)中心的飛控飛管模擬系統(tǒng)，然而這些資源過(guò)度依賴專用設(shè)備，在飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)課程的理論教學(xué)當(dāng)中難以起到應(yīng)有作用。本課改的目的就是要形成一種簡(jiǎn)單而又實(shí)用、有效將理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。

一、基于CDIO的教學(xué)改革總體規(guī)劃

（一）CDIO簡(jiǎn)介

CDIO工程教育模式由麻省理工學(xué)院等國(guó)際知名大學(xué)提出，是近年來(lái)在全球工程教育領(lǐng)域非常流行的模式。依照產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的一個(gè)生命周期劃分，CDIO便是構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行這四個(gè)產(chǎn)品生命階段的簡(jiǎn)稱，CDIO工程教育模式恰恰就是以此作為載體，促使學(xué)生以主動(dòng)與實(shí)踐性的學(xué)習(xí)方式去探索不同課程之間有機(jī)聯(lián)系。自從2008年以來(lái)，教育部就大力推動(dòng)我國(guó)的CDIO工程教育模式改革[3]，并取得了良好的成績(jī)。

（二）當(dāng)前教學(xué)存在的問(wèn)題及改革規(guī)劃

目前飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題有：1.飛控系統(tǒng)的理論教學(xué)多以理論分析為主，概念抽象、難以理解，而飛管系統(tǒng)的理論教學(xué)以功能描述為主，顯得枯燥，這些都難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量；2.大部分實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，難以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶，培養(yǎng)并開發(fā)學(xué)生解決問(wèn)題的能力有限，且和后續(xù)的飛機(jī)電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)重復(fù)度較高；3.現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備專用性強(qiáng)，需要有專門的軟硬件，包括服務(wù)器，受這些因素影響，學(xué)生平時(shí)難得有機(jī)會(huì)實(shí)踐。

針對(duì)在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的這些問(wèn)題，飛管飛控課程組圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及考核方法等進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。為了保證課程改革的順利實(shí)施，課程組確立了“立足現(xiàn)有資源，將CDIO理念貫穿理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改革教學(xué)手段，促教學(xué)效果提高”的課程改革方針。同時(shí)，課程組緊緊圍繞大綱規(guī)定的培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖1所示的課程教學(xué)方法改革總體規(guī)劃，將課程內(nèi)容分理論和實(shí)例分別進(jìn)行啟發(fā)引導(dǎo)式和實(shí)例講解教學(xué)，并使用習(xí)題、研討方式加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，最終用仿真實(shí)驗(yàn)提高對(duì)整個(gè)課程內(nèi)容的理解以及提高工程能力。在此次課程教學(xué)改革中，重點(diǎn)實(shí)施基于CD（構(gòu)思與設(shè)計(jì)）的理論教學(xué)改革和基于IO（實(shí)施與運(yùn)行）的仿真實(shí)驗(yàn)改革，通過(guò)實(shí)施一組相互關(guān)聯(lián)、互補(bǔ)的改革方案保證規(guī)劃的順利完成。

圖1　課程教學(xué)方法改革總體規(guī)劃

二、基于CD的理論教學(xué)改革

飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)課程分飛控系統(tǒng)和飛管系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，分別以理論和系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行講解，共安排有12講內(nèi)容。第1-4講和第7-8講分別講授飛控系統(tǒng)和飛管系統(tǒng)的理論，第5-6講以飛控系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行分析，第9-12講講授具體飛管系統(tǒng)實(shí)例的顯示維護(hù)。其中第1-4講的飛控系統(tǒng)理論為整個(gè)課程的難點(diǎn)部分，而第5-6講和第9-12講會(huì)在后續(xù)飛機(jī)電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)中再次接觸。因此在課堂教學(xué)改革環(huán)節(jié)中，主要針對(duì)理論和系統(tǒng)實(shí)例分別進(jìn)行基于問(wèn)題的探索式教學(xué)和實(shí)例講解教學(xué)，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題分析和分組構(gòu)思設(shè)計(jì)、研究討論來(lái)幫助學(xué)生形成一個(gè)清晰的飛控飛管系統(tǒng)概念。

（一）基于問(wèn)題的探索式教學(xué)

“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”是現(xiàn)代教學(xué)的指導(dǎo)思想，考慮到和飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)課程相關(guān)理論部分在之前課程中都有接觸，如自動(dòng)控制原理、大氣數(shù)據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)和導(dǎo)航原理與系統(tǒng)，因此在本課程的教學(xué)過(guò)程中和理論相關(guān)的章節(jié)都采用基于問(wèn)題的探索式教學(xué)方法?；趩?wèn)題的探索式教學(xué)不是簡(jiǎn)單的重復(fù)已教授過(guò)的理論知識(shí)[4]，而是提出學(xué)生用已有知識(shí)就可以解決的本課程的關(guān)鍵問(wèn)題，再加上適當(dāng)?shù)闹R(shí)補(bǔ)充，從而形成對(duì)課程內(nèi)容的形象而深入的理解。

在具體的授課過(guò)程中，當(dāng)開始一個(gè)章節(jié)或引入一個(gè)新的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，首先提出與該部分內(nèi)容相關(guān)、用以往所學(xué)知識(shí)能解決的問(wèn)題，讓學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題求解，任課教師視情況進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的回顧與補(bǔ)充，然后教師講解、軟件仿真演示解決問(wèn)題。對(duì)于比較有代表性與綜合性強(qiáng)的問(wèn)題，先進(jìn)行分組構(gòu)思設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生充分利用所學(xué)知識(shí)給出自己的解決方案，然后任課教師進(jìn)行講解與軟件仿真演示。對(duì)于問(wèn)題求解及構(gòu)思設(shè)計(jì)當(dāng)中存在的問(wèn)題，最后學(xué)生分組之間以及學(xué)生與教師之間就遺留問(wèn)題進(jìn)行討論，力求將章節(jié)的關(guān)鍵問(wèn)題在課堂上直接解決，具體的實(shí)施流程如圖2所示。

圖2　基于問(wèn)題的探索式教學(xué)流程

基于問(wèn)題的探索式教學(xué)的關(guān)鍵是在問(wèn)題設(shè)計(jì)，教師所提問(wèn)題應(yīng)與課程內(nèi)容緊密相關(guān)、容易為學(xué)生理解、能啟發(fā)學(xué)生思考，同時(shí)還要考慮到CDIO環(huán)節(jié)的整體性，因此需要為后續(xù)的IO環(huán)節(jié)做相關(guān)鋪墊。以本課程核心內(nèi)容第2講、第4講為例，采用本教學(xué)方法設(shè)計(jì)的部分核心問(wèn)題如表1所示，同時(shí)給出了求解問(wèn)題所需回顧或補(bǔ)充的知識(shí)，對(duì)應(yīng)CD的相應(yīng)環(huán)節(jié)。

在本課程的教學(xué)實(shí)踐中對(duì)第1-4講和第7-8講采用了基于問(wèn)題的探索式教學(xué)方法，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有效培養(yǎng)和訓(xùn)練了學(xué)生的思維能力，為后續(xù)的學(xué)習(xí)及工作打好基礎(chǔ)。

表1　基于問(wèn)題的探索式教學(xué)典型問(wèn)題舉例

圖3　實(shí)例講解教學(xué)流程

表2　實(shí)例講解教學(xué)舉例

（二）實(shí)例講解教學(xué)

為了更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)機(jī)務(wù)所需知識(shí)的理解，本課程在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，以典型波音和空客民用飛機(jī)機(jī)型為例分別對(duì)實(shí)際飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。同時(shí)，為了和飛機(jī)電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)更好銜接，在此課程主要目的以形成學(xué)生對(duì)整個(gè)飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)為主。

具體的授課過(guò)程流程如圖3所示，主要步驟如下：在該章內(nèi)容開始前分發(fā)相關(guān)飛機(jī)系統(tǒng)的ATA章節(jié)，并提出本章的核心問(wèn)題，由學(xué)生課下自己通過(guò)學(xué)習(xí)ATA章節(jié)、課本知識(shí)，給出問(wèn)題答案，然后在課堂上進(jìn)行分組研究討論，任課教師針對(duì)學(xué)生提出的疑難問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo)，學(xué)生完成章節(jié)的學(xué)習(xí)報(bào)告，最后任課教師根據(jù)學(xué)生討論和學(xué)習(xí)報(bào)告中出現(xiàn)的問(wèn)題給出詳細(xì)的總結(jié)。

實(shí)例講解教學(xué)的關(guān)鍵在于美國(guó)航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)ATA章節(jié)內(nèi)容的選取，ATA手冊(cè)語(yǔ)言是英文，這對(duì)學(xué)生的英語(yǔ)水平是一個(gè)考驗(yàn)，并且本課程也涉及到眾多的飛機(jī)系統(tǒng)，如：ATA 22自動(dòng)飛行、24電源、27飛行操縱、29液壓、31儀表、34導(dǎo)航，需要指定核心章節(jié)避免學(xué)生盲目看書，產(chǎn)生畏難情緒。因此在教學(xué)過(guò)程當(dāng)中整理關(guān)鍵的專業(yè)詞匯以及關(guān)鍵內(nèi)容的劃分是需要解決的問(wèn)題。以本課程第5講、第9講為例，采用本教學(xué)方法設(shè)計(jì)的實(shí)例分析如表2所示，同時(shí)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題和給出ATA相關(guān)章節(jié)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的主動(dòng)探索，最后設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)CD相應(yīng)環(huán)節(jié)的問(wèn)題，為實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。

在本課程的教學(xué)實(shí)踐中對(duì)第5-6講和第10-12講采用了實(shí)例講解教學(xué)方法，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有效培養(yǎng)和訓(xùn)練了學(xué)生的思維能力，為后續(xù)的學(xué)習(xí)及工作打好基礎(chǔ)。

三、基于IO的仿真實(shí)驗(yàn)改革

目前實(shí)驗(yàn)最主要的問(wèn)題在于實(shí)驗(yàn)設(shè)備專用性強(qiáng)，需要有專門的軟硬件，包括服務(wù)器，受這些因素影響，學(xué)生平時(shí)難得有機(jī)會(huì)實(shí)踐，任課教師也難以在課堂上演示效果，容易造成理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)在進(jìn)度上不同步，往往不能讓學(xué)生及時(shí)消化所學(xué)知識(shí)，甚至?xí)斐蓪W(xué)生不愿學(xué)的負(fù)面影響。

為了有效提高教學(xué)效果，課程組綜合利用了多個(gè)計(jì)算機(jī)仿真軟件開發(fā)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如學(xué)生在先期課程中接觸過(guò)的Matlab/Simulink軟件，以及進(jìn)行飛行顯示的FlighGear軟件[5，6]，這些軟件在個(gè)人電腦中很容易安裝，因此擺脫了原有實(shí)驗(yàn)過(guò)度依賴專用設(shè)備的缺點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面，課程組和負(fù)責(zé)機(jī)務(wù)實(shí)訓(xùn)的工程技術(shù)培訓(xùn)中心相關(guān)課程老師進(jìn)行了充分討論，最終確定將實(shí)驗(yàn)分為兩類，一類是為了驗(yàn)證理論知識(shí)的課堂演示性實(shí)驗(yàn)，這種演示性實(shí)驗(yàn)安排在理論教學(xué)中，在如表1所示的核心問(wèn)題答案基礎(chǔ)上，重點(diǎn)演示一個(gè)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程，并在此過(guò)程中再次回顧相關(guān)章節(jié)問(wèn)題，以加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解；另一類是集中及課后仿真實(shí)驗(yàn)，這和機(jī)務(wù)實(shí)訓(xùn)時(shí)進(jìn)行的電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)有效銜接起來(lái)，要求學(xué)生在課堂演示仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并要求進(jìn)行如表2所述的類似功能擴(kuò)展，從而提升學(xué)生在實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的實(shí)踐綜合能力，任課教師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基礎(chǔ)上再進(jìn)行問(wèn)題反饋及分組進(jìn)行討論總結(jié)，基于IO的實(shí)驗(yàn)改革流程如圖4所示。在這里，集中及課后仿真實(shí)驗(yàn)不再是對(duì)課堂演示性實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單重復(fù)，而是在理解的層次上進(jìn)行再次開發(fā)深化。

圖4　基于IO的實(shí)驗(yàn)改革流程

目前本課程的仿真實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)第2-6講進(jìn)行了開發(fā)，包含典型飛行動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)和可視化飛行仿真系統(tǒng)兩大仿真平臺(tái)，如表3所示，在回答如表1和表2的問(wèn)題后，任課教師可借助此兩個(gè)仿真平臺(tái)在課堂上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的演示實(shí)驗(yàn)，同時(shí)學(xué)生也可以在充分理解平臺(tái)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展、或其他機(jī)型的仿真實(shí)驗(yàn)。此種實(shí)驗(yàn)方式不僅有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，而且吸引他們利用課余實(shí)踐進(jìn)行科學(xué)探索，盡快建立對(duì)整個(gè)飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

表3　仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目舉例

四、教學(xué)效果

在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)用基于CDIO理念，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將理論教學(xué)和仿真教學(xué)緊密聯(lián)系在一起的這種教學(xué)改革形式，已在實(shí)際教學(xué)中產(chǎn)生了一些良好的效果：1.學(xué)生在后期的實(shí)例講解教學(xué)對(duì)前期的理論教學(xué)中的問(wèn)題逐漸加深了認(rèn)識(shí)，在后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)中又得到了進(jìn)一步的提高，學(xué)生紛紛表示有種豁然開朗、柳暗花明的感覺(jué)；2.學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及提高部分，增強(qiáng)了實(shí)際動(dòng)手能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新性，同時(shí)又達(dá)到聯(lián)系前期課程內(nèi)容，將理論充分應(yīng)用于實(shí)踐的目的；3.問(wèn)題設(shè)計(jì)、實(shí)例教學(xué)和仿真項(xiàng)目的教學(xué)手段，以及前后呼應(yīng)的教學(xué)安排，不僅提高了和任課教師的要求，同時(shí)也促進(jìn)了教師與學(xué)生之間的良性循環(huán)；4.在教學(xué)改革實(shí)踐的基礎(chǔ)上，課程組開發(fā)出了比如“單軸螺旋槳懸浮系統(tǒng)”的CDIO高級(jí)項(xiàng)目，學(xué)生進(jìn)行了相關(guān)實(shí)物開發(fā)，取得了良好效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

“飛行管理與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)”是一門極具行業(yè)特色的電子信息工程類課程，CDIO理念注重培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及系統(tǒng)掌控能力。文章針對(duì)飛管飛控教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，結(jié)合CDIO理念，探討了基于CD的理論教學(xué)改革和基于IO的仿真教學(xué)改革方式，最終通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的形式將理論教學(xué)和仿真教學(xué)緊密聯(lián)系在一起，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的工程能力，提高了教學(xué)質(zhì)量。

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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

中國(guó)民航大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新基金2016SYCX10；2016年中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程專業(yè)綜合改革項(xiàng)目。

鐘倫瓏（1979-），男，漢族，湖南新邵，博士，講師，研究方向：航空電子；王穎（1972-），女，漢族，河北唐山，碩士，講師，研究方向：航空電子。