程小全

(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)

隨著先進(jìn)材料、制造、操縱與控制技術(shù)的發(fā)展，航空航天技術(shù)正朝著空天往返方向發(fā)展，美國(guó)X37B于2010年4月22日的首飛成功，標(biāo)志著人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了空天往返飛行的夢(mèng)想。與此同時(shí)，A380、波音787、F-35、F-22、B-2、高速直升機(jī)等軍、民用航空飛行器的性能越來(lái)越高，各種導(dǎo)彈和火箭的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)與性能快速提升，近30年來(lái)，航空航天飛行器技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。幾乎所有關(guān)于未來(lái)科學(xué)技術(shù)發(fā)展方面的研究都認(rèn)為，航空航天技術(shù)是人類21世紀(jì)最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)的航空航天技術(shù)緊跟國(guó)際前沿，發(fā)展勢(shì)頭迅猛，先后自主研制了殲10、殲20、運(yùn)20、直10、直20等先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和武裝型直升機(jī)，C919的試飛成功，標(biāo)志著我國(guó)民用航空技術(shù)已經(jīng)躋身世界前列。

結(jié)構(gòu)是飛機(jī)、直升機(jī)、導(dǎo)彈和火箭等各種飛行器的主體，結(jié)構(gòu)技術(shù)水平的高低不僅決定了一般飛行器的先進(jìn)程度，而且決定了飛行器空天往返的功能和能力，在航空航天技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用[1]。從飛行器研制立項(xiàng)開始到最終報(bào)廢的全壽命周期中，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的工作(包括設(shè)計(jì)分析、定壽、生產(chǎn)超差處置、使用維護(hù)和報(bào)廢處理等)非常多，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)人才的需求量大。

此外，船舶、超高速列車、各種移動(dòng)發(fā)射裝置、應(yīng)急橋梁等都需要采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)[2-3]，其設(shè)計(jì)要求與航空飛行器結(jié)構(gòu)有一定的相似度，因此，相關(guān)部門或單位對(duì)我校飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生也產(chǎn)生了需求。

隨著我國(guó)飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展與跨越式進(jìn)步，工業(yè)部門對(duì)新進(jìn)人才的要求越來(lái)越高，現(xiàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容及方法很難適應(yīng)社會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高級(jí)人才的培養(yǎng)需求。本文將結(jié)合作者30多年從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究與教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行探討，以期推動(dòng)本課程的建設(shè)與改革。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)水平等級(jí)的劃分

在文獻(xiàn)[4]中，作者根據(jù)幾十年從事直升機(jī)、飛機(jī)和導(dǎo)彈型號(hào)的研制經(jīng)歷與經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)水平的4個(gè)層次。

(1)面向功能的設(shè)計(jì)：利用現(xiàn)有的工具和手段，設(shè)計(jì)出滿足用戶使用要求的結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品。

(2)面向制造的設(shè)計(jì)：利用現(xiàn)有的工具和手段，不僅設(shè)計(jì)出滿足用戶使用要求的結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品，而且設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品制造方便、成本低、工藝性能穩(wěn)定，能夠避免工藝不穩(wěn)定帶來(lái)的結(jié)構(gòu)使用問(wèn)題及高昂的維護(hù)費(fèi)用。

(3)面向服務(wù)的設(shè)計(jì)：在面向功能設(shè)計(jì)和面向制造設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的工具和手段，設(shè)計(jì)出用戶體驗(yàn)感好、維護(hù)周期長(zhǎng)、維護(hù)方便、維護(hù)成本低的結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品。

(4)面向大數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)：根據(jù)結(jié)構(gòu)分析原理，基于材料、結(jié)構(gòu)、失效情況等數(shù)據(jù)庫(kù)，以及使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立快速數(shù)據(jù)分析方法與問(wèn)題分析模型，利用現(xiàn)有的技術(shù)、工具和手段，設(shè)計(jì)出能夠?qū)ζ溥M(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、使用規(guī)劃的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。該技術(shù)實(shí)際上是把結(jié)構(gòu)作為智能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

前兩個(gè)層次基本處于技術(shù)追趕階段，后兩個(gè)層次才進(jìn)入了超越與自主創(chuàng)新階段。

目前，國(guó)內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大部分處于面向功能設(shè)計(jì)技術(shù)水平，有些已經(jīng)進(jìn)入面向制造設(shè)計(jì)技術(shù)水平，正面臨進(jìn)入面向服務(wù)的設(shè)計(jì)。而國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家大都已在面向服務(wù)設(shè)計(jì)技術(shù)水平，有的已經(jīng)進(jìn)入了面向大數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)層次。

現(xiàn)在的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程應(yīng)該面向未來(lái)，按面向服務(wù)的設(shè)計(jì)技術(shù)水平對(duì)人才的要求，確定新的教學(xué)目標(biāo)。

2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的基本素質(zhì)

基于多年的教學(xué)與型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)，作者認(rèn)為現(xiàn)在和未來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備以下4個(gè)方面的基本素質(zhì)。

(1)綜合協(xié)同創(chuàng)新能力：每個(gè)飛機(jī)、直升機(jī)新型號(hào)的設(shè)計(jì)都有重量和全壽命周期成本控制要求，綜合協(xié)同創(chuàng)新思維能夠綜合材料、工藝、質(zhì)量控制以及使用維護(hù)等多學(xué)科的知識(shí)與技術(shù)，提出創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)效率。即使對(duì)于一般的工業(yè)產(chǎn)品或日常用品，也需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)提高自己的競(jìng)爭(zhēng)力。否則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就成了制圖員。

(2)溝通協(xié)調(diào)能力：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員除了完成結(jié)構(gòu)制圖與結(jié)構(gòu)分析外，其實(shí)更多的工作是協(xié)調(diào)用戶、材料供應(yīng)商、結(jié)構(gòu)制造商、成品供應(yīng)商、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證與試驗(yàn)方、使用人員、維護(hù)人員等多方面的關(guān)系，以保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠按期按質(zhì)生產(chǎn)出來(lái)，并且能夠被正確使用和維護(hù)。溝通協(xié)調(diào)能力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該具備的另一項(xiàng)素質(zhì)。實(shí)際上，對(duì)所有的專業(yè)，專業(yè)技能+人際溝通協(xié)調(diào)能力+信用才是一個(gè)人的整體實(shí)力。

(3)結(jié)構(gòu)分析能力：結(jié)構(gòu)分析是對(duì)新、舊結(jié)構(gòu)載荷傳遞路線合理性、結(jié)構(gòu)壽命、結(jié)構(gòu)重量與工藝性等所作的定性和初步定量分析。結(jié)構(gòu)分析能力的提升，能保證設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)從原理上不會(huì)出現(xiàn)顛覆性問(wèn)題，也能保證具體結(jié)構(gòu)或細(xì)節(jié)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等方法的正確使用，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率。

(4)先進(jìn)工具應(yīng)用能力：利用最新、最先進(jìn)的制圖、分析軟件或其他工具，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證效率，并為后續(xù)結(jié)構(gòu)制造提供方便快捷的數(shù)字接口。通過(guò)提高結(jié)構(gòu)分析精度，降低結(jié)構(gòu)重量及制造成本。

現(xiàn)在的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程以培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)分析能力為主，對(duì)綜合協(xié)同創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常欠缺，因此，學(xué)生進(jìn)入工業(yè)部門后，須要經(jīng)過(guò)比較長(zhǎng)的時(shí)間才能勝任結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程新的教學(xué)目標(biāo)

現(xiàn)在北京航空航天大學(xué)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)是：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中傳力分析、結(jié)構(gòu)形式選擇、結(jié)構(gòu)布置以及結(jié)構(gòu)元件設(shè)計(jì)的基本原理和方法，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)中善于抓住主要矛盾，并且具備綜合分析復(fù)雜問(wèn)題的能力，為將來(lái)從事有關(guān)飛機(jī)、直升機(jī)以及導(dǎo)彈設(shè)計(jì)這一具有創(chuàng)造性的工作打下扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

可見(jiàn)，現(xiàn)在課程教學(xué)目標(biāo)是基于面向功能的設(shè)計(jì)和面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)水平對(duì)人才的要求而制定的，難以滿足現(xiàn)代和未來(lái)結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)人員能力的要求。

為此，根據(jù)面向服務(wù)的設(shè)計(jì)技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的前3個(gè)方面基本素質(zhì)(第4項(xiàng)素質(zhì)由其他課程培養(yǎng))，本文提出飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新的教學(xué)目標(biāo)：通過(guò)本課程知識(shí)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生樹立全機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新的思想，并能通過(guò)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)方式，快速掌握飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)分析方法，初步具備飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的基本素質(zhì)。簡(jiǎn)而言之，培養(yǎng)具有面向服務(wù)設(shè)計(jì)技術(shù)能力的高素質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人才。

4 基于新的教學(xué)目標(biāo)的課程教學(xué)實(shí)踐

根據(jù)新的教學(xué)目標(biāo)，作者已經(jīng)開展了相應(yīng)的教學(xué)方法探索與實(shí)踐，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)的總體思路如圖1所示。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)總體思路

具體的教學(xué)環(huán)節(jié)包括：基本原理與方法講解、問(wèn)題研究與討論、結(jié)構(gòu)案例分析、專題討論、北京航空航天博物館現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)式教學(xué)和考試等6大部分，對(duì)應(yīng)解決的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題和學(xué)生的基本素質(zhì)與能力如圖2所示。須要特別指出的是，課程教學(xué)全部在航空航天博物館內(nèi)進(jìn)行。

圖2 教學(xué)方法對(duì)應(yīng)解決的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)與學(xué)生基本素質(zhì)的問(wèn)題

結(jié)合考核方式的改革——從老師單向評(píng)價(jià)改為學(xué)生全員互評(píng)和老師評(píng)價(jià)相結(jié)合，課程教學(xué)取得了很好的效果。

當(dāng)然，基于新的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。文獻(xiàn)[5]是我們現(xiàn)在使用的教材。下一步我們將從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合協(xié)同創(chuàng)新、材料與工藝、結(jié)構(gòu)維護(hù)與修理，以及特殊服役環(huán)境結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面補(bǔ)充升級(jí)教材。

文獻(xiàn)[6]對(duì)本課程的教學(xué)方法進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究，并從學(xué)生主觀和客觀評(píng)價(jià)兩方面總結(jié)了課程的教學(xué)效果，結(jié)果表明，94.3%的學(xué)生認(rèn)為博物館體驗(yàn)式教學(xué)是非常必要的，84%的學(xué)生對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)博物館體驗(yàn)式教學(xué)非常滿意或比較滿意；課程鼓勵(lì)學(xué)生展示和自主思考，采用同學(xué)相互提問(wèn)等模式調(diào)動(dòng)了學(xué)生的課堂思考積極性，同時(shí)增加了互動(dòng)環(huán)節(jié)，擺脫過(guò)去的教師講學(xué)生聽(tīng)的方式，對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和以后工作中的交流合作都有好處；這門課為學(xué)生的航模制作和“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)科技作品制作打下了很好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)的核心課，該課程的教學(xué)目標(biāo)定位是否準(zhǔn)確，教學(xué)方法是否先進(jìn)，不僅對(duì)學(xué)生能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)具有重要的作用，而且對(duì)我校飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)起著重要作用。

一門課程教學(xué)目標(biāo)的制定需要長(zhǎng)期的調(diào)查研究和深入思考，并從學(xué)科和相關(guān)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。本課程新的教學(xué)目標(biāo)的形成得益于作者長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)教材建設(shè)的思考，以及國(guó)家、學(xué)校對(duì)教學(xué)工作的重視。對(duì)于類似飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這種工程性非常強(qiáng)的課程，教師工程素養(yǎng)的提高顯得尤為重要。