以行业需求为导向的“飞行器总体设计与适航”课程建设探究

徐兆可，杨士斌，杨建忠

(中国民航大学 适航学院，天津 300300)

0 引言

长期以来，全球民用客机市场主要是空客和波音之间的超级竞争，已形成势均力敌的“AB双寡头”局面，中国的民机市场也主要是由空客和波音长期割据。中国民用航空行业飞速发展，中国民用航空局发布《2019年民航行业发展统计公报》[1]，2019年运输总周转量1293.25亿吨公里，比上年增长7.2%；旅客运输量65993.42万人次，比上年增长7.9%；货邮运输量753.14万吨，比上年增长2.0%，民用航空市场对民航客机的需求量进一步增加。我国要实现从“民航大国”向“民航强国”的跨越，国产大飞机的加入成为其不可或缺的一项先决条件。截止2020年6月10日，ARJ21已经累计向成都航空、天骄航空和江西航空三家商业用户交付28架，累计开通55条航线，55个通航城市，安全运送旅客超过86万人次[2]；C919也在紧锣密鼓地进行飞行试验，以验证相关性能[3]。民航客机进入民用航空市场，则必须通过航空器的适航审定，中国民航适航体系、适航审定和适航标准的制定工作起步较晚，参照美国逐步建立了与美国FAR相当的适航标准体系。然而与欧美相比，中国的适航人才、能力与技术都还有很大的差距。因此，随着中国民航业的快速发展，飞行器设计与适航方面的人才需求也必将进一步扩大。

国内开设飞行器设计与工程专业的高校共有26所[4]，还有不少高校也在计划开设该专业，可以预见，毕业生的就业压力和竞争将会越来越大。在这些高校，“飞行器总体设计”课程是飞行器设计与工程专业的一门专业课、必修课；而在中国民航大学，它是飞行器制造工程专业的一门专业课、选修课。需要结合院校和专业特色，对飞行器设计课程的定位、目标、内容和授课方式进行深入研究，以提高学生就业和工作的竞争力。目前大多“飞行器总体设计”课程的授课内容主要针对军用飞机，且缺少适航模块和飞行器设计与适航关系的相关内容。

本课程建设旨在突出“民航”特色，课程包括“设计”与“适航”两部分内容，学生的目标就业领域是民用飞机设计、适航和维修等相关工程技术工作。本文以行业需求为导向，结合民航特色，针对机务维修专业，通过添加适航模块优化课程内容，基于“雨课堂”教学工具，通过模块化教学、任务驱动式教学、多维度考核评价等方式对“飞行器总体设计与适航”进行课程建设，帮助学生深刻理解设计、适航与维修的关系并构建系统知识，培养学生设计、适航与维修的工程技术能力，满足设计、适航与维修等部门的人才需求，提高学生就业竞争力。

1 行业需求

通过实地考察和问卷调查等方法，详细研究了民航领域飞机设计、适航与维修部门岗位的招聘以及人才知识能力的需求，发现不同类型单位对飞机设计与适航人才均有较大需求，但是侧重点有所不同。民用航空产品制造商及适航部门关注总体性技术指标、对总体性能影响较大的参数选择以及总体设计与适航之间的关系；维修部门则更加关注设计和适航中对飞行安全影响较大的细节性因素。总体而言，设计与适航部门需要人才掌握飞机设计与适航的总体性知识；而维修部门需要人才掌握飞机设计与适航环节的细节性知识。

以行业需求为导向，结合课程性质与目标，深入研究课程内容设置与教学方法，将飞机设计、适航与维修三部分内容有机结合，以培养满足行业知识和能力需求的人才。

2 课程性质与目标

“飞行器总体设计与适航”是飞行器制造工程专业的一门专业选修课程。通过该课程教学使学生对民用飞机总体设计方法、适航技术有比较全面的了解，对现代民用客机总体设计和适航中的核心技术有明确的认识和理解，培养分析和解决系统工程问题的能力。为学生毕业后从事民机设计、适航、维修等方面的工作奠定必要的专业理论基础。

本课程的教学目标是通过本课程学习，使学生了解飞行器设计过程知识体系；民用飞机设计与适航的关系；掌握飞机的常见总体布局设计及总体参数(重量、推重比和翼载)的估算及相互间关系，理解机翼尾翼的设计和气动特性估算方法，了解机身设计方法；掌握飞机各部件重量重心估算方法；理解飞机性能分析方法和适航要求，包括起飞着陆性能、爬升下降性能和巡航性能；了解操稳特性概念及适航要求，了解飞机操纵系统设计与分析方法。能进行民用飞机的总体设计及性能分析。使学生能够胜任民用飞机设计、适航和维修相关工程技术工作，重在培养学生的工程设计能力和分组协作能力。

3 课程内容

以行业需求为导向，合理安排课程内容。课程内容的设置紧紧围绕飞机总体设计过程(见图1)，在达成课程目标的同时，使学生在学习中能对飞行器设计过程有更深刻的理解。课程内容包括：(1)总体布局；(2)机身设计；(3)总体参数；(4)飞机气动布局设计；(5)重量与平衡；(6)性能分析；(7)操稳特性；(8)飞机操纵系统设计与分析。其中飞行器设计的基本要求和适航性条例是飞行器的设计依据，作为飞行器总体设计的输入；总体布局阶段确定飞机的构型；机身设计阶段确定飞机驾驶舱/客舱布置以及前中后机身外形，机身参数会影响到总体参数的确定和尾翼外形的设计；然后确定总体参数，包括起飞重量，推重比和翼载荷等；再依次确定发动机、机翼外形和尾翼外形，包括发动机的推力特性和油耗特性、机翼的翼型和平面形状，以及尾翼的面积和外形数据；最后形成初步方案并对相关特性进行分析与评估，以验证其是否满足设计和适航要求。若满足要求，则完成总体设计过程；若不满足要求，则分析原因，返回对应环节重新设计优化。

图1 飞行器总体设计过程

如图1所示，适航是飞行器总体设计的输入，同时在方案分析与评估阶段，重量特性、气动特性、动力特性、性能分析、操稳特性等需要满足适航要求，若某项特性不能满足适航要求，则需要返回对应环节重新设计优化。在涵盖了传统的飞行器设计相关内容的同时，梳理对应的适航知识，添加适航模块，突出民航特色。

维修部分属于前续课程内容，添加维修与设计的关系、维修与(持续)适航的关系相关内容，帮助学生构建系统性的知识。

4 教学方式的设计

以行业需求为导向，采用模块化教学和任务驱动式教学有机结合的教学模式，以学生为中心，可有效提高学生的积极性和主动性，培养学生复杂工程分组协作的能力，满足行业需求，达到教学目标。利用雨课堂教学工具，以线上线下混合式教学的模式，提高模块化教学和任务驱动式教学的教学效率和效果。

4.1 以学生为中心的模块化教学

图2 课程模块

以行业需求和学生职业规划为导向，基于“宽基础、活模块”的教育模式，从以人为本，全面育人的教育理念出发，在全面掌握本课程中总体设计与适航知识与能力的基础上，根据行业不同领域所需知识与能力划分模块[5]，不同模块与不同需求相对应，同时又有机统一。课程模块构成如图2所示。课程主要分为设计和适航两大模块，其中设计模块包含总体性设计(总体布局、总体参数)和部件设计(机身、机翼、尾翼)模块，总体性设计模块对应设计与适航部门的需求，部件设计模块对应维修部门的需求。适航模块包含初始适航和持续适航模块：初始适航是适航管理部门对飞机的设计和制造环节所进行的审查、鉴定、监督和管理，初始适航模块对应设计与适航部门的需求；而持续适航是针对飞机使用和维修环节的审查、鉴定、监督和管理，持续适航模块对应维修部门的需求。

利用雨课堂教学工具，调研分析学生对课程的期望以及针对行业需求的职业规划，基于行业和学生需求，对课程内容进行模块化教学，在教学过程中不同模块知识点各有侧重。每节课前推送预习课件，同时了解学生对本节课内容所涉及模块和内容的兴趣和疑问；课堂教学过程中，结合授课内容在雨课堂工具上实时提问，鼓励学生发送弹幕主动提问；课后对雨课堂数据报表进行分析，以了解学生对本节课知识的掌握情况；每一模块结束后，充分利用雨课堂习题集和讨论区功能，深化该模块知识与能力的掌握；在全面理解飞行器总体设计过程的基础上，重点掌握求职意向行业/部门所需的知识模块，并在大作业任务中承担该模块对应的工作。

以学生为中心，以行业需求为导向，基于雨课堂教学工具，开展模块化教学，充分调动学生学习的积极性和主动性，提高教学质量。同时通过各模块的串联，有助于学生构建系统性知识。

4.2 “两主一线”任务驱动式教学

采用“两主一线”即“教师为主导、学生为主体、任务为主线” 的教学模式[6]，布置民用飞机总体设计大作业作为本课程主要任务，学生分组协作，合力完成民用飞机的设计工作，培养学生的复杂工程能力和协作交流能力。根据飞行器总体设计的过程，大作业主要分为两个部分——概念设计部分和方案分析与评估部分。可采用统计数据、经验公式、工程估算公式、参数敏感分析、地毯图、总体分析软件等方法，最终提交初步方案的三面图和可行性论证报告。设计与分析评估有机结合，共同构成飞行器总体设计的循环回路。设计为分析评估提供参数输入，分析评估为设计反馈性能满足情况。需要成员之间有良好的沟通交流，才能保证设计任务的完成效率与效果。

由学生自行分组，每组3～5人，各有一个组长，组长由组员共同选定，组长统一协调各组内的任务分配。分组完成后，将分组情况及各组员工作任务输入到雨课堂，方便统一管理。作业根据课程内容细化成飞行器设计中的问题，逐步完成飞行器设计任务；教学过程中，每一模块内容结束后，学生即可进行该部分飞行器的设计工作任务，同时可将作业任务完成过程及时展示在雨课堂。如果碰到问题，可通过雨课堂讨论区或其他方式随时与老师同学沟通交流。通过任务驱动式教学，在实践中发现问题、解决问题，提高学生分析问题解决问题的能力，加深学生对飞行器设计与适航的理解，培养学生解决复杂问题的能力。

同时在课堂开始之初将大作业任务发布于雨课堂教学工具的习题集模块，并详细介绍任务安排，使学生在课堂学习中根据模块教学内容自行进行任务分解。大作业任务安排一直存在于雨课堂习题集中，学生可随时查看，以任务为主线，结合课程内容完成相关任务。

以行业需求和学生职业规划为导向，通过作业任务细分，与教学模块对应，由学生在小组内选择自己感兴趣的模块和任务，将任务驱动式和模块化教学有机结合，从而提高教学质量，满足行业知识和能力需求。

5 角色扮演答辩，多维度考核评价

采用多维度的考核评价机制，根据平时表现、作业任务完成度和答辩情况等，从知识学习、沟通交流、发现问题解决问题能力、组织协调等多个维度对学生进行评价考核。

考核内容包含平时成绩(占比30%)和大作业成绩(占比70%)两部分。平时成绩由任课教师主要依据考勤、作业、平时表现等进行评定；平时表现主要包括遇到问题与老师的交流情况和交流后对问题的理解情况以及雨课堂报表的反馈，属重点考核内容。大作业考核主要包括最终设计方案、分析报告和答辩情况。飞行器设计方案需要满足设计要求和适航要求，分析报告合理。分小组答辩，组长对大作业的情况做整体答辩，每位组员(包含组长)对各自的工作做详细答辩。最终大作业成绩由以下几部分组成：对作业的整体评定，按一定权重分配给所有组员；对各组员(包含组长)的汇报进行评定，按一定权重分配给所有组员；对组长的评定，由老师按一定权重分配给各组长；组长对组员的评定，由组长对本组成员平时表现、工作量和难易程度进行评定，由老师按一定权重分配给组员。

在答辩过程中，3个小组再组成一个考核大组，每个小组轮流扮演“工业方”“审查方”和“维修方”，由“审查方”和“维修方”作评委，“工业方”进行答辩。“审查方”考核“工业方”的大作业设计方案是否满足适航要求，“维修方”考核“工业方”设计方案是否满足维修性。角色扮演答辩方式，让学生身临其境体验飞机适航审定的过程，同时深化对“设计”和“适航”模块知识的掌握与理解，更进一步构建学生的知识体系。

基于角色扮演的答辩方式和多维度的考核评价机制，充分地调动了学生的自主性、积极性和参与感，使学生获取知识的同时对未来职业发展有更明确的认识，以满足行业相应的知识和能力需求。

6 结语

本文在现有飞行器设计课程内容基础上，以民航领域行业需求为导向，添加适航模块，优化设置课程内容，利用雨课堂教学工具，通过以学生为中心的模块化教学和“两主一线”任务驱动式教学方式和多维度考核评价机制，探讨“飞行器总体设计与适航”课程教学与考核新模式，充分发掘学生的自主性、积极性和参与感，在完成飞行器总体设计的同时，对设计、适航和维修三者关系有更深入的了解，从而有利于构建完整的知识体系，培养学生设计与适航的复杂工程能力和沟通协作能力，满足民航领域和飞行器设计部门的人才需求，提高学生的就业竞争力。