飛機結構設計課程教學目標探討1)

程小全

(北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100083)

隨著先進材料、制造、操縱與控制技術的發展，航空航天技術正朝著空天往返方向發展，美國X37B于2010年4月22日的首飛成功，標志著人類已經實現了空天往返飛行的夢想。與此同時，A380、波音787、F-35、F-22、B-2、高速直升機等軍、民用航空飛行器的性能越來越高，各種導彈和火箭的戰術技術指標與性能快速提升，近30年來，航空航天飛行器技術取得了長足的進步。幾乎所有關于未來科學技術發展方面的研究都認為，航空航天技術是人類21世紀最關鍵的技術之一。

進入21世紀后，我國的航空航天技術緊跟國際前沿，發展勢頭迅猛，先后自主研制了殲10、殲20、運20、直10、直20等先進戰機、運輸機和武裝型直升機，C919的試飛成功，標志著我國民用航空技術已經躋身世界前列。

結構是飛機、直升機、導彈和火箭等各種飛行器的主體，結構技術水平的高低不僅決定了一般飛行器的先進程度，而且決定了飛行器空天往返的功能和能力，在航空航天技術中起著至關重要的作用[1]。從飛行器研制立項開始到最終報廢的全壽命周期中，與結構設計相關的工作(包括設計分析、定壽、生產超差處置、使用維護和報廢處理等)非常多，對結構設計專業人才的需求量大。

此外，船舶、超高速列車、各種移動發射裝置、應急橋梁等都需要采用輕質結構[2-3]，其設計要求與航空飛行器結構有一定的相似度，因此，相關部門或單位對我校飛機結構設計專業的學生也產生了需求。

隨著我國飛行器結構技術的快速發展與跨越式進步，工業部門對新進人才的要求越來越高，現在飛機結構設計課程的教學目標、內容及方法很難適應社會對結構設計高級人才的培養需求。本文將結合作者30多年從事飛機結構設計技術研究與教學的經驗，對飛機結構設計課程的教學目標進行探討，以期推動本課程的建設與改革。

1 飛機結構設計技術水平等級的劃分

在文獻[4]中，作者根據幾十年從事直升機、飛機和導彈型號的研制經歷與經驗，總結出飛機結構設計技術水平的4個層次。

(1)面向功能的設計：利用現有的工具和手段，設計出滿足用戶使用要求的結構或產品。

(2)面向制造的設計：利用現有的工具和手段，不僅設計出滿足用戶使用要求的結構或產品，而且設計出來的結構或產品制造方便、成本低、工藝性能穩定，能夠避免工藝不穩定帶來的結構使用問題及高昂的維護費用。

(3)面向服務的設計：在面向功能設計和面向制造設計基礎上，利用現有的工具和手段，設計出用戶體驗感好、維護周期長、維護方便、維護成本低的結構或產品。

(4)面向大數據的設計：根據結構分析原理，基于材料、結構、失效情況等數據庫，以及使用環境、結構在線監測數據庫，建立快速數據分析方法與問題分析模型，利用現有的技術、工具和手段，設計出能夠對其進行狀態監控、使用規劃的結構和產品。該技術實際上是把結構作為智能系統進行設計。

前兩個層次基本處于技術追趕階段，后兩個層次才進入了超越與自主創新階段。

目前，國內飛機結構設計大部分處于面向功能設計技術水平，有些已經進入面向制造設計技術水平，正面臨進入面向服務的設計。而國外發達國家大都已在面向服務設計技術水平，有的已經進入了面向大數據的設計層次。

現在的飛機結構設計課程應該面向未來，按面向服務的設計技術水平對人才的要求，確定新的教學目標。

2 飛機結構設計人員的基本素質

基于多年的教學與型號研制經驗，作者認為現在和未來的結構設計人員應具備以下4個方面的基本素質。

(1)綜合協同創新能力：每個飛機、直升機新型號的設計都有重量和全壽命周期成本控制要求，綜合協同創新思維能夠綜合材料、工藝、質量控制以及使用維護等多學科的知識與技術，提出創新結構形式，進行結構細節設計，提高結構效率。即使對于一般的工業產品或日常用品，也需要創新設計來提高自己的競爭力。否則，結構設計人員就成了制圖員。

(2)溝通協調能力：結構設計人員除了完成結構制圖與結構分析外，其實更多的工作是協調用戶、材料供應商、結構制造商、成品供應商、結構驗證與試驗方、使用人員、維護人員等多方面的關系，以保證所設計的結構能夠按期按質生產出來，并且能夠被正確使用和維護。溝通協調能力是結構設計人員應該具備的另一項素質。實際上，對所有的專業，專業技能+人際溝通協調能力+信用才是一個人的整體實力。

(3)結構分析能力：結構分析是對新、舊結構載荷傳遞路線合理性、結構壽命、結構重量與工藝性等所作的定性和初步定量分析。結構分析能力的提升，能保證設計人員所設計的結構從原理上不會出現顛覆性問題，也能保證具體結構或細節分析、試驗驗證等方法的正確使用，提高結構設計效率。

(4)先進工具應用能力：利用最新、最先進的制圖、分析軟件或其他工具，提高結構設計、分析、驗證效率，并為后續結構制造提供方便快捷的數字接口。通過提高結構分析精度，降低結構重量及制造成本。

現在的飛機結構設計課程以培養學生結構分析能力為主，對綜合協同創新能力的培養非常欠缺，因此，學生進入工業部門后，須要經過比較長的時間才能勝任結構設計工作。

3 飛機結構設計課程新的教學目標

現在北京航空航天大學飛機結構設計課程的教學目標是：通過本課程的學習，學生應該掌握飛機結構設計中傳力分析、結構形式選擇、結構布置以及結構元件設計的基本原理和方法，在飛機結構分析與設計中善于抓住主要矛盾，并且具備綜合分析復雜問題的能力，為將來從事有關飛機、直升機以及導彈設計這一具有創造性的工作打下扎實的專業基礎。

可見，現在課程教學目標是基于面向功能的設計和面向制造的設計技術水平對人才的要求而制定的，難以滿足現代和未來結構技術對設計人員能力的要求。

為此，根據面向服務的設計技術水平和結構設計人員的前3個方面基本素質(第4項素質由其他課程培養)，本文提出飛機結構設計新的教學目標：通過本課程知識的學習和訓練，使學生樹立全機結構協同創新的思想，并能通過團隊學習方式，快速掌握飛機結構設計原理和結構分析方法，初步具備飛機結構設計人員的基本素質。簡而言之，培養具有面向服務設計技術能力的高素質結構設計人才。

4 基于新的教學目標的課程教學實踐

根據新的教學目標，作者已經開展了相應的教學方法探索與實踐，飛機結構設計課程教學的總體思路如圖1所示。

圖1 飛機結構設計課程教學總體思路

具體的教學環節包括：基本原理與方法講解、問題研究與討論、結構案例分析、專題討論、北京航空航天博物館現場體驗式教學和考試等6大部分，對應解決的結構設計技術問題和學生的基本素質與能力如圖2所示。須要特別指出的是，課程教學全部在航空航天博物館內進行。

圖2 教學方法對應解決的結構設計技術與學生基本素質的問題

結合考核方式的改革——從老師單向評價改為學生全員互評和老師評價相結合，課程教學取得了很好的效果。

當然，基于新的教學目標，教學內容也應進行相應的調整。文獻[5]是我們現在使用的教材。下一步我們將從結構設計綜合協同創新、材料與工藝、結構維護與修理，以及特殊服役環境結構設計技術等方面補充升級教材。

文獻[6]對本課程的教學方法進行了比較詳細的研究，并從學生主觀和客觀評價兩方面總結了課程的教學效果，結果表明，94.3%的學生認為博物館體驗式教學是非常必要的，84%的學生對飛機結構設計博物館體驗式教學非常滿意或比較滿意；課程鼓勵學生展示和自主思考，采用同學相互提問等模式調動了學生的課堂思考積極性，同時增加了互動環節，擺脫過去的教師講學生聽的方式，對學生的自主學習和以后工作中的交流合作都有好處；這門課為學生的航模制作和“挑戰杯”課外學術科技作品制作打下了很好的基礎。

5 結束語

飛機結構設計是飛行器設計與工程專業的核心課，該課程的教學目標定位是否準確，教學方法是否先進，不僅對學生能力和綜合素質的培養具有重要的作用，而且對我校飛行器設計與工程專業國家級一流本科專業建設起著重要作用。

一門課程教學目標的制定需要長期的調查研究和深入思考，并從學科和相關技術的未來發展等多個方面進行綜合考慮。本課程新的教學目標的形成得益于作者長期工程實踐經驗、教學經驗，對教材建設的思考，以及國家、學校對教學工作的重視。對于類似飛機結構設計這種工程性非常強的課程，教師工程素養的提高顯得尤為重要。