航空航天发展新阶段创新型人才培养模式改革与实践_罗明强.pdf

2023 年 20 期前 沿 视 界高 教 学 刊Journal of Higher Education航空航天发展新阶段创新型人才培养模式改革与实践罗明强，张祥林*（北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191）随着人工智能、虚拟现实、云计算等先进数字化技术飞速发展，重大战略计划对人才培养在队伍规模、知识结构、能力体系提出了全新要求1。然而，当前面向飞行器设计的人才培养环节仍采用传统基于学科专业、批量式、规格化的传统人才实践培养模式，难以满足能够引领未来空天技术发展和产业界对创新型高素质人才的需求。北京航空航天大学作为新中国创建的第一所航空航天高等学府，曾在 1958 年由全校 10 个专业设计组经过 100 天奋战共同研制了新中国第一架轻型旅客机“北京一号”，参与者中共涌现出 6 位院士，另有 1 位担任了 6 个型号火箭总师，形成了新中国第一代又红又专的航空航天事业杰出领军人才。因此，在科技日益发展的今天，更应该发扬老一辈专家的航天精神，同样以“共研一架飞机”为牵引，充分利用优势教学课程及科研资源，发挥各学科在飞行器设计领域的特长，深入挖掘数字化平台优势，推动形成航空航天发展新阶段的创新型人才培养模式。一面临的问题（一）新需求牵引下学生多元化实践创新能力培养受到传统育人模式限制在新需求下，传统基于以理论讲授为主体，学科专业、批量式、规格化的传统人才实践培养模式，缺乏面向真实需求背景的飞行器设计综合训练和创新实践，缺乏创新型人才培养下师生互动、生生互动、主动创新的氛围，不利于学生全局系统思维能力的培养。（二）支撑创新实践的先进虚拟仿真及数字化手段需补充完善新工科的发展离不开创新手段。反观当下，缺乏虚拟仿真及数字化手段的人才培养建设，很难支撑学生集成创新能力的培养和对知识的深化理解，很难满足能够引领未来空天技术发展，很难在有限的课时内同时完成基础知识教授和创新实践训练，很难实现先进信息技术与人才的结合，从而影响综合素质与能力的复合型领军基金项目：教育部产学合作协同育人项目“飞机总体设计课程数字化教学资源建设”（202102009006）；北京市高等教育学会面上课题“面向航空航天发展新阶段的创新型人才培养模式改革与实践”（MS2022166）第一作者简介：罗明强（1981-），男，汉族，四川资阳人，博士，副教授，博士研究生导师，副院长。研究方向为飞行器智能化设计与决策、数字孪生等。*通信作者：张祥林（1993-），男，汉族，河南焦作人，硕士，助理工程师。研究方向为传感器网络分布式状态估计、时滞系统稳定性分析等。摘要：面对航空航天技术发展和产业界对创新型高素质人才培养的迫切需求，该文以“共研一架飞机”为牵引，充分发挥“北京一号”第一代航空领军人才精神，重点针对航空航天发展新阶段创新型人才培养所面临的三大问题，依托飞行器综合化数字实验平台，采用课程群联合教学、团队毕设等实践形式，打通“课程专业学院学校”四个壁垒，深化科教融合、产教结合，构建跨课程/跨学院/跨学科/跨专业的联合人才培养体系，推动形成航空航天发展新阶段的创新人才培养模式，为国家培养具备“六位一体”的新一代空天创新型人才。关键词：航空航天；创新人才；共研一架飞机；飞机总体设计；数字化平台中图分类号：C961文献标志码：A文章编号：2096-000X（2023）20-0016-04Abstract:Facing the urgent demand of aerospace technology development and industry for training innovative and high-qualitytalents,this paper takes co-developing an aircraft as the traction.It gives full play to the spirit of the first generation of aviationleaders of Beijing No.1.It focuses on the three major problems facing the training of innovative talents in the new stage ofaerospace development.The paper focuses on the three major issues faced by creative skill cultivation in the latest phase ofaerospace development,relies on the integrated digital experiment platform of aircraft,adopts the practical forms of reciprocal teachingof course groups and teamwork,and breaks through the four barriers of course-major-college-school,deepens the integration ofscience and education and industry-education combination,and builds a joint cross-course/cross-college/cross-discipline/cross-professional talent cultivation system.It has promoted the formation of an innovative talent training model in the new stage ofaerospace development and cultivated a new generation of creative talents in the air and space with six-in-one for the country.Keywords:aerospace;innovative talents;co-developing an aircraft;aircraft overall design;digital platformDOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.20.00416-前 沿 视 界高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 20 期领导人才的培养。（三）优势力量分散，资源整合欠缺目前，各学院、各学科、各课程虽然都应服务于总的人才培养目标，但具备优势资源和能力的课程/学院/学科/专业之间依然存在“孤岛化”现象，无法形成合力，学生很难围绕一架飞机形成系统的知识体系和全局思维，难以实现飞行器综合性能的提高和优化，难以通过先进软件的应用实现总体设计能力的提升，造成过程效率低、可靠性差、控制效果差，单次设计循环的代价过高，设计过程和结果很难复现等一系列问题，同时也制约了先进软件的应用效果2。二现有基础（一）建立了具有630m2的飞行器综合化数字实验平台平台现有体系对抗仿真设备、大型客机飞行模拟器等硬件设备和 CATIA Magic、飞行性能分析、工程气动力估算等多专业领域的软件（如图 1 所示）。具备体系级、整机级和部件/子系统级三大子平台，能够解决学生创新实践中多人协同、多轮次迭代、多阶段推进所遇到的问题。图1飞行器综合化数字实验平台（二）飞机总体设计课程中以“共研一架飞机”牵引的创新改革取得成效以课程和课程群联合的形式，形成了学生竞争性团队设计模式，也取得了国家级线下一流课程、国家级虚拟仿真实验教学一流课程等成果。目前已有超 400 个团队完成近 1 000 个飞机总体概念设计方案（如图 2 所示），团队竞争性设计模式覆盖学院 100%学生，得到工业界高度评价。（三）对课程群联合教学进行了初步探索飞机总体设计、大型通用软件课程，通过模式联合、题目联合、团队联合、进度联合和资源联合，实现了多种资源共享，保证了双方设计团队的一致性（如图 3 所示）。形成了以成效为中心的项目引导式教学模式，提升学生自主学习能力、提升教学成效。（四）跨学院“共研一架飞机”创新模式初步实践首届团队毕设共有来自 4 个学院的 19 名教师和27 名学生参与，并于 2022 年 6 月圆满结束（如图 4 所示）。完成了智能协同无人机的总体方案、动力系统、飞控系统和航电系统的初步论证，形成了飞机初步设计的规范化数字表达标准。图3课程群联合教学整合效果图2飞机总体设计课程部分学生设计作品17-2023 年 20 期前 沿 视 界高 教 学 刊Journal of Higher Education（五）与工业界建立了广泛深入的联系与合作包括中国商飞在内的工业界紧贴工业实际的建设需求和应用场景，深度参与课程教材编写、提供学生设计竞赛题目、参与学生设计方案评审，实现了工业和教学科研优势资源的综合开发利用（如图 5 所示）。图5与工业界合作将国家重大需求融入教学环节三新理念与举措以一流科教协同平台及国家级虚拟教研室等为依托，持续开展以“共研一架飞机”为牵引的创新型人才培养模式改革，打通“课程专业学院学校”四个壁垒（如图 6 所示），深化科教融合、产教结合，构建跨课程/跨学院/跨学科/跨专业的联合人才培养体系3。1）对标一流，建好“飞行器综合化数字实验平台”，充分发挥“飞行器综合化数字实验平台”在新阶段创新人才培养的纽带和支撑作用。以“对标国际一流、结合一流课程、配置一流师资、建设一流教材、培养一流人才”为主要原则，应用其具有开放性的飞行器数字化协同设计环境，紧密结合科研发展方向、融合行业需求，通过改变实验室对教学的附属属性，构建体系化、数字化协同设计环境，推动以科学模型和数据为核心的设计范式在飞行器设计中的应用，支撑飞行器设计相关课程实验实践教学，适应未来人才培养与技术发展变革。2）以飞机总体设计课程为牵引，持续开展竞争性团队设计及课程群联合教学模式探索与实践，打通课程壁垒，共研数字飞机 1.0（概念设计）。飞机总体设计始终在飞行器研制中处于龙头地位，但飞行器的设计离不开飞机结构设计、飞机的气动设计、飞机性能操稳和飞机机电系统设计等课程的支撑，打破课程之间的壁垒，形成各独立课程教学相互交织，从教学模式、小组组织方式、考核方式和时间进度等维度进行联合教学才能形成培养合力，提升学生综合能力，实现对“共研一架飞机”的概念设计。3）以专业课程设计课程为牵引，持续开展学院各专业联合教学模式探索与实践，打通专业壁垒，共研数字飞机 2.0（初步设计）。在新修订的 2021 级培养方案中，已将专业课程设计设为航空学院所有专业的必修课，学生将在飞机总体设计课程及其联合课程中所完成的设计方案优选的基础上，通过联合学院飞行器设计、流体力学、固体力学、飞行力学、人机与环境工程等专业和学科，开展优选飞机的深化设计，牵引学生围绕一个共同目标创新实践，培养飞行器设计复合型人才4。4）以“团队毕业设计”为牵引，持续开展全校多学院联合教学模式探索与实践，打通学院壁垒，共研数字飞机 3.0（详细设计）。推进共建“数字飞机”-跨学院团队毕设，开展沙河/学院路两校区协同、线上线下相结合的方式开展飞行器多学科协同设计，使飞机总体协同设计平台和各类数字化软硬件资源得到充分利用，从而加速智能协同飞行器的总体方案以及动力系统、飞控系统和航电系统的初步论证，并形成飞行器概念/初步设计的规范化数字表达标准，为新阶段的创新型人才培养提供理论基础和实践依据。5）以国家级虚拟教研室、全国性竞赛为牵引，打通学校壁垒，实现成果推广与辐射，以“共研一架飞机”带动人才培养，发挥“北京一号”第一代航空领军人才精图4首届跨学院团队毕设组成情况18-前 沿 视 界高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 20 期神，以学生自主设计飞机为牵引，深挖工业界和高校界优势，融合我国航空工业发展的新进展、新需求、新技术，采用共商、共建、共享的协作模式，共同参与课程教材编写、提供学生设计竞赛题目、参与学生设计方案评审，实现工业和科研优势资源的综合利用。深入推动教学基地建设等战略性人才培养合作，促使学生感悟团队协作和团队拼搏精神，为国家培养具备“六位一体”的新一代空天创新型人才。图6以“共研一架飞机”为牵引的人才培养模式四创新型人才培养成果（一）基于共同设计对象的专业课程群联合模式达到学与用的无缝连接，提升学习兴趣。解决课程间部分环节或过程雷同造成的教与学的时间浪费，达到教学课时高效利用。通过课程群的协同共享，使学生知识体系更聚焦，并且能在学习中就建立起体系化的学习和实践的思想和视角。（二）以“共研一架飞机”为牵引的跨学科专业课程设计模式依托飞行器设计、固体力学、流体力学、飞行力学、人机与环境工程等多专业联合设计，使学生团队在进行设计方案深入分析的同时，通过课堂展示和答辩、教师/工业界专家点评，促进设计方案得到不断完善，提升飞机设计全局系统思维能力。（三）以“共研一架飞机”为牵引的跨学院人才培养模式通过协调组织来自航空、能源动力、自动化和电子信息等多个学院不同专业的学生进行数字飞机协同设计，完成智能协同数字飞行器设计方案基线，形成数字飞行器在各个设计阶段的设计方法和标准化表达范式，并通过多届迭代设计，实现方案闭环验证。（四）面向新工科人才培养的数字化能力手段打造飞行器综合化数字实验平台，并联合飞行器设计与工程专业虚拟教研室，解决学生创新实践中多人协同、多轮次迭代、多阶段推进所遇到的问题以及设计过程中资源碎片化、难沉淀、难共享的问题。支持学生参与面向产业实际需求的大型客机创新设计实践，在人才培养中实现教学与工程实际结合，为社会和产业培养新时代高素质人才。五结束语文章针对学生实践创新能力培养、数字化手段欠缺、优势力量分散等教学问题，以“共研一架飞机”为牵引，依托飞行器综合化数字实验平台，打通课程壁垒、专业壁垒、学院壁垒和学校壁垒四层壁垒，打破以理论讲授为主体，学科专业、批量式、规格化的传统人才实践培养模式，整合优势资源，打造新时代“建数字平台、研数字飞机、育创新人才”的人才培养模式。教学实践证明，提出的教学模式改革措施可有效激发学生的学习热情，提升了大部分学生的实践创新能力。同时也弥补了创新型人才培养的难点，在促进航空航天类创新人才培养方面具有重要的实践价值。参考文献：1 吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济J.高等工程教育研究，2017（1）：1-9.2 刘佳.浅谈飞机总体集成设计平台的必要性J.信息周刊，2019（9）：1.3 罗明强.以共研一架飞机为牵引的跨学科创新人才培养模式探索J.高等工程教育研究，2023（2）：38444 刘战合，张伟伟，罗明强.面向综合能力提升的连通式实践教学体系构建J.高等教育研究学报，2021，44（2）：113-120.以飞机总体设计课程为牵引，持续开展竞争性团队设计及课程群联合教学模式探索与实践，打通课程壁垒，共研数字飞机 1.0以专业课程设计课程为牵引，持续开展学院各专业联合教学模式探索与实践，打通专业壁垒，共研数字飞机 2.0以“团队毕业设计”为牵引,持续开展全校多学院联合教学模式探索与实践，打通学院壁垒，共研数字飞机 3.0以国家级虚拟教研室、全国性竞赛为牵引，打通学校壁垒，实现成果推广与辐射19-