飛機結(jié)構(gòu)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(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X37B于2010年4月22日的首飛成功，標志著人類已經(jīng)實現(xiàn)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(zhàn)術(shù)技術(shù)指標與性能快速提升，近30年來，航空航天飛行器技術(shù)取得了長足的進步。幾乎所有關(guān)于未來科學技術(shù)發(fā)展方面的研究都認為，航空航天技術(shù)是人類21世紀最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

進入21世紀后，我國的航空航天技術(shù)緊跟國際前沿，發(fā)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(zhàn)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(shù)已經(jīng)躋身世界前列。

結(jié)構(gòu)是飛機、直升機、導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]。從飛行器研制立項開始到最終報廢的全壽命周期中，與結(jié)構(gòu)設計相關(guān)的工作(包括設計分析、定壽、生產(chǎn)超差處置、使用維護和報廢處理等)非常多，對結(jié)構(gòu)設計專業(yè)人才的需求量大。

此外，船舶、超高速列車、各種移動發(fā)射裝置、應急橋梁等都需要采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)[2-3]，其設計要求與航空飛行器結(jié)構(gòu)有一定的相似度，因此，相關(guān)部門或單位對我校飛機結(jié)構(gòu)設計專業(yè)的學生也產(chǎn)生了需求。

隨著我國飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展與跨越式進步，工業(yè)部門對新進人才的要求越來越高，現(xiàn)在飛機結(jié)構(gòu)設計課程的教學目標、內(nèi)容及方法很難適應社會對結(jié)構(gòu)設計高級人才的培養(yǎng)需求。本文將結(jié)合作者30多年從事飛機結(jié)構(gòu)設計技術(shù)研究與教學的經(jīng)驗，對飛機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計技術(shù)水平等級的劃分

在文獻[4]中，作者根據(jù)幾十年從事直升機、飛機和導彈型號的研制經(jīng)歷與經(jīng)驗，總結(jié)出飛機結(jié)構(gòu)設計技術(shù)水平的4個層次。

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

(2)面向制造的設計：利用現(xiàn)有的工具和手段，不僅設計出滿足用戶使用要求的結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品，而且設計出來的結(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)定帶來的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)或產(chǎn)品。

(4)面向大數(shù)據(jù)的設計：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，以及使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，建立快速數(shù)據(jù)分析方法與問題分析模型，利用現(xiàn)有的技術(shù)、工具和手段，設計出能夠?qū)ζ溥M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)實際上是把結(jié)構(gòu)作為智能系統(tǒng)進行設計。

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

目前，國內(nèi)飛機結(jié)構(gòu)設計大部分處于面向功能設計技術(shù)水平，有些已經(jīng)進入面向制造設計技術(shù)水平，正面臨進入面向服務的設計。而國外發(fā)達國家大都已在面向服務設計技術(shù)水平，有的已經(jīng)進入了面向大數(shù)據(jù)的設計層次。

現(xiàn)在的飛機結(jié)構(gòu)設計課程應該面向未來，按面向服務的設計技術(shù)水平對人才的要求，確定新的教學目標。

2 飛機結(jié)構(gòu)設計人員的基本素質(zhì)

基于多年的教學與型號研制經(jīng)驗，作者認為現(xiàn)在和未來的結(jié)構(gòu)設計人員應具備以下4個方面的基本素質(zhì)。

(1)綜合協(xié)同創(chuàng)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(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等多學科的知識與技術(shù)，提出創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式，進行結(jié)構(gòu)細節(jié)設計，提高結(jié)構(gòu)效率。即使對于一般的工業(yè)產(chǎn)品或日常用品，也需要創(chuàng)新設計來提高自己的競爭力。否則，結(jié)構(gòu)設計人員就成了制圖員。

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

(3)結(jié)構(gòu)分析能力：結(jié)構(gòu)分析是對新、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，能保證設計人員所設計的結(jié)構(gòu)從原理上不會出現(xiàn)顛覆性問題，也能保證具體結(jié)構(gòu)或細節(jié)分析、試驗驗證等方法的正確使用，提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計、分析、驗證效率，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)在的飛機結(jié)構(gòu)設計課程以培養(yǎng)學生結(jié)構(gòu)分析能力為主，對綜合協(xié)同創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常欠缺，因此，學生進入工業(yè)部門后，須要經(jīng)過比較長的時間才能勝任結(jié)構(gòu)設計工作。

3 飛機結(jié)構(gòu)設計課程新的教學目標

現(xiàn)在北京航空航天大學飛機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計中傳力分析、結(jié)構(gòu)形式選擇、結(jié)構(gòu)布置以及結(jié)構(gòu)元件設計的基本原理和方法，在飛機結(jié)構(gòu)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(guān)飛機、直升機以及導彈設計這一具有創(chuàng)造性的工作打下扎實的專業(yè)基礎。

可見，現(xiàn)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(shù)水平對人才的要求而制定的，難以滿足現(xiàn)代和未來結(jié)構(gòu)技術(shù)對設計人員能力的要求。

為此，根據(jù)面向服務的設計技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)設計人員的前3個方面基本素質(zhì)(第4項素質(zhì)由其他課程培養(yǎng))，本文提出飛機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新的思想，并能通過團隊學習方式，快速掌握飛機結(jié)構(gòu)設計原理和結(jié)構(gòu)分析方法，初步具備飛機結(jié)構(gòu)設計人員的基本素質(zhì)。簡而言之，培養(yǎng)具有面向服務設計技術(shù)能力的高素質(zhì)結(jié)構(gòu)設計人才。

4 基于新的教學目標的課程教學實踐

根據(jù)新的教學目標，作者已經(jīng)開展了相應的教學方法探索與實踐，飛機結(jié)構(gòu)設計課程教學的總體思路如圖1所示。

圖1 飛機結(jié)構(gòu)設計課程教學總體思路

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

圖2 教學方法對應解決的結(jié)構(gòu)設計技術(shù)與學生基本素質(zhì)的問題

結(jié)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(jié)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(nèi)容也應進行相應的調(diào)整。文獻[5]是我們現(xiàn)在使用的教材。下一步我們將從結(jié)構(gòu)設計綜合協(xié)同創(chuàng)新、材料與工藝、結(jié)構(gòu)維護與修理，以及特殊服役環(huán)境結(jié)構(gòu)設計技術(shù)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(jié)了課程的教學效果，結(jié)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(jié)構(gòu)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(diào)動了學生的課堂思考積極性，同時增加了互動環(huán)節(jié)，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(zhàn)杯”課外學術(shù)科技作品制作打下了很好的基礎。

5 結(jié)束語

飛機結(jié)構(gòu)設計是飛行器設計與工程專業(yè)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(zhì)的培養(yǎng)具有重要的作用，而且對我校飛行器設計與工程專業(yè)國家級一流本科專業(yè)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(diào)查研究和深入思考，并從學科和相關(guān)技術(shù)的未來發(fā)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(jīng)驗、教學經(jīng)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(jié)構(gòu)設計這種工程性非常強的課程，教師工程素養(yǎng)的提高顯得尤為重要。