【首批国家级一流本科课程】“飞机总体设计”“隐身飞机探究与设计”

点击数:    |    加入时间:2021-05-24

“飞机总体设计”是我校最具航空航天特色的课程之一,是航空科学与工程学院的核心专业课。自2006年以来,在武哲教授、刘虎研究员两任负责人带领下,课程组通过持续的教学研究和改革,逐步建立了“一条主线、两个支撑、三层联合”的教学模式,即以竞争性团队设计项目为主线,以主编特色教材和构建虚拟仿真实验体系为支撑,以牵头校校、校企、国际三层次联合育人为拓展。

十六年的课程改革取得了持续的成效:2007年获批北京市精品课,2008年获批国家级精品课,2009年、2014年、2019年三次获北航教学成果一等奖。课程组于2018年牵头完成的“隐身飞机探究与设计”获教育部航空航天类首批、北航首个国家虚拟仿真实验教学一流课程。2020年,“飞机总体设计”获批教育部首批国家级线下一流课程。

飞机总体设计的十六年教改之路

教师团队

课程负责人刘虎,研究员,博士生导师,国家“万人计划”青年拔尖人才。现任北京航空航天大学航空科学与工程学院飞机系主任、国家级线下一流课程“飞机总体设计”及国家虚拟仿真实验教学一流课程“隐身飞机探究与设计”负责人、“航空科学与技术”国家级虚拟仿真实验教学中心副主任、“航空器先进设计技术”工业和信息化部重点实验室副主任,“虚拟现实技术与系统”国家重点实验室VR+航空领域学术带头人、《航空学报》中英文版青年编委、《航空工程进展》及《民用飞机设计与研究》编委。

“飞机总体设计”课程十六年来不断开展改革和探索,同时也不断扩展和锻炼教学团队。目前,“飞机总体设计”拥有一支热情高、能力强、改革活跃的教学团队,包括两名教授(刘虎、张云飞)、三名副教授(罗明强、孙康文、周尧明)、六名讲师(杨穆清、宋磊、黄敏杰、梁浩全、仪明旭、田永亮),以及多名课程助理与学生助教(梁侨、刘娜、关智元、崔志扬、赵宁等等)。其中,孙康文老师多次指导学生获得国家级学生科创竞赛一等奖,罗明强老师获得北京市高校第十一届青年教师教学基本功比赛工科类A组一等奖、最佳现场展示奖、最佳教案奖,充分体现了课程建设对青年老师的培养和锻炼作用。

“飞机总体设计”课程的教师及助教团队

特色经验

北京航空航天大学从1952年成立之初就承载着新中国航空航天事业的理想,六十多年来已经培养出一大批治国栋梁、行业领军人才和中坚力量。飞行器设计作为北航历史最悠久和最具特色的专业之一,在专业人才培养上一直肩负高度的使命感和责任感。

北航的“飞机总体设计”核心专业课正处于未来飞机设计师们专业学习和设计生涯的起点,因此课程不仅注重系统地传授总体设计的基本概念、流程与方法,使学生掌握需求论证、总体参数选择、总体布局与布置、综合性能分析、权衡优化与多方案评价等设计知识,更强调以学生的主动学习和创新实践为中心,促进学生的报国情怀、专业知识、创新精神、全局思维、团队协作、国际视野“六位一体”综合能力与素质的提升。

“六位一体”培养理念

根据课程特点和培养目标,课程组通过持续探索和发展,逐步构建了“一条主线、两个支撑、三层联合”的教学创新思路及举措。

“飞机总体设计”教学创新思路及举措

(一)“一条主线”:即竞争性团队设计项目。

学生结合课堂所学,围绕给定主题分组(每组10人左右)、分类(军机、民机)、分区(三个平行班)开展飞行器方案设计及分析评估,并通过小组间、分区间竞争模式及精细的过程性评分细则,激发学生参与度和积极性。设计项目的命题从自设题目到美国航空航天学会AIAA设计竞赛题目,再到与我国航空工业部门的主机所联合出题。题目类型涉及单通道/宽体大型客机、公务机、反潜机、电动轻型飞机、高超声速飞行器等等。在“飞机总体设计课”中,学生们感悟分享最多的,就是团队的价值与奋斗的收获。

学生分享的感悟

  竞争性团队设计项目要求的内容 

竞争性设计项目团队

部分学生设计方案

“飞机总体设计”课程设计的奖杯及奖状

基于十多年来积累的竞争性设计项目的成功经验,课程组在教育部高等学校航空航天类专业教学指导委员的支持下,发起了“联合杯”全国大学生先进飞行器总体设计竞赛(2018-2019年度),吸引了19所学校的51支团队报名参加,还得到了顾诵芬院士、孙聪院士、吴光辉院士、陈迎春总设计师等行业大家的关注和好评。

2019年“联合杯”大学生先进飞行器总体设计竞赛决赛

2020年,在教育部高等学校工程训练教学指导委员会、虚拟仿真实验教学创新联盟等各方的支持下,“联合杯”竞赛进一步发展成为教育部高教司主办的第七届全国大学生工程训练综合能力大赛的“飞行器设计仿真赛项”,内容也进一步扩展丰富,包括平台类的飞行器总体方案设计项目、体系类的航空应急救援体系设计与运用仿真项目等。根据组委会统计,最终25个省市100余所高校的403支队伍报名参赛。

从北航课堂到全国竞赛,意味着课程组以学生为中心、面向国家重大需求产教融合育人、将虚拟现实与体系化设计等科研优势融入本科教学等成果,已经逐步形成了示范和推广效应,对于探索新工科建设中的创新型人才培养模式具有非常积极的意义。

(二)“两个支撑”:即特色教材及虚拟仿真实验体系。

支撑1:联合编写《飞机总体设计》教材。

整合国内优势资源,联合7校2所编写《飞机总体设计》教材,即联合了北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学、上海交通大学、北京理工大学、清华大学以及浙江大学共7所高校和中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所、中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心2家工业部门(中国航空工业发展中心正在参与第二版的编写),并且有幸得到了两院院士顾诵芬先生的审定,充分体现校校联合及产教融合育人。

教材突出了立足“看懂走通”、促进“学以致用”、强调“传承创新”三个特点,入选了教育部高等学校航空航天类专业教学指导委员的推荐教材,还获批了北京市优质教材。

自第一版于2019年8月由北京航空航天大学出版社出版以来,已经4次印刷,印数约4000册。除了在北航的“飞机总体设计”课中使用外(年均300人左右),在参编高校及四川大学、武汉理工大学、沈阳航空航天大学、郑州航空工业管理学院、南昌航空大学、海军航空大学等高校也得到了使用。2020年5月,沈阳飞机设计研究所团委组织的全所新员工夜班课培训中,也采用了本教材。

《飞机总体设计》教材

2020年,课程组在北航出版社等单位的支持下,结合新媒体技术,完成了融媒体跨平台(个人电脑、平板手机移动终端等)的《飞机总体设计》云教材,这也是国内飞行器设计专业首部云教材。

《飞机总体设计》云教材

支撑2:打造飞行器设计虚拟仿真实验教学支持体系。

针对教学过程中,知识难点教学不直观、难掌握,开展设计创新缺手段、难实践等问题,结合课程团队所依托的“航空器先进设计技术”工业和信息化部重点实验室、“虚拟现实技术与系统”国家级重点实验室的优势科研成果,逐步建立了包括多主题虚拟仿真实验项目、集成化综合设计虚拟仿真系统、设计资源与方案共享平台这三个有机联系方面的虚拟仿真体系,对飞行器设计专业学生从通识到专业的学习和实践提供支持,相关成果也荣获2019年校级教学成果一等奖。

飞行器设计虚拟仿真实验教学支持体系

在这一体系中,课程组着重建设和发展了具有鲜明特色的“空天探究与设计”系列虚拟仿真实验。第一部“隐身飞机探究与设计”实验针对隐身飞机在教学中面临的认知探究上无法见真机、无法见细节,设计分析上不能做实物、不能做对抗的挑战,提供了“1套系统、2个层次,6个阶段、12个场景”,即一套可多终端运行的虚拟仿真系统,隐身飞机认知探究、与隐身飞机设计分析两个层次,隐身基本原理认知、飞机隐身技术探究、隐身飞机识别测试这三个探究实验加上隐身飞机布局设计、飞机空战对抗实验、飞机突防对抗实验这三个设计实验,以及多机型探测对比、全机散射源巡查、总体布局组合构建、多参数变化下的空战对抗等12个场景。

该虚拟仿真实验于2018年获批教育部航空航天类首批、北航首个国家级虚拟仿真实验教学一流课程,目前注册用户数已经超过6000人,包含北航、南航、西工大、清华、上交大、复旦等众多高校的学生。

“隐身飞机探究与设计” 国家级虚拟仿真实验教学一流课程

第二部“航空医疗救援体系探究与设计”实验以冬季运动医疗保障为背景,其英文版作为“航空航天技术”国际慕课的重要组成部分,已登录学堂在线国际版,作为国际化虚拟仿真实验教学的先行者。

第三部“航空应急救援体系设计与运用” 虚拟仿真竞赛系统,为教育部高教司主办的第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛的飞行器设计仿真赛项提供支撑。竞赛系统自2021年2月上线以来,吸引了将近200个团队参赛并基于竞赛系统完成了超过10,000个体系设计方案,探索和实践了虚拟仿真实验与国家级大学生科创竞赛融合的新模式。

“空天探究与设计”系列虚拟仿真实验

(三)“三层联合”:即校校、校企、国际联合育人。

课程组高度重视教学与实践相结合,国内与国际相结合,密切各方之间的深入合作与优势互补。从2009年起“大师进校园”中顾诵芬院士、李天院士、孙聪院士等为学生授课指导,到2011-2013年的“北航-美国普渡大学飞机设计联合课程计划”,到2014年发起“航空航天设计联合课程计划(PADUC)”,再到2016年联编教材,联合育人已形成长效机制。

顾诵芬院士(左)和孙聪院士(右)专题授课

“航空航天设计联合课程计划”启动会

“飞机总体设计”课程将聚焦一流人才培养,结合“空天力量运用”“经典飞机设计实例解析”“飞机总体设计”课程思政“三部曲”建设,加强课程群联合教学,持续完善联合教材,持续推进全国性设计竞赛等建设,将课程建设成北京市和全国的优质课程,为培养德才兼备的飞行器设计专业高素质人才培养做出贡献。

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