面向適航的《機載軟硬件設計與驗證》課程開發與實踐

田毅 史春蕾 張帆

摘要：當前民機產業迅速發展，圍繞國內對于機載電子設備人才需求，以培養學生機載軟硬件設計與驗證能力為出發點，基于適航要求開發了《機載軟硬件設計與驗證》專業課程。本文分析了課程特征，提出了涵蓋案例教學、翻轉課堂和專家授課的課程教學方案。最后給出具體的實施方式及效果評估。

關鍵詞：課程開發；機載軟硬件；適航

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）08-0145-03

隨著我國ARJ21飛機、C919等民機型號的推進，機載電子設備國產化已經成為我國航空工業領域的一個焦點，而機載電子設備的軟硬件是否滿足適航要求是關鍵。對軟硬件安全性的要求使得航空工業部門對具備相關適航知識人才的需求日益迫切，傳統的軟硬件設計課程教育缺乏適航知識的引導，對于剛入職的員工仍需專業的職業技能培訓。我國適航技術研究和人才培養體系起步較晚，目前專業人才匱乏，短期培訓難以解決技術薄弱、人才不足的難題[1]。因此需要面向行業需求針對當前機載軟件、硬件研制開設專門的課程，旨在培養學生的機載軟、硬件適航研制能力以及適航審定能力。因此基于作者的實際工程經驗，結合“新工科”的工程教育思路，提出了具體的教學方案。

一、課程分析

適航性是指該航空器包括其部件及子系統整體性能和操縱性能在預期的環境和使用限制下的安全性和物理完整性的一種品質[2]。航空器適航審定教育重點關注航空器適航審定領域的科學問題和應用技術，面向飛機、發動機、機載系統設備的設計、制造、使用和維修，培養具有扎實的理論基礎、系統的專業知識，能獨立解決適航審定與驗證方面的工程技術問題的人才。《機載軟硬件設計與驗證》課程是航空器適航審定教育的關鍵內容之一，教育目標是幫助學生了解民機機載軟/硬件研制的基本理念，掌握相關適航要求，掌握滿足適航要求的驗證方法，在學生專業基礎上培養、構建面向適航的思維體系。該課程主要依托兩個工業標準開展，對機載軟件的指導文件是《機載系統和設備合格審定中的軟件考慮》（DO-178C）[3]；對機載電子硬件的指導文件是《機載電子硬件設計保證指南》（DO-254）[4]。目前，國內其他高校均沒有類似課程，該課程的特點是：

（1）知識面涵蓋廣泛。課程涉及大量機載系統設計、系統安全性分析、軟件工程、程序設計、集成電路設計、電子設計自動化（EDA）技術等課程的知識，在課程中要訓練學生對這些知識進行綜合考慮和運用。

（2）課程知識抽象程度高。課程著重于對軟硬件設計與驗證中的過程管理、技術要求、審查要素等宏觀層面的探索，不同于學生熟悉的具體編碼或操作，所以單純進行標準宣貫，學生難以理解和掌握。

（3）理論與實踐的平衡。傳統的軟硬件理論知識面對的是一般應用，而機載軟硬件設計實踐是在真實的設計資源上進行設計折中，需要將一般化的知識與具體機載軟硬件項目相結合。

（4）課程知識更新速度快。隨著軟硬件技術的進步，局方相關的研究和政策發布持續更新，并且在部分內容要求上中、美、歐之間存在差異。如果不及時跟蹤，傳授的便是陳舊的知識，會誤導學生。

（5）學生背景知識差異大。由于適航多學科融合的特征，造成同一期學生專業背景差異巨大。學生關于軟硬件的基本技術能力普遍在計算機考級以及課程設計水平，缺乏完整工程設計的經歷。

針對課程特點，提出課程開發思路：以完整案例研制為主線，穿插翻轉課堂及專家講座，使學生體驗完整的研制過程，自主學習背景知識和關鍵知識點。

二、教學內容

按照適航要求，課程需要涵蓋完整的軟件、硬件生命周期過程，包括需求捕獲、概念設計、詳細設計、實現、集成、驗證技術、構型管理、質量保證、適航審定等內容。具體教學內容如圖1所示，內容如下：

（1）系統設計階段包括：系統設計的流程、環境試驗要求、適航符合性方法、可靠性指標等；

（2）軟硬件研制流程部分包括：軟硬件研制流程、適航要求、適航審查、符合性數據、過程保證、構型管理、工具鑒定、追溯性建立等；

（3）需求捕獲過程包括：需求編制、確認需求、形式化建模技術、需求分析、需求追蹤等；

（4）概念設計過程包括：商用貨架產品（COTS）適航要求及符合性、單粒子防護技術、基于模型的設計技術（MBD）、面向對象的設計技術（OOT）等；

（5）詳細設計過程包括：編碼規則、仿真技術、覆蓋分析、軟件代碼自動化生成等；

（6）設計實現過程包括：軟件集成、形式化驗證、時序分析、測試臺搭建、軟件集成、軟件測試、源代碼到目標碼追蹤方法、最差時間分析（WCET）等；

（7）設備集成部分包括：系統集成、系統測試技術等。

三、教學方案

（一）整合內容突出案例引導

基于課程內容，設計一個綜合性的案例，將學習內容通過該案例進行貫穿，并實現與系統設計流程以及系統安全性分析過程關聯。

首先，講授關于軟硬件的基礎知識，包括：軟硬件基本定義、適航要求、標準中對于軟硬件生命周期過程的定義，各過程的目標和主要活動。但要注意點到為止，以免增加學生的負擔，分散學生的注意力。然后，以某型安全性最高等級（A級）機載電子系統為設計案例，從研制流程角度整體上貫穿從系統到軟硬件研制的各個過程。具體包括：

（1）在系統設計階段主要概括講解，并引導學生在《飛機系統審定及驗證技術》、《系統安全性設計與評估》、《可靠性理論及應用》等課程中去找尋詳細答案，便于讓學生理解整個適航課程體系。

（2）在軟硬件研制流程部分主要通過案例來講解各過程目標的實現方法，并引導學生思考如何去構建研制流程。

（3）在軟硬件設計案例部分講解過程中穿插具體的軟硬件設計驗證技術，讓學生在整個教學過程中了解具體技術要求、技術內容、以及相關的工具。

（4）在技術講解過程中順便展示工具的使用，但具體工具使用參考文獻介紹[5]，放在課外由學生自學完成。在學生掌握基本使用的基礎上，引入有問題的實例，在課上使用工具進行查錯與修改，強化學生對工具的應用能力。

最后，圍繞案例的講解，以真正的適航審查過程為藍本，引導學生對整個案例開展模擬審查，思考在計劃、設計、驗證、完結各階段的審查要點，將學生的思維模式從如何完成設計延伸到如何按照局方要求管控設計，提升學生對整個軟硬件設計驗證過程的認知，鍛煉學生自我檢查的設計意識。

（二）案例式教學與翻轉課堂的結合

針對軟硬件研制流程、適航審查、符合性數據等內容，整個管理流程體系敘述的內容較多，使得僅依靠案例講解仍然枯燥，學生興趣不大，影響授課效果?？紤]在整個案例中預留部分設計內容給學生，部分采用翻轉課堂[6]的形式開展教學，使學生循序漸進掌握全部內容。選取的案例有編制合格審定計劃、編制需求檢查單、針對基本功能設計系統架構、制定詳細設計實施過程、對給定設計代碼搭建仿真平臺進行覆蓋分析等。具體思路如圖2所示。

在該教學環節，采用先做再講的授課方式[6]。課堂上不會首先介紹和案例相關的理論知識，而是以作業的形式先布置給學生，每個學生有一周的時間學習相關內容并完成作業。對于學有余力的同學可進一步要求對涉及的技術專題進行研究，并準備匯報材料，該類匯報作為平時成績依據。在下一次課上，讓學生對作業進行詳細講解，教師點評并給出參考設計。最后，引導學生將其完成內容與參考設計進行對比，查缺補漏，如必要時可進一步安排技術研討。

經過該教學環節，學生在整個教學活動期間都融入在教學活動中，避免了單純的被動聽講，實現教與學的貫通；其次，由于作業抽取的是課程關鍵內容，學生在作業中經過深入的思考和實踐，能在課堂上馬上抓住重點，便于后期舉一反三。

（三）業界專家授課

在授課的過程中，聘請一線專家輔助教學[6]。聘請軟件、硬件、系統設計的專家講授具體型號設計過程中的問題和發展，結合具體案例介紹從需求到架構設計、軟或硬件的實現，介紹設計取舍的思路歷程，帶著學生一起思考和設計。同時，專家也會從自身的角度講述對適航的認識以及機載軟硬件設計與驗證的一些感悟。學生再與課堂上學到的理論知識對照，發掘出理論知識更深一層的含義，并從具體的項目中發現理論知識的應用。

此外，通過該授課環節，學生將具體見識到一線設計師的工作及其在研制團隊中的作用，了解行業對于職業能力的需求，使學生初步確立自己的職業方向，將學習與未來職業理想掛鉤，促進學生更加努力的學習。

四、實施效果

在早期的教學中發現，將全部的課堂時間用于講授設計與驗證的抽象理論會使學生感到枯燥乏味，并且難以在有限學時的課程中講述完所有知識。此外，較長的授課跨度造成學生對于零散知識點容易遺忘。

基于案例式教學、翻轉課堂和專家授課的綜合課程教學方式雖然在具體實施過程中較為繁瑣，但效果明顯。自課程開發以來，學生對于整個適航知識的理解和技術開發能力有了顯著提高，部分能力強的學生依據在課程學習中參與內容編寫的小論文在期刊上發表，組隊參加學生競賽，也取得了良好的成績。實踐證明該項課程方案是可行的，學生在學習過程中比以往表現出更高的熱情和積極性，并且對于團隊協作方面有了一定的提升。

五、結語

本文結合當前民用航空工業的需求和國家教委開展新工科改革的思想，針對課程教學中面臨的挑戰開發課程，提出案例式教學、翻轉課堂及專家講座的教學方案。在后續課程教學中將不斷探索，與工程實踐緊密結合，積極思考，尋求更好的、更有效的教學方式，以期達到更佳的培養效果，滿足行業對人才的需要。

參考文獻：

[1]陳農田，周長春，李楊.適航技術與管理專業人才的培養[J].中國民用航空，2013，（9）.

[2]中國民用航空總局航空器適航司.中國民用航空器適航管理[M].北京：中國民航出版社，2010.

[3]DO-178C.機載系統和設備合格審定中的軟件考慮[S].RTCA.Warrendale，PA.2011.

[4]DO-254.機載電子硬件設計保證指南[S].RTCA.Warrendale，PA.2000.

[5]劉英哲.EDA課程教學中存在的若干問題思考[J].教育現代化，2016，（34）：152-154.

[6]李暾，文艷軍，劉萬偉，等.軟件體系結構課程教學改革規劃與實施[J].計算機教育，2015，（6）：19-21.