基于工程能力培養的“航空電子系統設計技術”課程建設研究

田毅 劉暢 馬世耀 史春蕾

中國民航大學 天津 300300

隨著國產民機型號研制、運行的促進，民機機載系統研制進入快速發展期。適航審定能力作為中國民航業的“四個短板”之一，適航專業型人才缺乏是一個關鍵制約因素[1]。“航空電子系統設計技術”是航空器適航審定工程機載系統與設備適航審定方向碩士研究生學科選修課，講授典型的民用航空器航空電子系統、航電系統體系結構、機載數據總線、軟硬件設計實現技術、適航要求等內容。課程滿足工程教育對學生系統工程能力培養的需要，要求學生在掌握航空電子系統基本原理的基礎上，熟悉如何進一步開發符合適航要求的復雜電子系統，培養學生對航空電子系統進行分析、設計和適航審定的能力，能夠獨立解決適航審定與符合性驗證方面的工程技術問題。航空電子系統設計能力包括航空電子系統設計層次抽象，系統功能的軟硬件劃分與構建，系統的驗證、鑒定，裝機產品保證，系統研制保證。

航空電子系統涵蓋系統、安全、計算機、信息、控制等眾多學科知識，知識點較為離散，知識內容有一定的交叉又相互獨立。在學校現有專業課程體系中，設置有獨立的課程，但課程內容重點關注具體專業領域知識內容的完整性，課程間缺乏主線貫穿，關聯性不強。設計工作中描述工作要求與實際的工程技術也缺乏關聯，學生難以對航電系統設計形成清晰的認識。另外，民航工作強調安全是底線，鑒于航空電子系統愈發復雜的趨勢，對于如何將設計中安全性要求進行捕獲、落地以及實施的等知識內容還需要加強。

課程已經講授多年，對學生建立相關適航性設計理念發揮了重要作用，但在教學過程中也發現課程內容框架需要調整，知識點需要更新，教學手段需要革新。針對當前教學過程中存在的不足，以培養航空電子系統工程設計能力為目標，開展課程建設研究。

1 課程分析

航空器適航審定工程專業是一門新興交叉學科，研究保持和提高民用航空器安全性水平的基礎理論、科學技術、項目管理與控制等內容，關注航空器適航審定領域的科學問題和應用技術，分為飛機結構、航空發動機、機載系統與設備三個專業研究方向。依據2021版研究生培養方案[2]中的課程設置，機載系統與設備適航審定研究方向的課程群已經基本形成，包括“航空電子系統概論”“航空電氣系統概論”“航空器適航審定”“可靠性理論及應用”“民機系統安全性設計與評估”“系統工程原理及應用”“機載電子軟硬件的設計與驗證”“機載系統環境防護設計與驗證”“航空電子系統設計技術”“綜合化航電系統安全性評估技術”“飛行控制系統設計理論與方法”“系統仿真技術”等，支持航電、飛控兩個細分方向研究生培養，課程體系如圖1所示。其中，“航空電子系統概論”“航空電氣系統概論”是學科補修課，主要是機載系統概念介紹，要求非民航院校畢業生源按照細分方向進行選修。

按照國際航空認證委員會認證關于畢業要求的描述，航空專業教學要確保其畢業生擁有11種通用的能力[3]，包括：數學、科學及其他科學知識的應用，數據分析與解釋，多學科背景團隊協作，職業道德，書面和語言溝通，終身學習意識，現有問題認知，專業技術、技能以及先進技術使用，在航空專業中實踐，國內外航空環境評估，發現問題、解決問題，航空業務可持續性評估。“航空電子系統設計技術”課程針對航電細分方向起到了承上啟下的作用，依據技術發展，參考專業認證的要求，對課程內容的建設需求如下：

(1)承接前序課程中的適航審定基礎知識、規章要求、審查程序，系統、軟件、硬件研制保證方法，環境要求等適航知識內容，綜合多學科知識，對前序課程內容進行整合編排并從設計實現的角度進行講解。

(2)支持后續課程開設，對航空電子系統相關的數學、科學知識進行關聯，展現對數據的分析與解釋過程，突出專業技術、技能以及先進技術在系統研制中的應用。

(3)支持學生科學研究工作，依據航空專業實踐，啟發學生發現問題并通過資料檢索、建模仿真、思維實驗等方式探索如何解決問題，同時培養學生的書面和語言溝通。

(4)突出民航業務特點，簡述當前國內外航空產業環境，引導學生發掘當前行業的問題，培養學生終身學習意識以及良好的職業道德。

(5)圍繞航空安全要求，突出安全性設計技術相關內容。

圖1 機載系統與設備適航審定課程體系

2 課程建設與探索

針對上述建設需求，圍繞“新工科”工程教育改革，以工程能力培養為目標對“航空電子系統設計技術”課程進行改革，具體內容如下。

2.1 課程建設基本思路

以學生工程能力培養為目標開展課程建設，實現課程質量的提升，滿足行業人才培養的需要。具體包括：依據學生工程能力提升過程重構教學內容框架，從對航空電子系統的認知到設計技術實施再到保證技術拓展，逐漸提升學生的工程能力；結合工程應用，對關鍵知識點從廣度和深度精心設計教學案例，加強學生對課程內容的理解；利用學校現有網絡教學平臺改進教學方法，提高學生的學習興趣。

2.2 課程內容設計

根據航空器適航審定工程專業培養方案的安排，“航空電子系統設計技術”課程安排在第二學期開設，結合相關課程的開設，調整后的課程內容及基本邏輯如圖2所示。

課程分為四個部分，包括基礎知識、設計技術、研制保證技術以及案例分析，各部分內容是一個遞進關系。基礎知識銜接前序課程，通過對于航空電子系統的基本知識、相關法規和標準，典型航空電子系統等內容的講授，讓學生對航空電子系統有一個直觀認識；設計技術從工程實現的角度，通過航電系統的基本設計架構及組成、航空數據總線互聯技術的講解，同時關聯其他專業技術和實現方法，讓學生體會到從系統需求如何落實到具體部件的設計實現，培養學生對工程項目的結構化思維能力；研制保證技術是為了保證航空電子系統滿足用戶航空應用為目的，對設計保證、設計與鑒定、應用驗證和裝機產品保證等各個過程中所涉及的技術和要求進行梳理，突出系統安全性設計與分析方法，提高學生的綜合設計能力；案例分析則在課程最后，通過適航取證工程案例和硬件設計實現工程案例，系統梳理前序課程內容，鞏固學習效果。

圖2 課程教學內容及基本邏輯

2.3 教學案例開發

“航空電子系統設計技術”課程的授課對象為航空器適航審定工程、交通運輸、機械方向的一年級碩士研究生，部分學生本科為非航空類院校，學生對于航空設計的知識體系不全面，并且絕大多數不具備工程實踐經驗。此外，課程內容需要貫穿適航相關的概念，比如，過程保證、適航審定要求等知識內容抽象，學生難以理解。因此，課程需要依據教學內容，結合學生的專業背景設置教學案例，通過案例牽引，幫助學生從已有的知識遷移到新知識，提升學習興趣。

案例按照課程的內容系統開展設計，并注重課堂中引導學生進行思考和討論，從知識的廣度和深度兩方面進行案例開發。

(1)多學科知識融合。航空電子技術涉及多個學科領域，部分知識點字面表達不同但內涵相同，比如，配置管理和構型管理在民機系統研制中指代相同，在學習過程中容易混淆念，借助案例將多學科的知識進行貫穿。以航空中廣泛使用的ARINC 429航空數據總線接口研制為例[4]，按照航空設計標準完成一個可復用的A級知識產品(IP)軟核，涵蓋整個生命周期過程的關鍵活動，符合性數據編制、計劃過程、開發過程、支持過程、適航審查等知識內容，并將管理科學、計算機仿真、電子設計與測量等多方面知識進行融合，案例涉及的知識點分為管理知識和技術知識兩部分：

a.管理知識：計劃過程中包括計劃資料編制、資料評審、計劃階段審查；需求捕獲過程中是需求管理；概念設計過程中包括設計資料編制、資料評審；詳細設計過程中包括基線、問題報告、更改控制、設計階段審查；設計實現過程中包括驗證報告的編制，設計追溯，確認和驗證階段審查；試生產過程中包括完結綜述編制、完結審查。

b.技術知識：在需求捕獲過程中開展需求編制、確認，以及使用DOORS工具管理需求；在詳細設計過程中進行硬件編碼、檢查，使用仿真工具進行功能仿真、元素分析；設計實現階段進行設計約束，生成位流文件，時序仿真，靜態時序分析，使用測試儀器進行板卡測試。

(2)知識縱向拓展。航空電子系統設計可以借鑒通用電子設計的方法，但也有自己的設計特征，如強調安全性。因此在講述設計技術時，要明確安全性設計思路和方法。以在航空、航天、鐵路中有廣泛使用的三模冗余方法為例，該方法是一種有效的系統加固設計方法，當一個輸出與其他兩個的輸出狀態不同時，系統的輸出狀態不會發生變化。在實際中，學生僅僅知道該方法，但沒有進行過系統的認識，使得該方法使用的效果不佳。依照基本概念、實現架構、安全性分析方法、架構改進的思路開展案例設計，如圖3所示。首先講述三模冗余的基本概念和應用，接著講述基本的三模冗余安全性控制器結構[5]，然后通過使用故障樹分析或馬爾科夫模型分析方法對架構進行安全性分析，最后結合上述分析法的結果，采用系統機制對控制器結構進行改進，得出帶診斷的三模冗余安全性控制器結構以實現系統的容錯。在講授過程中要提醒學生注意加固措施的實施所帶來的資源的消耗，并思考加固所帶來的費效變化。

圖3 三模冗余方法案例知識點講授思路

2.4 教學方法

由于課程知識點多、概念多的特點，課堂講授容易讓學生產生枯燥乏味的感覺，影響教學效果。借助學校研究生部網絡教學平臺，將教學過程由單一課堂學習延伸至課前和課后。課前準備好視頻、電子文獻發給學生提前“暖場”，課中“抖包袱”，將準備好的評語、問題以彈幕、搶答等形式調節課堂氣氛，課后發布知識點總結并通過習題練習、測試強化學生記憶，有效提升學習效果。

結語

文章分析了“航空電子系統設計技術”課程在航空器適航審定工程專業研究生培養中的作用，梳理了當前課程建設的需求，圍繞建設需求并且以工程能力培養為目標，提出了在課程內容、教學案例開發、教學方式上的建設思路和實施方法，為其他適航專業課程建設和改革提供參考。