随着先进材料、制造、操纵与控制技术的发展,航空航天技术正朝着空天往返方向发展,美国X37B于2010年4月22日的首飞成功,标志着人类已经实现了空天往返飞行的梦想。与此同时,A380、波音787、F-35、F-22、B-2、高速直升机等军、民用航空飞行器的性能越来越高,各种导弹和火箭的战术技术指标与性能快速提升,近30年来,航空航天飞行器技术取得了长足的进步。几乎所有关于未来科学技术发展方面的研究都认为,航空航天技术是人类21世纪最关键的技术之一。

进入21世纪后,我国的航空航天技术紧跟国际前沿,发展势头迅猛,先后自主研制了歼10、歼20、运20、直10、直20等先进战机、运输机和武装型直升机,C919的试飞成功,标志着我国民用航空技术已经跻身世界前列。

结构是飞机、直升机、导弹和火箭等各种飞行器的主体,结构技术水平的高低不仅决定了一般飞行器的先进程度,而且决定了飞行器空天往返的功能和能力,在航空航天技术中起着至关重要的作用^[1]。从飞行器研制立项开始到最终报废的全寿命周期中,与结构设计相关的工作(包括设计分析、定寿、生产超差处置、使用维护和报废处理等)非常多,对结构设计专业人才的需求量大。

此外,船舶、超高速列车、各种移动发射装置、应急桥梁等都需要采用轻质结构^[2-3],其设计要求与航空飞行器结构有一定的相似度,因此,相关部门或单位对我校飞机结构设计专业的学生也产生了需求。

随着我国飞行器结构技术的快速发展与跨越式进步,工业部门对新进人才的要求越来越高,现在飞机结构设计课程的教学目标、内容及方法很难适应社会对结构设计高级人才的培养需求。本文将结合作者30多年从事飞机结构设计技术研究与教学的经验,对飞机结构设计课程的教学目标进行探讨,以期推动本课程的建设与改革。

在文献[4]中,作者根据几十年从事直升机、飞机和导弹型号的研制经历与经验,总结出飞机结构设计技术水平的4个层次。

(1) 面向功能的设计：利用现有的工具和手段,设计出满足用户使用要求的结构或产品。

(2) 面向制造的设计：利用现有的工具和手段,不仅设计出满足用户使用要求的结构或产品,而且设计出来的结构或产品制造方便、成本低、工艺性能稳定,能够避免工艺不稳定带来的结构使用问题及高昂的维护费用。

(3) 面向服务的设计：在面向功能设计和面向制造设计基础上,利用现有的工具和手段,设计出用户体验感好、维护周期长、维护方便、维护成本低的结构或产品。

(4) 面向大数据的设计：根据结构分析原理,基于材料、结构、失效情况等数据库,以及使用环境、结构在线监测数据库,建立快速数据分析方法与问题分析模型,利用现有的技术、工具和手段,设计出能够对其进行状态监控、使用规划的结构和产品。该技术实际上是把结构作为智能系统进行设计。

前两个层次基本处于技术追赶阶段,后两个层次才进入了超越与自主创新阶段。

目前,国内飞机结构设计大部分处于面向功能设计技术水平,有些已经进入面向制造设计技术水平,正面临进入面向服务的设计。而国外发达国家大都已在面向服务设计技术水平,有的已经进入了面向大数据的设计层次。

现在的飞机结构设计课程应该面向未来,按面向服务的设计技术水平对人才的要求,确定新的教学目标。

基于多年的教学与型号研制经验,作者认为现在和未来的结构设计人员应具备以下4个方面的基本素质。

(1)综合协同创新能力：每个飞机、直升机新型号的设计都有重量和全寿命周期成本控制要求,综合协同创新思维能够综合材料、工艺、质量控制以及使用维护等多学科的知识与技术,提出创新结构形式,进行结构细节设计,提高结构效率。即使对于一般的工业产品或日常用品,也需要创新设计来提高自己的竞争力。否则,结构设计人员就成了制图员。

(2)沟通协调能力：结构设计人员除了完成结构制图与结构分析外,其实更多的工作是协调用户、材料供应商、结构制造商、成品供应商、结构验证与试验方、使用人员、维护人员等多方面的关系,以保证所设计的结构能够按期按质生产出来,并且能够被正确使用和维护。沟通协调能力是结构设计人员应该具备的另一项素质。实际上,对所有的专业,专业技能$+$人际沟通协调能力$+$信用才是一个人的整体实力。

(3)结构分析能力：结构分析是对新、旧结构载荷传递路线合理性、结构寿命、结构重量与工艺性等所作的定性和初步定量分析。结构分析能力的提升,能保证设计人员所设计的结构从原理上不会出现颠覆性问题,也能保证具体结构或细节分析、试验验证等方法的正确使用,提高结构设计效率。

(4)先进工具应用能力：利用最新、最先进的制图、分析软件或其他工具,提高结构设计、分析、验证效率,并为后续结构制造提供方便快捷的数字接口。通过提高结构分析精度,降低结构重量及制造成本。

现在的飞机结构设计课程以培养学生结构分析能力为主,对综合协同创新能力的培养非常欠缺,因此,学生进入工业部门后,须要经过比较长的时间才能胜任结构设计工作。

现在北京航空航天大学飞机结构设计课程的教学目标是：通过本课程的学习,学生应该掌握飞机结构设计中传力分析、结构形式选择、结构布置以及结构元件设计的基本原理和方法,在飞机结构分析与设计中善于抓住主要矛盾,并且具备综合分析复杂问题的能力,为将来从事有关飞机、直升机以及导弹设计这一具有创造性的工作打下扎实的专业基础。

可见,现在课程教学目标是基于面向功能的设计和面向制造的设计技术水平对人才的要求而制定的,难以满足现代和未来结构技术对设计人员能力的要求。

为此,根据面向服务的设计技术水平和结构设计人员的前3个方面基本素质(第4项素质由其他课程培养),本文提出飞机结构设计新的教学目标：通过本课程知识的学习和训练,使学生树立全机结构协同创新的思想,并能通过团队学习方式,快速掌握飞机结构设计原理和结构分析方法,初步具备飞机结构设计人员的基本素质。简而言之,培养具有面向服务设计技术能力的高素质结构设计人才。

根据新的教学目标,作者已经开展了相应的教学方法探索与实践,飞机结构设计课程教学的总体思路如图1所示。

具体的教学环节包括：基本原理与方法讲解、问题研究与讨论、结构案例分析、专题讨论、北京航空航天博物馆现场体验式教学和考试等6大部分,对应解决的结构设计技术问题和学生的基本素质与能力如图2所示。须要特别指出的是,课程教学全部在航空航天博物馆内进行。

结合考核方式的改革——从老师单向评价改为学生全员互评和老师评价相结合,课程教学取得了很好的效果。

当然,基于新的教学目标,教学内容也应进行相应的调整。文献[5]是我们现在使用的教材。下一步我们将从结构设计综合协同创新、材料与工艺、结构维护与修理,以及特殊服役环境结构设计技术等方面补充升级教材。

文献[6]对本课程的教学方法进行了比较详细的研究,并从学生主观和客观评价两方面总结了课程的教学效果,结果表明,94.3%的学生认为博物馆体验式教学是非常必要的,84%的学生对飞机结构设计博物馆体验式教学非常满意或比较满意;课程鼓励学生展示和自主思考,采用同学相互提问等模式调动了学生的课堂思考积极性,同时增加了互动环节,摆脱过去的教师讲学生听的方式,对学生的自主学习和以后工作中的交流合作都有好处;这门课为学生的航模制作和"挑战杯"课外学术科技作品制作打下了很好的基础。

飞机结构设计是飞行器设计与工程专业的核心课,该课程的教学目标定位是否准确,教学方法是否先进,不仅对学生能力和综合素质的培养具有重要的作用,而且对我校飞行器设计与工程专业国家级一流本科专业建设起着重要作用。

一门课程教学目标的制定需要长期的调查研究和深入思考,并从学科和相关技术的未来发展等多个方面进行综合考虑。本课程新的教学目标的形成得益于作者长期工程实践经验、教学经验,对教材建设的思考,以及国家、学校对教学工作的重视。对于类似飞机结构设计这种工程性非常强的课程,教师工程素养的提高显得尤为重要。