人工智能+新工科背景下航空发动控制专业教学改革

马静，缑林峰，韩小宝，郑华

（西北工业大学 动力与能源学院，陕西 西安）

一 引言

“新工科”是指在传统工科的基础上，与新兴产业相对应的专业，如人工智能、机器人、智能制造、云计算等；以及对传统工科专业的升级改造[1]。从2017年教育部发布了《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》起，为推进“新工科”的建设与发展，深化新时代工程教育改革，国内各高校开展了大量的与“新工科”相关的实践与研究[2-4]。

目前国内大学的学科专业设置中，已逐步将计算机技术、电子技术类、控制技术、网络与信息安全、新能源、新材料等专业纳入“新工科”的范畴；这些 “新工科”专业的设置更强调学科的交叉性、实用性与综合性，尤其注重新技术、新理论、新成果与传统工业技术的紧密结合，可以说是对传统工科的升级改造。

同时，随着人工智能理论的发展，其在社会经济与科技发展中发挥着日益重要的作用，教育也在从方方面面去适应人工智能带来的冲击。目前，人工智能已进入与产业深度融合发展的新阶段，必然推动着新工科背景下人才培养方向的转变——智能化、自动化和类人化等成为新目标；这也必然影响新工科的学科重新布局，意味着新工科某些学科专业的生成或消失，同时也促进新工科各学科专业的发展或融合。航空发动机是“飞机的心脏”，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。航空发动机技术涉及现代科技和工程的许多专业领域,集流体力学、固体力学、热力学、燃烧学、材料学、控制理论、电子技术、计算机技术等学科最新成果的应用为一体，对促进国家装备制造业发展和提升综合国力起着引领作用。航动机控制系统从20世纪40年代的机械液压燃油控制系统，经历了模拟电子控制阶段、模拟和数字电子控制阶段、全权限数字电子控制(FADEC)阶段等；航空发动机控制系统将向智能控制、主动控制和分布控制的方向发展，航发动机的智能化将成为未来总体目标。尤其是“两机”重大专项的实施和中国航空发动机集团的成立，加快了实现航空发动机自主研发和制造生产，也为航空发动机控制发展的提供了新的契机。

因此，新形势下对于航空发动机控制专业人才培养也提出了新的要求，基于人工智能的教学体系、教学模式及实践模式改革势在必行，这也是高校建设“双一流”的发展要求。

本论文在理清人工智能+新工科的概念、内涵、特点，及与本科生教育的关系等基本问题的基础上，研究人工智能背景下航空发动机控制专业的教学新模式[5-6]、新方法，构建基于人工智能和大数据的、以学生为中心的新工科课程体系，从教学内容、教学方法、考核模式、创新实验[7-8]等方面进行改革，探索人工智能背景下的混合式教学方法，初步研究在智能选课方面的应用。

二 传统航空发动机控制专业存在的问题

传统航空发动机制专业由于专业特点和教学条件的限制，注重于基础理论知识的传授，在教学中存在以下问题：

（1）因为早期的航空发动机教学以军用飞机为主，受到资料保密的限制，专业教学体系更新慢，教学内容相对陈旧；并侧重于理论教学，没有完全体现理论与实践的结合。

（2）由于传统专业划分的限制，对于航空发动机控制这种多学科交叉方向，通常都是划分在控制大类中，教学中以控制理论的课程体系为主，使得被控对象航空发动机和控制理论成为两张皮，没有体现航空发动机控制的特色和特点。

（3）在教学内容上，航空发动机制专业相关前沿知识不系统，教学内容相对于学科发展与应用有一定滞后；没有体现新工科和人工智能的影响。

（4）教学中缺乏适合本科生的新的教学方法，课堂讲授过多过细，留给学生独立思考的空间和时间少；翻转式、混合式、分层次等新的教学方式使用较少，科研训练参与度小，未能因材施教，不能使学生最大限度地发挥创造性。

（5）课程的考核方法比较单一，以知识的掌握为主，对能力考核有限，不能完全体现教学效果，也缺乏对学生学习的促进和引导作用。

（6）现有教学手段以多媒体教学为主，网络化在教学中使用程度较低，实物演示实验少，学生专业的整体认知度低，对后续毕业论文、课题研究不利。

（7）实践教学环节以验证实验为主，没有充分发挥融合工程实践、产教结合和创新创业的实践教学的作用。

这些问题严重地阻碍了新工科、人工智能对航空发动机控制专业教学的影响和应用，阻碍现有教学质量的提高。

三 人工智能背景下的航空发动机控制专业教学改革方案

教学改革从研究“人工智能+新工科”建设的基本特征出发，借鉴国外高校把创新教育和工程教育相融合的实践经验和研究成果，从“人工智能+新工科”背景下建设本科生教育的概念出发，研究将“人工智能+新工科”理念融入到航空发动机控制本科生教育、教学的路径、方法及其重要作用；以“人工智能”概念下的航空发动机控制专业本科生教学、考核及实践模式为研究内容，重点研究如何将人工智能相关的理论及课程建设融入到传统的专业培养方案中，使两者能够无缝衔接；把发展学生的创新思维、创业意识和创造能力作为人工智能背景下“新工科”人才培养的目标和标准，在教学模式上研究基于“雨课堂”、MOOC等的混合教学模式和多元化考核模式，以更好地适应新航空发动机控制专业对相关应用型人才的要求。航空发动机控制专业教学改革方案如图1所示。

图1 教学改革的总体方案

四 人工智能背景下的航空发动机控制专业教学改革内容

（一） 更新人工智能+新工科背景下航空发动机控制专业教学特点

根据研究团队近些年的研究成果和学科发展前沿，分析了航空发动机控制的发展趋势，获得了人工智能+新工科背景下航空发动机控制专业学生的培养需求和教学特点——“加强基础，结合学科，注重创新，融入智能”。航空发动机控制发展趋势与控制理论的关系如图2所示。

图2 航空发动机控制发展趋势

（二） 总结人工智能与新工科的结合方式，与本科生教育的关系和特点

“新工科”的提出是本科教学工程化的激励因素，为工程教育理论和实践的探索改革提供了全新的视角。通过对“新工科”人才培养目标定位、基本内涵、培养模式、质量标准及评价等方面的研究，为国家或学校新工科建设和实践提供决策。

要把人工智能全面、深入地融入到“新工科”建设中，首先要创新学科和专业建设的理念与实践过程；然后在开发以“人工智能+新工科”为导向课程的基础上，从人工智能专业基础知识和人工智能共性技术两个方面建设“人工智能+新工科”的新课程体系；再针对学生教学和培养阶段的不同特点，细化并扎实推进本科生的创新培养工作。因此，从发展“新工科”的战略高度出发，系统地规划基于人工智能的学科和专业，并积极发展以人工智能为基础的交叉学科和专业，努力培养具有与人工智能技术相关的研发和应用新型人才。

（三） 构建航空发动机控制专业新工科课程体系

工科专业课程设置一般按照本科教学规律分为通识通修课程、学科基础课程、专业核心课程、专业选修课程、综合实践课程等。对人工智能和新工科背景下的航空发动机控制专业课程建设进行研究规划，明确所需基础、专业支撑和课程内容；对人工智能背景下的新工科航空发动机控制专业课程体系及人工智能为基础的实践平台进行设计，重点从通识通修课程、专业骨干课程、专业前沿课程和工程实践类课程四个层面融入人工智能的思想和理论构建人工智能+新工科课程体系。使学生从基本认知、兴趣培养、思想了解、理论学习、方法掌握、实践操作几个方面逐步培养关于人工智能及学科专业的特点、优势和发展趋势，既能立足于当前的学习，又能兼顾将来的专业发展和新知识的不断更新。由此形成滚动动态发展的课程知识体系。

（四） 开展适合新工科下航空发动机控制专业混合式教学方法

“雨课堂”是一款基于微信和PowerPoint的教学软件，既可以在手机上使用，也可以在电脑上使用。雨课堂的突出特点在于能够覆盖课前-课上-课后的每一个教学环节，课前教师可以通过该软件将含 MOOC资源、视频、语音和习题的预习课件提前推送到给学生，学生可以用手机及时和老师互动反馈；在课堂教学中，该软件除提供内容丰富的多媒体教学课件外，也可完成课堂签到、实时答题、弹幕互动、红包奖励、教学效果反馈等；课后除复习内容外，还可以为师生提供完整、立体的数据支持，包含个性化教学效果报表、教学任务提醒等，提高教与学的兴趣和效果。

以“雨课堂”为核心构建航空发动机控制专业课程的混合式教学模式，由课前导学（线上自主学习）、课堂重点和难点讲解（基于雨课堂线下实时讲授+线上深度讨论）、课后深入复习（线上指导复习）、各个环节的过程性考核等方式构成，使传统的“教师教授为主”的教学模式向以“学生自主学习为主”的教学模式转变。因此，教师借助以“雨课堂”为核心的现代化教学工具引导和激发学生的学习，充分利用教学各个阶段的特点和优势，结合多种教学手段和方法以期实现最优化教学。混合式教学模式框架如图3所示。

图3 课程混合式教学模式框架设计

（五） 开展融合工程实践、产教结合和创新创业的新航空发动机控制专业的创新实验教学

将人工智能的最新概念始终贯穿在航空发动机控制专业的课程体系中，通过不同类型的实验培养学生的不同能力；以兴趣培养为导向，以知识面拓宽为方向，以动手实践能力、主动学习能力和创新能力提高为目标；并初步具备开展独立研究的能力，能将课堂教学、课程设计、校内实验和校外企业实习相互结合。除正常实验课程外，鼓励学生参加各钟类型的创新、创业竞赛；同时，学生可以组队参加科研见习、高峰体验计划等实践项目进入科研实验室，由相关研究方向的教师为学生指引道路，使学生早日融入教师的科研团队中去；通过一定科学研究的开展，提高学生的团队合作能力、动手实践能力和科技创新能力。

（六） 新航空发动机控制专业本科生多元化考核模式

适当的考试有利于教师准确、及时地掌握学生学习情况，不断改进教学内容和教学方法，提高教学水平；也有利于调动学生学习的积极性和主动性。多样化的考核形式能考查出学生的真实素质和能力，除传统的线下笔试（含闭卷考试、开卷考试）外，可采用口试、平时课后作业、课堂练习、单元测验、期中测验、课堂辩论、专题研讨、团队作业、课程设计、实验实习报告等多种考核形式，注重评价总结和效果反馈，使学生及时了解自己的学习状况，提高学习兴趣。最终实现以考促教、以考促学的目的，达到考核类型多样化、考核内容全面化、考核过程全程化。

（七） 初步探索智能控制理论构建航空发动机控制专业本科生智能选课系统

神经网络作为人工智能的核心内容之一，由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统。结合航空发动机控制专业特点，选取学生已学课程和新工科专业需求等多参数作为输入元素，选取你选择课程作为输出，初步实现智能选课；这样利用神经网络模式识别可构建本科生智能选课系统，利用MATLAB构建人机界面，实现人工智能+新工科环境下不断更新的智能选课GUI系统。初步思路如图4所示。根据基于人工智能的新工科背景下航空发动机控制专业特点，选取合适的输入、输出元素，利用神经网络、模式识别构建本科生智能选课系统，初步探索人工智能在教学实践中的应用。

图4 智能选课平台思路

五 结语

高校教学既要体现学科专业特点，也要紧跟时代科技和行业发展已成为引导趋势。根据目前航空发动机控制行业的发展状况，结合人工智能+新工科背景下对于已有工科专业的影响，预测了航空发动机控制专业的未来发展趋势；重点分析此背景下航空发动机控制在内容、结构等方面的变化和本科生教育的变化，认真梳理本专业人才的核心素养。依据新工科学生培养的新质量标准，构建专业教学体系和智能选课系统，采用多种结合专业特色的教

学模式和手段，理论与实践紧密结合，使培养的学生具有解决复杂工程问题能力、具备创造能力和终身学习的能力。