航空宇航类课程融入数字孪生技术的教学实践

陈雪芹 邱实 吴凡 刘明

［摘 要］ 以哈尔滨工业大学航空宇航科学与技术学科承担的本科生课程“航天器优化设计方法”为例，介绍了航空宇航类课程中的数字孪生教学实践情况。结合基于项目的学习和体验学习的方式，进行教学模式设计。在不改变课程原有教学设计框架的前提下，在部分重点教学内容中，融入数字孪生教学系统，用以辅助开展教学。通过在多维场景中进行情境体验和探索，可以提高学生的专业认知。采用多环节累加式考核方式，并进行了教学反思。为基于数字孪生开展航空航天类专业课程建设提供参考。

［关键词］ 航空宇航；数字孪生；航天器

［基金项目］ 2021年度哈尔滨工业大学本科教育教学改革研究项目“科创教学结合探索航空宇航学科新型人才培养模式”（XJG202102）；2021年度国家自然科学基金委基础科学中心项目“高阶全驱系统理论与航天器控制技术”（62188101）

［作者简介］ 陈雪芹（1982—），女，四川广元人，博士，哈尔滨工业大学航天学院研究员，博士生导师，主要从事航天器故障诊断与控制系统设计研究；邱 实（1990—），男，江苏盐城人，博士，哈尔滨工业大学航天学院副研究员，博士生导师（通信作者），主要从事航天器星务系统总体设计研究。

［中图分类号］ G640［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）36-0140-04 ［收稿日期］ 2022-07-11

引言

随着智能化、数字化概念在各行各业的广泛应用，数字孪生、元宇宙等技术为航空航天领域带来了技术变革。世界知名的IT调研与咨询服务公司Gartner近十年来对数字孪生技术予以高度关注，通过持续调研分析发布了一系列数字孪生技术相关的报告和指南，预测了数字孪生技术未来必将全面应用于世界各行各业。我国也在2020年由工信部中国电子技术标准化研究院牵头编写并发布了2020年《数字孪生应用白皮书》。

在教育领域，智能化的教学手段已离不开数字孪生技术。国外例如美国加州大学、瑞士应用科技大学、芬兰坦佩雷大学已取得了显著的数字孪生教育应用成果［1］；国内大量学者也已逐步在机器人虚拟仿真、北斗导航实践教学、船舶与海洋平台设计教学等教学环节中融入了数字孪生技术［2-4］。

在航空航天领域，“数字孪生”已经开始在总体设计、智能装配、健康管理等方面发挥越来越大的作用［5］。在总体设计方面，从多个维度进行航天器系统工程的综合，搭建基于数字孪生的系统工程整体模型，涵盖了从设计、工艺到装配、试验以及在轨运行的各个典型阶段［6］。在智能装配方面，不再局限于采用传统的基于物理模型的试装，而是基于实测数据搭建数字孪生模型，实现高复杂易形变航天舱段的高精度数字孪生装配，以提高装配性能和装配的成功率。在健康管理方面，依靠航天器全生命周期建设，基于实测数据实时同步逼近航天器在空间环境中的状态，在系统级的数字孪生体中引入故障模型库和健康管理策略库，再经过训练实现对故障状态的模拟，实现航天器全系统健康管理［7］。在环境试验方面，将虚拟试验和环境试验深度融合，基于数字孪生和多智能体的概念，设计试验内涵建立智能试验管控平台［8］。

一、教学设计

（一）课程目标

航天器优化设计是在众多方案中确定最优方案以及如何确定最优方案的一项技术，是提高航天器设计水平的重要途径，对实现航天器“快、好、省”的设计思想有着重要意义。本课程针对航天任务设计过程几个主要阶段的优化问题，介绍其实现途径、问题建模以及优化求解等。同时，结合典型的航天器设计优化问题工程实例，对所采用的优化理论、算法以及应用进行讲解，促进学生对优化设计方法及其实际应用的理解与掌握，增加学生的学习兴趣和感性认识。

“航天器优化设计方法”是飞行器设计与工程专业的重要专业选修课，在整个专业教学中具有承上启下的作用，在培养学生创造性思维、综合设计能力和实践能力方面占有重要的地位。

本课程的主要任务是通过课堂教学、课题小组作业、数字孪生教学系统实践等环节培养学生的系统工程思维与协同优化的应用能力，使学生进一步熟悉和掌握航天器优化设计、优化方法与技术，掌握优化设计软件的使用方法，注重在工程实践中提高学生的综合能力，使学生走上工作岗位后能很快进入“角色”。

課程目标对学生的能力要求如下。

课程目标1：熟悉航天器优化设计的相关程序及方法，掌握航天器优化设计的基本概念和设计方法；引导学生应用优化设计方法和优化软件进行航天器的设计建模、分析与协同优化，逐步具有应用优化设计思维和工具解决工程实际问题的能力。

课程目标2：掌握优化设计软件的主要功能、方法和技巧，进行独立完成课题的基本训练。

课程目标3：在课题小组作业研究过程中培养和锻炼学生的研究能力、表达能力和在团队中发挥作用的能力，以及团队合作精神。

（二）教学模式设计

基于数字孪生的教学模式的理论基础主要有基于项目的学习、体验学习、从中学、态势感知理论等［1］。本课程在过去的课程设置中，主要以基于项目的学习方式开展教学［9］。从项目入手，理论结合实践，旨在培养一批航天领域领军人才和创新人才。基于数字孪生进行教学模式设计时，将基于项目的学习与数字孪生场景结合，开发了数字孪生学习系统，通过在数字孪生学习系统中的体验学习，在多维场景中实现情境体验和探索，可以提升学生的航天器系统认知，为航天器优化设计提供多维的学习途径。

1.基于项目的学习。课前结合课程教学内容，以及教师所在学术团队正在承担的型号任务或者项目，提出几个可执行的小型学习项目。在学生上课初期，结合学习内容，将学生分组，并对应安排学习项目。每个学习项目在数字孪生学习系统中都有对应的学习环节，学生可以通过教师结合数字孪生学习系统的讲解和演示，或者亲自通过情境体验完成学习项目的学习，最终完成全课程学习。

2.體验学习。体验学习是一种通过自身体验转换进行知识创造的过程，主要包括个体体验、反思性观察、抽象概念化和积极实验四个阶段［1］。顾名思义，体验学习就是通过亲身体验，在场景中通过教师讲解或者亲自操作获得知识的过程。将小型学习项目与不同的数字孪生场景结合，可以达到比单纯依靠基于项目的学习方式更好的学习效果。

（三）教学实施

基于数字孪生的课程教学环境如图1所示。

以“航天器优化设计方法”课程为例，课程的主要教学内容有航天器优化设计的基本概念、航天任务分析及星座优化设计方法、航天器总体参数优化设计方法、航天器轨道优化设计方法、粒子群算法及其航天应用情况、航天器多学科设计优化方法。其中，航天任务分析及星座优化设计方法和航天器轨道优化设计方法两部分教学内容可以结合数字孪生教学系统开展，本文以教学内容——星座优化设计方法（2学时）为例。通过视频和电子课件讲解，学生初步掌握了航天器任务分析方法、任务轨道优化设计流程、轨道设计约束条件、轨道设计的指标、特殊轨道设计、基于遗传算法的星座优化设计等内容，在教学内容讲解的最后，通过数字孪生教学系统中的实施案例分析，可以加强学生对学习内容的理解。

未结合数字孪生教学系统时，课程中实施案例分析结合STK软件演示讲解，根据给定的航天器应用目标、轨道设计指标和设计约束条件，完成某近地轨道星座优化设计，如图2所示。如今，数字孪生教学系统将STK软件和其他仿真软件的数据全部导入数字孪生教学系统，教师或者学生可以基于此开展星座优化设计和案例分析，如图3所示。数字孪生教学系统中融入了型号卫星的真实在轨数据、桌面测试数据以及孪生数据，教学时可以结合各类数据对设计内容进行实时对比和分析。

二、考核方式

采用多环节累加式考核方式，包括课堂参与情况、课题小组作业和期末考试，总评成绩以百分计，满分100分，各考核环节所占分值比例可根据具体情况进行微调。数字孪生教学系统作为课程案例实施演示的载体，学生在该教学系统中的参与情况不作为考核的环节。

（一）课堂参与情况

课程初期让学生调研一些本课程的热点问题，课上结合学生的专业兴趣点和学生完成过的相关课程的大作业案例，设置一些轨道案例进行讲解，并与学生探讨优化途径。同时，通过教学中学生评教系统反馈和课堂反应及时调整教学方案。

（二）课题小组作业

课前设置多个小组作业，根据课堂参与时学生表现出的不同专业兴趣点，将学生划分为多个小组分别开展。同时结合数字孪生教学系统需求，有的小组的作业是提供数字孪生教学系统的输入数据，有的小组的作业是提供数字孪生的场景，为后续开展数字孪生教学实施做准备。每个小组提交一份设计报告或者数据包。考核课题小组作业时，主要考核报告的完整度、设计思路是否清晰、数据是否真实等。

三、教学反思

航空宇航技术的发展离不开工业技术的支持，航空宇航人才的培养离不开新型教学方法的实施。航空宇航类专业课程的开展必须紧跟工业信息技术的发展，防止照本宣科、闭门造车。随着电子信息技术的大力发展，以及越来越多的商业航天企业的崛起，人工智能、大数据、数字孪生、元宇宙等技术已经在航空宇航技术的方方面面得到了快速应用与有机融合。航空宇航技术的实施已经从过去的某一个企业或者某一个研究所内部的局部研究，转变为整个航空宇航领域结合现代新型技术方法广泛开展的技术共享。航空宇航人才的培养从过去的工程师式的技术储备式学习，转变为能够与当下新型工业信息技术快速结合的高端领军人才培养。基于数字孪生的教学实践试图将数字孪生与航空宇航类学生教学有机结合，有助于将传统航空航天技术与现代新型工业信息技术融合，然而也需要细化学习内容，防止盲目结合，浮于表面。

参考文献

［1］李海峰，王炜.数字孪生教育应用的教学模式探究：基于美国、瑞士和芬兰数字孪生教育应用的案例分析［J］.现代教育技术，2021，31（7）：12-20.

［2］李福，吴益飞，孔维一，等.数字孪生趋势下机器人虚拟仿真实验建设［J］.实验技术与管理，2021，38（10）：265-268+287.

［3］朱蕊，王力，徐立，等.数字孪生在北斗导航实践教学中的探索与应用［J］.测绘通报，2022（S1）：110-112+131.

［4］袁利毫，刘旸，昝英飞，等.数字孪生船舶与课堂、实验教学的融合探索［J］.创新创业理论研究与实践，2022，5（1）：130-132.

［5］孟松鹤，叶雨玫，杨强，等.数字孪生及其在航空航天中的应用［J］.航空学报，2020，41（9）：6-17.

［6］王建军，向永清，何正文.基于数字孪生的航天器系统工程模型与实现［J］.计算机集成制造系统，2019，25（6）：1348-1360.

［7］袁利，王淑一.航天器控制系统智能健康管理技术发展综述［J］.航空学报，2021，42（4）：122-136.

［8］张文杰，王国新，阎艳，等.基于数字孪生和多智能体的航天器智能试验［J］.计算机集成制造系统，2021，27（1）：16-33.

［9］王峰，陈雪芹，陈健，等.科研带动教学、促进学生创新能力培养的教学实践：以哈工大微纳卫星学生团队培养模式为例［J］.大学教育，2020（3）：146-148.

Teaching Practice of Aeronautical and Astronautical Courses： Taking the Course of Optimization Methods for Spacecraft Design as an Example

CHEN Xue-qin， QIU Shi， WU Fan， LIU Ming

（School of Astronautics， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： Taking the undergraduate course Spacecraft Optimization Design of aerospace science and technology of Harbin Institute of Technology as an example， this paper introduces the teaching practice of digital twins in aerospace courses. Combining project-based learning and experiential learning， the teaching model approach is designed. Without changing the teaching design framework， the digital twin teaching system is integrated into some key teaching contents. Through situational experience and exploration in multi-dimensional scenes， students professional cognition can be improved. The method of accumulative assessment is adopted， and teaching reflection is carried out. It provides a reference for the curriculum construction of aerospace majors based on digital twins.

Key words： aerospace; digital twins; spacecraft