面向智能制造的飞机数字化设计制造技术课程教学改革探索

摘 要：该文探讨面向智能制造的飞机数字化设计制造技术课程教学改革。分析总结当前飞机数字化设计制造技术课程面临的主要问题，包括教学内容多、学习任务繁重、授课模式单一、创新实践能力培养不足等。提出通过重构面向智能制造的课程教学知识体系、增设基础型和探索型实践教学环节、实施科研项目牵引式案例教学、有机融入课程思政等四个途径，来完善教学内容、提升教学质量、强化创新意识、拓宽学科视野、提高综合素养并激发空天报国情怀。拟为智能制造背景下新工科专业建设和教学改革提供借鉴。

关键词：教学改革；智能制造；数字化设计制造；飞机；飞行器制造工程

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）35-0141-05

Abstract： This paper explores the teaching reform of Aircraft Digital Design and Manufacturing Technology course for intelligence manufacturing. The main problems faced by the current Aircraft Digital Design and Manufacturing Technology course are analyzed and summarized， including too much teaching content， heavy learning tasks， single teaching mode， and insufficient cultivation of innovative practical ability. This paper puts forward four approaches， such as reconstructing the knowledge system of intelligent manufacturing course teaching， adding basic and exploratory practice teaching links， implementing case teaching of scientific research project， and organically integrating into curriculum ideology and politics. The purpose is to improve the teaching content， improve the teaching quality， strengthen the consciousness of innovation， broaden the field of view， improve the comprehensive quality and stimulate the feelings of serving the country. The study intends to provide a reference for constructing courses and teaching reforms in new engineering majors under the background of intelligent manufacturing.

Keywords： teaching reform; intelligent manufacturing; digital design and manufacturing; aircraft; aircraft manufacturing

随着智能制造和工业4.0的深入研究和推广应用，制造业不断出现调整生产流程、优化管理结构、降低生产成本的新框架和新方法，各制造企业也面临着采用数字化技术、发展智能化生产的挑战。数字化设计制造技术是实现智能制造和工业4.0的基础，是现代及未来高端产品研发不可或缺的支撑技术。飞机作为一种典型的高端机械产品，具有复杂度高、气动外形要求严格、设计更改频繁、产品构型众多、零件材料和形状各异、系统布置密集、零组件数量庞大等特点，研制技术难度大，是衡量一个国家科技和工业水平甚至是综合国力的重要标志之一[1-2]。我国作为航空航天大国，于2008年和2017年分别实现了支线客机ARJ21和干线客机C919的成功首飞，切入了原由美国波音和欧洲空客垄断的大飞机市场，对我国航空制造业的发展具有标志性意义。

在飞机的研制过程中，数字化设计制造技术一直是产品迭代更新、企业创新发展的有力工具[3]。无论是空客A380、波音B787，还是商飞C919，都深度应用了基于数字化设计制造技术的飞机创新研制模式。在北京航空航天大学等开设飞行器制造专业的高校，飞机数字化设计制造技术是一门培养学生掌握、应用、开发和研究飞机数字化设计制造方法和技术的课程，是航空宇航科学与技术学科飞行器制造工程系的核心专业课程之一，面向本科学生开设。该课程涉及专业广、运用技术新，学生需要在有限的学时内学习和掌握的知识多、压力大，亟需探索一套合理融洽的教学实践体系。此外，近年来智能制造技术发展迅猛，已经在航空制造企业得到初步应用并取得显著成效，有望推动航空制造业的智能化转型[4]，飞机数字化设计制造技术课程需要充分考虑智能制造赋能下飞机设计制造技术的未来发展趋势和演变模式。因此，开展面向智能制造的飞机数字化设计制造技术课程教学改革探索，为我国航空航天领域培养理论基础扎实、创新能力突出、理想信念坚定的卓越领军人才，无疑具有重要意义，同时也是教育工作者的使命担当。

一 飞机数字化设计制造技术课程的教学目标和任务

飞机的数字化设计和制造是指借助计算机技术和信息技术等来辅助飞机的设计与制造，其核心是构建飞机设计和制造的数字化模型及环境。数字化设计制造是现代及未来飞机设计和制造的主要发展趋势和实现方式，是适应新一代飞机研制需求的有效技术途径。飞机数字化设计制造技术课程主要从系统、技术及专业开发三个方面，对飞机研制过程中的软件技术需求、系统结构、关键技术及专业化开发等进行系统化介绍，旨在使学生了解飞机数字化设计和制造的基本过程及方式，掌握飞机数字化设计和制造的核心理论知识，具备熟练应用常见飞机数字化设计制造软件的基本技能和开发相关专业化软件工具的基本能力。

在理论知识掌握方面，通过基础知识讲授和案例教学，学生应掌握飞机数字化设计制造的基础理论（包括实体建模、曲面建模、几何变换、基础有限元计算和零件数控加工等核心知识），了解飞机数字化设计制造的全过程、关键支撑技术及整个系统的主要构成。在实践技能培养方面，通过数字化设计仿真实验、虚拟装配实验、制造工艺实验等实践教学，学生应熟练使用主流数字化设计与制造软件（如CATIA、SOLIDWORKS、ABAQUS等），能够应用这些软件进行飞机零部件的设计、仿真与加工规划等，理解这些软件功能背后的基本原理和开发思路。在综合素质提升方面，通过项目牵引、案例分享等教学环节，学生应具备分析和解决实际工程问题的核心能力，提升团队协作与创新意识。在多学科团队协作中，做到理想信念坚定，责任担当强烈，并具备过硬的综合素养，能够有效应对复杂的飞机设计制造挑战。

二 飞机数字化设计制造技术课程教学存在的问题

近二十年来，中国航空制造业取得了长足进步，自主研发能力大幅提升，设计制造技术进步明显，产业链不断完善。但是，先进技术特别是智能制造技术的高速发展和迭代对专业人才的质量也提出了更高的要求，航空制造业尤其面临创新人才储备短缺、核心技术与自主创新能力不足、国际市场开拓困难等多方面挑战。作为我国航空航天领域后备人才培育的重要基地，我们需要针对国家重大战略需求，直面航空高端装备制造面临的挑战，培养引领未来航空科技发展的卓越创新领军人才。飞机数字化设计制造技术课程作为专业核心课程，与一般的基础理论课程截然不同。该课程涉及航空工程、机械工程、计算机科学、信息技术、数学与物理等多学科的交叉融合，强调基础理论与实践应用的紧密结合，注重将理论知识应用于飞机的数字化设计和制造过程，是培养学生飞机设计、制造、研发和创新能力的关键课程之一。然而，由于课程内容涵盖广泛、基础理论深刻、软件技能要求高、应用场景复杂精密，教学过程中仍存在诸多不足，主要体现在以下几个方面。

（一） 课程内容涵盖广泛，学生学习任务繁重

飞机数字化设计制造技术课程的教学面向现代及未来飞机的研制过程，涉及专业广、运用技术新，学生需要学习和掌握的知识较多、学习压力较大。飞机数字化设计和制造过程可以划分为三个阶段：数字化设计、数字化生产准备和数字化制造（图1）。在数字化设计阶段，通过气动设计、结构设计、系统设计等子模块实现飞机产品的全三维设计，为数字化生产准备阶段提供数模；在数字化生产准备阶段，依据三维数模和制造条件，进行飞机零部件的工艺规划和工装研制等，为飞机数字化制造阶段提供生产条件；在数字化制造阶段，依据生产条件实现飞机零部件的生产制造、系统安装和整机的数字化装配等，形成完整的飞机产品。在整个飞机设计制造过程中，需要一系列专业软件的支撑，包括计算机辅助设计（CAD）软件、计算机辅助工程（CAE）软件、计算机辅助制造（CAM）软件等。由此可见，该课程所涵盖的理论、技术和系统之复杂，学生在有限的课时内学习和掌握相关知识与技能将面临着极大挑战。如果缩减教学内容，学生将难以形成完整的飞机数字化设计制造知识体系。因此，在确保教学系统性的前提下，如何平衡教学内容的深度与广度以及学生学习的难易程度，成为当前飞机数字化设计制造技术课程教学中亟待解决的问题。

（二） 技术应用更新快，教学内容滞后于行业需求

技术的发展日新月异。近年来，飞机数字化设计和制造技术取得了显著进步，然而，现有课程仍偏重理论教学，内容更新缓慢，教材略显陈旧，导致部分教学内容滞后于行业需求[5]。为了提升飞机研制效能和增强产品竞争力，航空制造业在原有成熟技术的基础上，积极探索并引入了包括数字孪生、3D打印、人工智能、增强现实、人机协作和绿色制造等在内的先进设计制造技术和系统（图2），这些新技术正逐步得到应用和重视。高校作为前沿技术和理论的探索阵地，应走在技术发展的前沿。然而，教学内容滞后于行业需求，将严重影响学生对新一代飞机研制的理解，制约其创新实践能力，不利于其职业发展与竞争力的提升。

（三） 授课模式单一，创新实践能力培养不足

专业软件和工具贯穿了飞机数字化设计和制造全流程，大幅提升了飞机产品的研制效能，是数字化技术实现的载体。以传统讲授模式的教学虽能有效夯实学生的理论基础，却难以锻炼学生的专业技能和研发能力，导致学生入职主机厂所时存在适应性差、入手慢等问题。因此，迫切需要设置合适的实践教学环节，依托科研项目和集成开发环境等来快速锻炼学生的创新实践能力。

图2 飞机设计制造新技术应用与发展趋势

三 面向智能制造的飞机数字化设计制造技术课程建设探索

（一） 调整教学大纲，重构面向智能制造的课程教学知识体系

智能制造通过集成和应用人工智能、大数据、物联网等多种先进技术，实现制造过程的自动化、数字化和智能化。航空制造业作为高新技术和尖端制造的典型产业，近年来广泛引入智能制造技术来优化产品研制流程、提升研制效能，在制造工艺过程优化、制造工件快速装卸、制造现场数据采集与动态监控、物料配送等诸多方面实现了具体应用[6]。智能制造作为航空制造业的未来发展方向，面向航空航天领域的飞机数字化设计制造技术课程应重构面向智能制造的课程教学知识体系，以实现“飞机数字化设计制造技术”向“飞机智能化设计制造技术”的教学转型（图3），强化学生对新一代智能制造技术的理解和掌握，激发学生对基础理论和先进技术的学习热情与动力。

针对智能制造技术在飞机不同研制阶段的应用现状与发展趋势，调整教学大纲，介绍智能制造赋能下的飞机数字化设计制造技术，引导学生学习、思考和创新未来飞机产品的研制模式。在飞机数字化设计教学部分，引入智能优化设计、数据驱动设计和生成式设计等概念，讲解飞机典型结构或外形的智能化设计方法。在飞机数字化生产准备教学部分，介绍基于特征识别、知识推荐、虚拟仿真等技术实现的飞机零部件智能工艺规划。在飞机数字化制造阶段，引入智能工厂、异地协同、云制造、数字孪生等概念，分析飞机机身部件的智能化制造与装配技术。

针对当前飞机数字化设计制造技术课程内容广泛、学生学习压力较大的问题，亟需重新梳理教学大纲。通过重组智能制造框架下的核心知识点，厘清有关知识体系的逻辑关系，提炼重点、难点和交叉点，合理平衡教学内容与课时量，积极探索以学生为中心的课堂教学模式，减轻学生负担，提升其学习兴趣。在理论教学部分，按照飞机数字化设计制造所涉及的三大关键技术，即计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）和计算机辅助制造（CAM），将教学内容划分为设计、分析和制造三个模块进行介绍，并辐射至相关软件系统与应用部分教学。在网络信息普及的当下，学生获取学习资源的方式更加多样和便捷，课堂教学应充分发挥师生近距离互动的优势，增强理解与沟通，提高课堂教学效率。

（二） 协调优势平台，设计基础型和探索型实践教学环节

实践教学环节是应用类课程教学不可缺少的部分。飞机数字化设计制造技术课程涉及“理论-软件-应用”的一体化教学，单纯理论教学难以让学生充分理解和掌握飞机数字化设计制造的核心技术，有必要增加实践教学环节[7]。实践教学环节的设计依赖于软硬件平台支持，可以通过高校已有平台或企业联合平台实施。以北京航空航天航天大学为例，飞机数字化设计制造技术课程的实践环节主要依托全国重点实验室“虚拟现实技术与系统”、工信部重点实验室“航空高端装备智能制造技术”、北京市重点实验室“飞行器装配机器人装备”和北京市工程技术研究中心“高效绿色数控加工工艺及装备”四个科研平台来实施，形成高端科研平台对实践教学的强力支撑，实现学科资源共享、设备资源开放和人才资源互通。

依托优势平台，设置基础型和探索型实践教学环节。在基础型实践教学环节，讲授我国工业软件、大飞机研制的发展历史与研究现状，构建飞机零部件设计、分析和制造的CAD/CAE/CAM软件实验，让学生掌握主流研发设计类工业软件在飞机研制中的应用，了解工业软件的研发思路。在探索型实践教学环节，构建采集、测量等硬件设备的学习和实操环节，讲解相关设备在飞机制造和装配中的应用；依托多通道虚拟现实系统，创建沉浸式装配仿真试验，学习VR/AR技术的具体应用。实践教学环节可以培养学生应用多学科知识来解决实际工程问题，有助于提升其跨学科综合能力[8]。

（三） 甄选科研项目，打造以核心科研项目为引领的教学案例库

北京航空航天大学飞行器制造工程系近年来围绕国家重大战略需求，开展了一系列重大重点项目攻关，在数字化设计制造领域积累了深厚的专业理论知识，荣获了一系列成果，为本专业人才培养提供了强有力支撑。将部分科研项目和成果融入飞机数字化设计制造技术课程，通过理论知识与实际科研项目相结合的方式实施教学，不仅可以有效提升学生的学习兴趣，同时也有助于培养学生解决工程问题的能力。例如：以机翼结构的一体化设计与仿真教学案例，讲解参数化设计、有限元仿真、形状设计优化相关知识； 以面向制造全过程的全要素工艺建模教学案例，介绍基于模型的定义（MBD）、本体技术、复杂产品知识建模和模型数据智能检索等技术； 以增强现实（AR）辅助装配和装配状态检测教学案例，分析AR技术在飞机装配中的具体应用和前景； 以基于数字孪生的发动机监测教学案例，讲授数字孪生技术的核心理念及其在实时监测、预测性维护、虚拟优化和产品全生命周期管理等方面所发挥的作用； 以飞行器部件的高精度装调教学案例，阐述加工模型的制造误差给高精密制造带来的挑战以及如何借助设计、仿真和制造数据来实现高精密零部件的智能装调。

以科研项目为牵引的案例教学能够深化学生对理论知识的理解与掌握，使他们更迅速地洞察企业的实际需求及面临的挑战，为后续参与科研训练和项目研究奠定坚实基础。因此，构建一个素材丰富的科研项目教学案例库，对课程教学具有重要价值。通过“强科研”推动“强教学”，并通过“强教学”促进“强科研”，实现科研与教学的协同发展。

（四） 融入思政元素，培养爱国敬业、敢于担当、勇于创新的领军人才

立德树人是高校教育的根本任务，将思政元素有机融入专业课程是高校实施课程思政建设的有效途径[9]。笔者所在的飞行器制造工程系作为我国航空航天后备力量的重要培育地，课程思政建设尤为重要，需要牢记为党育人、为国育才的使命，培养爱国敬业、敢于担当、勇于创新的新时代领军人才。飞机数字化设计制造技术作为飞行器制造工程系的专业核心课程，积极融入思政元素具有现实意义，可以激发学生的爱国情怀，鼓励学生踊跃投身国家重大战略需求领域。

专业课程教学融入思政教育需要深入挖掘思政元素。飞机数字化设计制造技术课程面向现代和未来飞机研制，可以从以下三个途径来挖掘思政元素：①历史渊源。我国大飞机研制可以追溯到20世纪70年代，从运10、ARJ21到C919，历经磨难，终于实现了干线客机的突破。通过挖掘我国大飞机的研制历史及其蕴含的百折不挠精神，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。②工匠精神[10]。飞机研制是一项极其复杂的系统工程，以C919为例，有超过100万个零部件，涉及总体、结构、气动、材料、制造、飞控、航电、防冰和适航等诸多内容，其成功研制离不开大国工匠精神。通过挖掘我国大飞机及各型战机背后的英雄楷模与工匠精神（例如，歼-15研制现场总指挥罗阳同志及其攻坚克难、忘我奉献的“罗阳精神”），鼓励学生精益求精、追求卓越，并树立挑战自我、超越自我的人生信条。③家国情怀。我国航空航天事业的发展从一无所有到面向星辰大海，艰辛与荣耀并存。通过介绍我国近现代航空航天事业的发展历程与卓越成就，激发学生的爱国情怀与民族自豪感。

四 结束语

随着智能制造技术的快速发展及其在航空制造业的广泛应用，高校飞机数字化设计与制造技术课程的教学内容和体系面临着新的挑战与机遇。本文针对当前飞机数字化设计制造技术课程面临的学习任务繁重、教学落后实际、创新实践能力弱等问题，提出面向智能制造的课程教学改革探索，从调整教学大纲、增设创新实践环节、打造科研项目教学案例库和融入课程思政等四个途径来开展新课程建设，探索从“飞机数字化设计制造技术”向“飞机智能化设计制造技术”的教学转型。这些教学改革措施不仅有助于完善学生的基础知识体系，拓宽学科视野，提升创新意识，激发空天报国情怀，还能有效培养学生的问题洞察力、团队协作能力及解决实际问题的能力，为其职业发展奠定坚实基础。

参考文献

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[2] 陈畅宇，于勇，赵罡.基于数字样机的飞机研制项目监控技术[J].北京航空航天大学学报，2014，40（2）：198-203.

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[4] 徐瑞，许晶，薛楠.航空制造企业基于工业大数据的智能制造升级方案研究[J].航空精密制造技术，2023，59（1）：47-49，54.

[5] 胡俊山，方金荣，田威.项目驱动的研究生实践教学案例库建设——以航空智能制造专业学位培养为例[J].教育教学论坛，2023（26）：132-135.

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[7] 赵永满，陈江春，欧亚明，等.智能制造背景下工业工程专业课程体系探究[J].高教学刊，2024，10（12）：96-99.

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[9] 张开富，李卫卫，程晖.航空航天类专业课程思政建设的探索与实践——以“飞机数字化装配技术”课程为例[J].工业和信息化教育，2024（4）：13-18.

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