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”
［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
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，