空中交通管理實驗類課程改革探析

[摘 要]中國民航大學交通運輸專業(yè)的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)高素質應用型工程技術人才，仿真技術基礎課程是達成本專業(yè)人才培養(yǎng)目標的有效支撐。該研究首先闡述了該課程的基本情況，然后針對存在的問題，從教學方式、教學資源和考核方式這3個方面提出改革內容：采用PBL教學方式，發(fā)揮主觀能動性;建設實驗教學資源，明確實驗設計原則與實驗設計過程;課程組集體考核，完善成績評判方式。最后通過畢業(yè)能力指標達成度的分析驗證了改革方案是有效的。

[關鍵詞]應用型人才;仿真技術基礎;實驗課;課程改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）08-0051-05

多年來，我國高等教育得到國家的高度重視和持續(xù)發(fā)展，已經從精英教育階段發(fā)展到大眾教育階段。伴隨著社會需求和個人發(fā)展的多樣化，我國高等教育逐漸形成了兩類人才培養(yǎng)規(guī)格：一種是研究型教育，主要培養(yǎng)高水平的研究型人才;另一種是應用型教育，主要培養(yǎng)高素質的應用型人才。不同規(guī)格的高校和專業(yè)，應當以需求為導向，精準定位，從而確立其人才培養(yǎng)目標。

交通運輸專業(yè)是中國民航大學首個教育部高等學校特色專業(yè)建設點、首批天津市品牌專業(yè)建設點、天津市重點建設專業(yè)、中國民航特色與特有人才培養(yǎng)基地、教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點專業(yè)，于2012年10月通過工程教育專業(yè)認證。交通運輸專業(yè)的行業(yè)特色顯著，從服務于空管、航空公司和機場等行業(yè)單位的根本需求出發(fā)，確立本專業(yè)的人才培養(yǎng)目標即培養(yǎng)“高素質應用型工程技術人才”。對于“應用型工程技術人才”，目前學術界尚未有統(tǒng)一的定義，諸多學者從不同角度進行了解讀[1-3]，但是對其核心特征基本上形成了一種共識：具有扎實且結構合理的基礎知識，較強的動手實踐能力，特別是運用所學知識解決實際問題的能力[4]。

本專業(yè)一直注重對學生工程應用能力的培養(yǎng)，為行業(yè)輸送了一大批技能嫻熟的畢業(yè)生，在一定時期內符合行業(yè)發(fā)展要求。隨著大數據、信息化和人工智能時代的到來，行業(yè)發(fā)展面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。我們對學生的培養(yǎng)不能只是停留在提高技能的低階水平，而是應當瞄準行業(yè)發(fā)展新動態(tài)，培養(yǎng)具備大數據分析、系統(tǒng)設計開發(fā)、智能優(yōu)化等綜合素質的應用型工程技術人才。因此，如何在新形勢下培養(yǎng)學生的高素質工程應用能力，是本專業(yè)所有課程都應當重視的重要問題。

一、仿真技術基礎課程的基本概況

（一）課程的地位和任務

仿真技術基礎是一門面向空管學院交通運輸專業(yè)的學科專業(yè)基礎課，其主要任務是使學生熟練掌握程序設計理念和基本方法，具備應用MATLAB解決空中交通管制和飛行運行控制中的典型實際問題的能力?？梢?，本課程的教學目標與“應用型工程技術人才”的培養(yǎng)目標相吻合，能夠為我校交通運輸專業(yè)人才培養(yǎng)目標的達成提供有益支撐。本課程經過3年多的初期建設，在教學目標、總體要求、教學內容上已形成基本框架，也得到了學生的認可。隨著教師教學經驗和教學手段的逐步豐富，學生求知欲望和學習深度的持續(xù)增加，課程應用領域和輻射范圍的不斷擴展，本課程“學科專業(yè)基礎課”的地位和作用愈發(fā)凸顯，課程建設也面臨著新的更高要求。

（二）必要性和重要性

1.必要性

近年來，學校通過不斷深化CDIO（Conceive Design Implement Operate，構思、設計、實現(xiàn)、運行）教學理念[5]、積極落實“四個課堂”重要舉措，逐步加強了對學生綜合素質的全面培養(yǎng)，使得學生的工程實踐能力得到明顯提升?？展軐W院在學校各項政策的指引下，鼓勵學生積極參與諸如大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽、數學建模競賽、交通科技大賽等能力拓展的項目，開設CDIO初級、高級項目課程，并在畢業(yè)設計中加大工程設計類題目的比例。

應用型的主要含義指的是工程能力，包括工程科學、工程技術、工程開發(fā)、工程應用這幾個方面。對于本校交通運輸專業(yè)的學生來說，工程能力更多的是指利用計算機工具完成軟件設計與實現(xiàn)，從而解決實際問題的能力。這就需要學生熟練掌握一門編程語言，以便實現(xiàn)數學計算和模擬仿真。

縱觀本專業(yè)學生在大學4年共8個學期的學習時間內，除了本課程的MATLAB之外，僅在大一學習過VB，再也沒有相關的軟件設計類課程。VB的課程主要傳達學生基本的編程思想，引導學生形成變量計算、程序設計概念，這對于空管學院學生而言是不夠的。因為作為全校普修課程，該課程不可能也沒必要講解如何應用VB解決空管實際問題。而且VB作為一種通用型編程語言，并沒有內嵌豐富的函數可供調用，需要學生自己編寫大量的函數，這就在無形之中加大了學習難度，影響VB在后續(xù)學習中的使用。MATLAB語言簡單易學，計算功能極其強大，并且接口靈活，能夠被其他語言調用實現(xiàn)混雜編程。本課程選用MATLAB作為編程平臺，較為系統(tǒng)地講解MATLAB基礎知識，并詳細地闡述如何應用MATLAB解決空管實際問題，使得學生掌握MATLAB基本知識點，為其將來在更廣泛領域持續(xù)使用這些知識打下堅實的基礎。

目前，雖然講解MATLAB的書籍很多，在一定程度上能夠幫助學生自主學習，但MATLAB并不能完全靠學生自學。其原因如下：第一，所有的MATLAB書籍只是講解基礎知識，沒有針對解決空管系統(tǒng)實際運行問題的專業(yè)性內容，而這部分內容又具有較大難度，需要教師詳細講解。第二，學生自學從入門到熟練需要耗費大量的時間和精力，而通過教師對難點、重點內容進行講解，一方面可以幫助學生少走彎路，在短時間內掌握基礎知識，另一方面也可以把教師多年的MATLAB應用經驗特別是程序優(yōu)化設計理念傳達給學生。第三，課堂教學能夠很好地起到監(jiān)督學生學習的作用，讓學生在平時打好基礎，以避免用時手忙腳亂?？梢?，開設本課程是十分必要的。

2.重要性

本課程對于本專業(yè)“應用型工程技術人才”的培養(yǎng)提供了重要的支撐作用。以2017年為例，本專業(yè)共有15組CDIO高級項目，其中需要使用MATLAB的有13組，占86.7%;大學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目共有16組，其中需要使用MATLAB的有8組，占50%;學生參加的交通科技大賽共有10項，其中需要使用MATLAB的有5項，占50%;本專業(yè)學生參加全國大學生數學建模競賽7組，全部需要使用MATLAB，占100%。

可見，MATLAB的使用已滲透到我院學生傳統(tǒng)課堂之外的學習、實踐過程中，并將持續(xù)發(fā)揮重要支撐作用。

二、采用PBL的教學方式，重構教學內容

2016年之前，本課程采用傳統(tǒng)的教師講授方式，主要講授MATLAB的基礎理論知識，例如數據類型、數據運算、選擇和循環(huán)程序結構以及部分常用的計算函數等。應用這種教學方式來講授本課程存在以下弊端：第一，課程與空管運行實際問題的聯(lián)系性不強，造成學生不知本課程在未來學習和工作中有何用處，進而帶來學生學習的主動積極性不高的問題。第二，填鴨式的教學方式不僅浪費教師和學生有限的課程時間，也極大束縛了學生的創(chuàng)新精神，從而使課堂教學質量不理想，教學效果打折扣。

針對這一問題，課程組2016年在教改項目支持下，嘗試采用PBL（Problem Based Learning，基于問題的學習）對本課程進行了改革[6]。PBL教學法是美國霍華德教授首創(chuàng)的，目前已成為國際上廣泛應用的教學方法。PBL強調以學生的主動學習為主，將學習與完成實際任務或解決問題掛鉤。PBL方法強調把學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，學生通過自主學習和集體討論、相互協(xié)作來分析和解決問題，從而學習隱含在問題背后的科學知識，掌握解決問題和自主學習的能力。

課程組在PBL教學理念引導下，對本課程內容進行了重新梳理：從知識框架來看，增加了應用MATLAB解決實際運行問題的實驗部分;從內容設置來看，提煉了多個實際問題供學生實驗，強化了基礎知識與實際應用問題的聯(lián)系性;從教學方式來看，以問題為導向，將所學基礎知識穿插應用到問題解決方案中，使學生明白本課程的學習價值和意義[7]。

三、建設實驗教學資源，明確實驗設計原則與設計過程

本課程的教學內容分為MATLAB基礎知識和綜合實訓兩個部分。講解MALAB基礎知識的教材很多，絕大多數教材都能夠滿足本課程理論教學需要，課程組選取相對簡單易學的《MATLAB基礎及應用》（第四版）作為教材，書中練習部分的例子可以引導學生初步掌握MATLAB基本運算與操作。為了支撐應用型人才解決實際問題能力的培養(yǎng)，本課程的綜合實訓部分即實驗，應當解決實際運行問題。而這些問題帶有很強的行業(yè)性，普通教材中通用的實驗案例并不能反映出行業(yè)實際問題的特征。目前國內外都沒有應用MATLAB來解決空中交通管理、飛行運行管理、機場運行管理中實際運行問題的實驗教材，因此實驗教學資源建設和實驗設計顯得尤為重要。

（一）設計原則

設計實驗時，應當遵循典型性、適用性和層次性這三個原則。典型性是指實驗應當從空管、航空公司、機場典型運行實際問題中提煉而來，做到有的放矢。適用性是指考慮到學生現(xiàn)階段的知識結構和能力，教師不能把這些問題簡單粗暴地照搬過來，而是需要對這些問題進行深度加工，凝練成符合教學目標、難度適宜的實驗。層次性是指通過一個個簡單的小實驗，訓練學生掌握某一方面的知識和技能，由淺入深，逐步引導學生綜合運用這些知識和技能完成一個復雜的綜合性實驗。

（二）設計過程

在設計原則的指導下，課題組建設了8個實驗教學資源，每個實驗用于解決1個實際問題，而每個實驗中又是諸多MATLAB知識點的綜合運用。下面以“終端區(qū)航空器飛行仿真問題實驗”為例詳細說明本實驗的設計過程。

在終端區(qū)，除非管制員為了保障安全實施雷達引導之外，航空器需要沿著固定的進離場航線飛行。開展本實驗的目的就是使學生掌握在終端區(qū)航空器飛行過程的模擬方法，包括三維扇區(qū)繪制方法、三維進離場航線繪制方法、航空器飛行過程模擬仿真方法等。這個實驗涉及的行業(yè)背景知識有PBN基于性能導航、飛行程序設計、管制規(guī)則和飛機性能等，需要使用MATLAB知識的有三維繪圖、程序設計、自定義函數編寫與調用、數學計算等。

本實驗的主要內容分為3個部分：繪制三維扇區(qū)、繪制三維進離場航線、航空器在三維空間的模擬飛行。本實驗的結果如圖1所示。

在本次實驗中需要掌握的知識點較多，為了使學生更為清楚地掌握每個知識點，可將本實驗分解為若干個子實驗，讓每個子實驗涉及1～2個知識點，先從簡單實驗開始逐步加大難度，通過一系列的簡單實驗使學生掌握全部知識點，最后再完成本實驗。為此，將本實驗分解為以下幾個子實驗。

1.子實驗一：繪制1個三維扇區(qū)

本實驗共需繪制3個扇區(qū)，而子實驗一是講解如何繪制一個扇區(qū)，學生可以通過類比自行繪制出其余2個扇區(qū)。三維扇區(qū)是個立體圖形，在繪制扇區(qū)過程中，又可以分解為面，而面又可分解為線，最終通過繪制線段來顯示立體圖形。繪制線段的函數plot和plot3在基礎知識中已經講解過，學生們很容易理解和吸收。

2.子實驗二：繪制三維進離場航線

進離場航線就是2條三維折線，使用plot3即可繪制，如圖3所示。這部分內容在基礎知識部分也已經講解過，所以學生很容易完成該子實驗。

子實驗一、二實際上已經完成了整個實驗的第一、第二部分的實驗內容，而第三部分內容相對較為復雜，需要分為若干個子實驗的訓練以使學生逐步掌握。

3.子實驗三：航空器勻速飛行實驗

該子實驗是為了掌握如何實現(xiàn)航空器在預定軌跡上飛行。為了從簡單入手，該子實驗只考慮二維空間（水平、垂直），速度為常量。該子實驗通過直線方程來獲得下一時刻的航空器的位置，從而驅動航空器沿著直線運動，如圖4所示。

4.子實驗四：基于飛行性能的模擬飛行實驗

子實驗三并沒有考慮到飛機性能因素，也沒有考慮空管系統(tǒng)常用的航向、真空速、指示空速等概念，因此與實際相差較大。子實驗四則講授如何獲取航向，如何將指示空速轉化成真空速，并根據當前位置、速度、航向計算下一時刻航空器所在位置，從而實現(xiàn)航空器的飛行模擬，如圖5所示。

子實驗三與子實驗四都在二維空間實現(xiàn)航空器模擬飛行，只要稍加改動就能夠實現(xiàn)在三維空間的模擬飛行，從而使學生較為容易地完成整個實驗。

四、實施分組實驗

PBL的基本特征要素之一就是集體討論、相互協(xié)作，這與CDIO的要求不謀而合。交通運輸專業(yè)的學生未來一般會從事民航行業(yè)工作，民航行業(yè)要求其從業(yè)人員要有較強的合作能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力。教師在課堂上不是“獨唱”，而是和大家一起討論思考，學生在課堂上也不是忙于記筆記，而是共同探討問題。

2015年5月12日，西班牙加泰羅尼亞理工大學的Xavier Prats教授來我院開展空管仿真教學講座，介紹了空管專業(yè)的學生在仿真課程中的例子。實驗涉及的內容十分豐富、信息量大，具有一定難度，無法獨自完成，于是對學生進行分組或自愿組合，學生按要求完成仿真的所有實驗項目，取得了很好的學習效果。

本課程的綜合型實驗具有較大難度，需要每組3～4名學生依靠集體討論和協(xié)作完成，每位學生在小組中都有明確的分工和任務，這也是踐行CDIO教學理念的一種舉措。

五、課程組集體考核，完善成績評判方式

本課程目前的考核方式采用大作業(yè)的考查形式。最終成績由平時成績（占15%）和期末成績（占85%）構成。平時成績由任課教師評判，綜合考慮學生出勤、課堂表現(xiàn)、隨堂測驗、課后作業(yè)等情況。期末成績由課程設計成績決定。課程設計有8個獨立實驗，分組完成，每組需完成這8個實驗，其成績由小組平均成績和個人成績各占50%來判定。

小組中每個成員的成績由組內成員互相打分產生，主要考慮到小組成員最了解本組同學對每組實驗的貢獻程度，但小組成員皆為同學關系，其評分往往不夠客觀，也不能反映出每位學生的真實貢獻程度。此外，每個小組的實驗內容是一樣的，依然無法避免組與組之間相互借鑒甚至抄襲現(xiàn)象的發(fā)生。此外，這種打分方式忽略了過程考核，缺乏對學習過程的把握，容易造成學生在期末臨時抱佛腳。

基于此，本課程成績改為平時成績、期中成績和期末成績按照分別占15%、25%、60%的比例構成。平時成績由任課教師評判，綜合考慮學生的出勤、課堂表現(xiàn)等情況。期中成績考查學生對于MATLAB基礎知識的掌握情況，由任課教師根據期中測試結果評判。期末成績由實驗成績決定，由小組成績和個人成績各占一半構成。對于實驗成績的評判，可采取學生分組答辯的形式，由課題組老師集體考核[8]。

具體來說，每個學生的成績由以下4部分組成，如圖6所示。

個人平時成績和個人期中成績由任課教師直接評判，實驗成績決定于課程組教師根據每個小組答辯情況給出的實驗平均分。其中，小組實驗成績按照圖7的評分標準進行評判，個人實驗成績按照圖8的評分標準進行評判。 ? ? ? ?[查閱資料][團隊協(xié)作][方案設計][實驗結果分析][實驗改進措施]

六、培養(yǎng)目標達成情況

仿真技術基礎課程教學改革方案在2017-2018學年第1學期中進行了試點應用，從上課過程的反饋情況及考核情況來看，能夠有效支撐學生畢業(yè)能力相關指標，具體見表2。

七、結論

本課程的改革方案在本學期課程中首次使用，得到了學生的積極評價。尤其是實驗部分，目的明確、實用性強，以子實驗的形式分解復雜問題有利于學生較快掌握相關知識點。同時也發(fā)現(xiàn)，如何準確把握每位學生在小組實驗中的貢獻程度，仍需進一步思考和完善。

[參考文獻]

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[2] 陳麗春，毛建衛(wèi)，茹瀟瀟，等.校企協(xié)同創(chuàng)新培養(yǎng)應用型工程人才[J].高等工程教育研究，2014（3）：72-75.

[3] 李延龍.應用型工程人才基礎課階段精致培養(yǎng)研究[J].教育觀察（上半月），2017（17）：76-77.

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[5] Edward F.Crawley，等.重新認識工程教育：國際CDIO培養(yǎng)模式與方法[M].顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2009.

[6] 王濤波，王超.空中交通管理系統(tǒng)建模與仿真課程實驗教學探討[J].大學教育，2016（3）：144-145.

[7] 王超，王濤波，王飛.“空管系統(tǒng)建模與仿真”PBL教學中的典型空管問題設計[J].教育教學論壇，2016（9）：153-156.

[8] 王飛，王超，王濤波.“空管系統(tǒng)建模與仿真”課程競爭性考核方案研究[J].教育教學論壇，2016（39）：169-171.

[責任編輯：龐丹丹]