面向新工科的《安全性分析與適航》課程教學(xué)模式改革與探索

張超 田薇 王海濤 周勇

摘 要：航空工程是典型的工科專業(yè)，從安全適航獨(dú)特視角分析了新工科建設(shè)對航空專業(yè)大類《安全性分析與適航》課程教學(xué)的新要求，提出了課程教學(xué)模式改革新思路，根據(jù)飛機(jī)研制“雙V”體系闡述了系統(tǒng)論圍繞、多學(xué)科交叉、探究性主導(dǎo)和前沿性引導(dǎo)四方面的具體措施，并給出了典型案例。實(shí)踐表明該改革思路可為工科優(yōu)勢高校的新工科建設(shè)和同類工科專業(yè)課程的教學(xué)改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞：航空工程；新工科；安全性分析；教學(xué)模式

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）01-0119-03

Abstract： Aviation engineering is a typical engineering major. From the unique perspective of safety and airworthiness， it analyzes the new requirements of the new engineering construction for the aviation professional category "safety analysis and airworthiness" course teaching， and puts forward a new idea of curriculum teaching mode reform， according to aircraft development. The "Double V" system elaborates on the specific measures of system theory， multidisciplinary intersection， inquiry leadership and frontier guidance， and gives typical cases. The practice results show that the reform idea can provide references for the emerging engineering construction in universities with engineering advantages and for the teaching reform of similar engineering courses.

Keywords： aviation engineering； emerging engineering； safety analysis； teaching mode

一、概述

建設(shè)“新工科”是堅(jiān)持中國特色社會(huì)主義教育發(fā)展道路，著眼高等教育改革發(fā)展全局，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人的重要舉措。它是應(yīng)對新一輪工業(yè)革命以及席卷全球的新經(jīng)濟(jì)對高等教育的挑戰(zhàn)，響應(yīng)國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展對工程技術(shù)人才需求的號召，具有新興、新型、新生的內(nèi)涵和特征的高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃[1，2]。

航空工程是典型的工科專業(yè)，航空技術(shù)的高速發(fā)展體現(xiàn)著深刻的時(shí)代特性。《安全性分析與適航》課程是西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院開設(shè)的一門航空大類課程，主要講授民用飛機(jī)系統(tǒng)安全性分析和適航性評估方法，它是以飛行器設(shè)計(jì)為核心的航空工程傳統(tǒng)工科教育向新時(shí)代以飛行器安全適航為核心的航空工程新工科教育升級的重要新增課程之一。新工科教育要求改變教法增活力，本文針對傳統(tǒng)工科優(yōu)勢專業(yè)的新工科課程建設(shè)任務(wù)，從安全適航獨(dú)特視角分析了新工科建設(shè)對《安全性分析與適航》課程教學(xué)的新要求，從系統(tǒng)論圍繞、多學(xué)科交叉、探究性主導(dǎo)和前沿性引導(dǎo)四方面開展面向新工科課程教學(xué)模式構(gòu)建的探索和實(shí)踐，力求推動(dòng)航空工程新工科教學(xué)的改革，促進(jìn)航空工程新工科人才培養(yǎng)，提升我國航空技術(shù)的發(fā)展水平。

二、新工科建設(shè)對《安全性分析與適航》課程教學(xué)的新要求

（一）飛機(jī)安全適航對新工科建設(shè)的新要求

我國航空工業(yè)近年來飛速發(fā)展，尤其在民用飛機(jī)領(lǐng)域，ARJ21-700新支線飛機(jī)、MA600螺旋槳飛機(jī)、C919大型客機(jī)、AG600大型水陸兩棲飛機(jī)等陸續(xù)研制成功，它們都是新時(shí)代的突出代表產(chǎn)品?！懊駲C(jī)發(fā)展，適航先行”，是民用航空事業(yè)的基本理念。適航是國產(chǎn)民用飛機(jī)獲得商業(yè)成功、走向國際市場的法定前提和重要基礎(chǔ)。適航性是指航空器包括其部件及子系統(tǒng)整體性能和操縱特性在預(yù)期運(yùn)行環(huán)境和使用限制下的安全性和物理完整性的一種品質(zhì)，這種品質(zhì)要求航空器應(yīng)始終處于保持符合其型號設(shè)計(jì)和始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。而現(xiàn)代民用飛機(jī)是一個(gè)高度綜合和極其復(fù)雜的龐大系統(tǒng)，包括動(dòng)力裝置、航電、飛控、液壓、燃油、起落架等十幾個(gè)系統(tǒng)，尤其是現(xiàn)代電子信息技術(shù)的大量使用，使得現(xiàn)代的飛機(jī)復(fù)雜程度大大提高。從飛機(jī)設(shè)計(jì)過程來說，安全性始終是首位的，可以說在很大程度上，民用飛機(jī)的發(fā)展取決于民機(jī)系統(tǒng)安全性技術(shù)的發(fā)展。我國民用飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展也應(yīng)不再僅僅局限于飛行器設(shè)計(jì)本身的發(fā)展，還應(yīng)更多關(guān)注飛機(jī)安全性設(shè)計(jì)和適航審查的發(fā)展，而飛機(jī)安全性分析和適航技術(shù)本身就是多學(xué)科交叉復(fù)合組成的知識體系。因此，在航空工程新工科建設(shè)中，航空專業(yè)要面向當(dāng)前和未來航空產(chǎn)品發(fā)展急需，主動(dòng)優(yōu)化課程體系，促進(jìn)現(xiàn)有飛行器設(shè)計(jì)、飛行器控制與信息工程、飛行器適航技術(shù)等專業(yè)的交叉復(fù)合，積極升級和發(fā)展航空工程新工科，拓展航空工程工科專業(yè)的內(nèi)涵和建設(shè)重點(diǎn)，大力培養(yǎng)具有國防情懷的航空工程新工科人才，服務(wù)于“航空報(bào)國、強(qiáng)軍富民”戰(zhàn)略。

（二）新工科建設(shè)對課程教學(xué)模式的新要求

新工科建設(shè)綱要指出，教學(xué)有法，教無定法，教學(xué)方法不改，課堂抬頭率不高，教學(xué)效果差，因此要改進(jìn)教法[1]。在新工科背景下，《安全性分析與適航》專業(yè)課程教學(xué)的目的除了使學(xué)生掌握寬廣的專業(yè)知識外，更多的是要培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和實(shí)踐能力。而目前的課程教學(xué)過程中，學(xué)科單一性明顯，各知識點(diǎn)缺少有效的聯(lián)系，知識的堆砌沒有形成有機(jī)的整體，學(xué)生缺乏各學(xué)科知識融會(huì)貫通的能力；教學(xué)手段單一，以知識講授為主的課堂教學(xué)難以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，冗繁的課堂講授減少了學(xué)生自主創(chuàng)新的空間；實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)脫節(jié)，松散的理論知識無法對實(shí)踐提供系統(tǒng)化的理論支撐，同時(shí)實(shí)踐教學(xué)也沒有對理論教學(xué)起到問題導(dǎo)向作用，這與新工科培養(yǎng)目標(biāo)并不一致。因此，為滿足航空技術(shù)發(fā)展實(shí)際，貼合新工科背景，需要對現(xiàn)有的“講授式”的教學(xué)模式進(jìn)行必要的改革和優(yōu)化。

三、《安全性分析與適航》課程教學(xué)模式改革措施及典型案例

安全性工作是飛機(jī)研制過程的重要組成部分，飛機(jī)系統(tǒng)研發(fā)過程和安全性分析過程共同組成了飛機(jī)研制的完整內(nèi)容，兩者相互依存，不可分割，其交互關(guān)系如圖1所示的“雙V”體系[3]?；凇半pV”體系，結(jié)合新工科新要求，提出了“系統(tǒng)論圍繞、多學(xué)科交叉、探究性主導(dǎo)、前沿性引導(dǎo)”為特征的《安全性分析與適航》課程教學(xué)改革措施。

（一）系統(tǒng)論圍繞

飛機(jī)是當(dāng)今世界上最復(fù)雜的多學(xué)科集成的工程系統(tǒng)，是一個(gè)國家科技、工業(yè)和國防實(shí)力的重要標(biāo)志。如何設(shè)計(jì)出安全可靠的飛機(jī)，是所有設(shè)計(jì)師首先要考慮的問題，也是飛機(jī)能否通過適航審查進(jìn)入市場的關(guān)鍵所在。飛機(jī)系統(tǒng)安全性分析是一門學(xué)科，它是將安全性問題作為系統(tǒng)工程問題進(jìn)行研究，采用系統(tǒng)分析的方法和管理原則及工程工具，分析、識別和控制危險(xiǎn)，使飛機(jī)獲得最佳安全性的工作。飛機(jī)系統(tǒng)安全性分析是從飛機(jī)研制初期的指標(biāo)論證階段開始進(jìn)行，并貫穿研制、生產(chǎn)、使用、運(yùn)營、退役階段的系統(tǒng)性檢查。因此，在教學(xué)過程中，始終要堅(jiān)持大系統(tǒng)論的指導(dǎo)思想，貫徹飛機(jī)全壽命周期開展知識點(diǎn)講授和研討，而不是簡簡單單的把“系統(tǒng)安全性”理解為“飛機(jī)各組成系統(tǒng)的安全性”。

（二）多學(xué)科交叉

飛機(jī)系統(tǒng)安全性分析學(xué)科并非是一門孤立的學(xué)科，它與飛行器設(shè)計(jì)工程、飛行器人速工程、可靠性工程、維修性工程、飛行器制造工程、飛行器控制工程、飛行器信息工程等學(xué)科之間存在著交叉和關(guān)聯(lián)。例如，要研究分析飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)安全性時(shí)，就首先要對飛行控制系統(tǒng)這一研究對象的基本原理和工作方式有深入的理解，這涉及到控制理論、容錯(cuò)理論等學(xué)科，然后初步系統(tǒng)安全性分析評估，這又涉及到可靠性工程和維修性工程等學(xué)科。因此，基于新工科建設(shè)思想建設(shè)了“多學(xué)科交叉”為特征的“民機(jī)通信導(dǎo)航與雷達(dá)”核心課程群，較好地實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科交叉和知識的融會(huì)貫通。同時(shí)，依托核心課程群的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能較好地開展安全性分析和評估方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)，通過理論知識給實(shí)驗(yàn)實(shí)踐提供系統(tǒng)化的理論支撐，同時(shí)也通過實(shí)踐教學(xué)形成對理論教學(xué)的導(dǎo)向作用。

（三）探究性主導(dǎo)

以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的新工科建設(shè)對教學(xué)手段提出了全新的要求，為此需要采取各種有效的教學(xué)方式來實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而基于問題的探究式教學(xué)和基于案例的討論式教學(xué)是近年來工程教育界最為推崇的研究性教學(xué)方式。在本課程的教學(xué)過程中，大量應(yīng)用基于問題和基于討論的探究性教學(xué)方式，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維的鍛煉和培養(yǎng)。例如，圍繞2018年8月28日首都航空J(rèn)D5759航班A320緊急備降深圳機(jī)場這一事件，在課堂教學(xué)過程中開展了深入的探究和討論，提出了“為什么要突然受損？”來研討和學(xué)習(xí)“風(fēng)切變”的知識，提出了“為什么本次航班在降落階段受鳳切變影響大”來研討和學(xué)習(xí)“低空風(fēng)切變是飛機(jī)的隱形殺手”等知識，提出了“低空風(fēng)切變?yōu)槭裁磿?huì)使得飛機(jī)難以控制”來研討和學(xué)習(xí)“飛機(jī)空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)”等知識，提出了“為什么重著陸后要復(fù)飛”來研討和學(xué)習(xí)“飛機(jī)安全性控制”等知識點(diǎn)，提出了“備降深圳機(jī)場前為什么要進(jìn)行低空通場”等研討和學(xué)習(xí)“飛機(jī)安全降落”等知識點(diǎn)，通過這一系列的探究性研討，把安全性知識穿插在具體實(shí)例中，這樣可以做到來源于實(shí)踐，認(rèn)知于實(shí)踐、回歸于實(shí)踐，在探究實(shí)踐中創(chuàng)新并將創(chuàng)新用于實(shí)踐，較好地突破傳統(tǒng)課堂“講授”的“權(quán)威性”、“教條性”、“盲目性”和“從眾性”，學(xué)生也能更好地突破書本型思維定勢、避開從眾型思維定勢、跨越經(jīng)驗(yàn)型思維定勢、跳出自我型思維定勢、超越權(quán)威型思維定勢，這樣既增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，也鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實(shí)際解決工程問題的能力。

（四）前沿性引導(dǎo)

學(xué)科前沿永遠(yuǎn)是激發(fā)學(xué)生興趣和創(chuàng)新能力的最好源泉，新工科建設(shè)本身就是要主動(dòng)面向未來，面向產(chǎn)業(yè)需求深化教學(xué)內(nèi)容，面向技術(shù)發(fā)展更新教學(xué)內(nèi)容，將學(xué)科前沿積極引入到課堂教學(xué)內(nèi)容中。安全性分析也是一門不斷發(fā)展的新興學(xué)科，主要涉及到的飛機(jī)系統(tǒng)安全性分析方法包括功能危害性評估（FHA）、初步系統(tǒng)安全性評估（PSSA）、故障模式影響及危害性分析（FMECA）、故障樹分析（FTA）、區(qū)域安全性分析（ZSA）等，這些分析方法本身都在不斷發(fā)展和優(yōu)化中。為了讓學(xué)生更深入地理解各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展動(dòng)態(tài)，積極將各種方法的最新研究進(jìn)展引入課堂，通過分析各種安全性方法的適用范圍和存在問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，然后再共同研討新的解決思路和解決途徑，這樣既能擴(kuò)展學(xué)生的知識面，又能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)熱情。例如，在研討故障樹分析法時(shí)，首先講授的是靜態(tài)故障樹理論，針對傳統(tǒng)的基于布爾代數(shù)的靜態(tài)故障樹定性定量分析存在的“組合爆炸”問題，引入了基于二元決策圖（BDD）的靜態(tài)故障樹定性定量分析新方法；再針對現(xiàn)有飛機(jī)電子電氣系統(tǒng)大多采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，指出靜態(tài)故障樹已不能較好適應(yīng)飛機(jī)電子電氣系統(tǒng)發(fā)展趨勢，從而引入了動(dòng)態(tài)故障樹理論。按照如圖2所示的這種思路，學(xué)生既學(xué)到了基本知識，也掌握了學(xué)科前沿，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識也得到了極大的提升。

四、結(jié)束語

《安全性分析與適航》已面向西北工業(yè)大學(xué)連續(xù)開設(shè)了3輪次，選課學(xué)生主要來自航空學(xué)院、航天學(xué)院和教育實(shí)驗(yàn)學(xué)院，學(xué)生普遍反映教學(xué)模式較新穎，教學(xué)效果顯著，學(xué)生的大系統(tǒng)工程觀、創(chuàng)新思維能力和解決問題的能力均得到明顯提升，突出了創(chuàng)新型航空工程新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與前沿技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，可供工科優(yōu)勢高校的新工科建設(shè)和同類工科專業(yè)課程的教學(xué)改革參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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