系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估課程積木式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙長(zhǎng)嘯， 肖國(guó)松， 王 鵬，

（中國(guó)民航大學(xué)a.安全科學(xué)與工程學(xué)院；b.民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

0 引 言

“大類培養(yǎng)”的人才培養(yǎng)模式［1］順應(yīng)了“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的高校深化教育體制改革方向［2］，逐漸成為高校人才培養(yǎng)改革的重要突破口。大類培養(yǎng)可分為按照學(xué)科規(guī)劃的學(xué)科大類培養(yǎng)［3］和按照應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)劃的專業(yè)集群培養(yǎng)［4］。大類培養(yǎng)模式下，如何針對(duì)性、有效提高不同學(xué)科專業(yè)方向?qū)W生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力成為各大類專業(yè)改革和發(fā)展的重要問題［5］。招生與人才培養(yǎng)模式的改革需要對(duì)應(yīng)的課程體系架構(gòu)的支撐，學(xué)生課程培養(yǎng)體系需要從“公共基礎(chǔ)課—專業(yè)基礎(chǔ)課—專業(yè)方向課”的專業(yè)培養(yǎng)模式課程體系，向“通識(shí)課程—大類課程—專業(yè)課程”新的適合大類培養(yǎng)的課程體系轉(zhuǎn)變［6］。文獻(xiàn)［7］中分析了國(guó)內(nèi)外航空航天類專業(yè)的培養(yǎng)體系和課程分類，介紹了航空航天類專業(yè)實(shí)行的“書院制”培養(yǎng)模式和基于兩個(gè)層次、三大課程模塊的課程體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［8］中分析了東南大學(xué)“三制五化”相結(jié)合的本科人才培養(yǎng)模式和大類學(xué)科基礎(chǔ)平臺(tái)課程的建設(shè)情況。

在這樣大類招生、分流培養(yǎng)的學(xué)科建設(shè)背景下，我校于2018 年啟動(dòng)了面向機(jī)務(wù)類應(yīng)用型人才的大類培養(yǎng)計(jì)劃，適航學(xué)院承擔(dān)了論證在我校機(jī)務(wù)類專業(yè)設(shè)置適航模塊課程的工作任務(wù)（校黨［2018］8 號(hào)文件），形成了“機(jī)務(wù)專業(yè)設(shè)置適航課程實(shí)施方案”，在電氣工程及其自動(dòng)化、電子信息工程、飛行器制造工程和飛行器動(dòng)力工程4 個(gè)機(jī)務(wù)專業(yè)開設(shè)適航模塊課程實(shí)施，并首批建設(shè)8 門課程。適航關(guān)系到飛機(jī)的本質(zhì)安全，“系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估”［9］作為適航模塊的重要基礎(chǔ)課程，成為了各專業(yè)的必修課，不同專業(yè)雖然隸屬于機(jī)務(wù)大類，但是在人才培養(yǎng)目標(biāo)、核心知識(shí)體系等方面存在差異，采用同一套教學(xué)方案、同一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，難以滿足各專業(yè)的差異化需求，為此課程組設(shè)計(jì)了基于“共性＋特性”的差異化教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃，并針對(duì)各專業(yè)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，開發(fā)了積木式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 面向機(jī)務(wù)類各專業(yè)差異化需求的課程建設(shè)

適航是民機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)、投入運(yùn)營(yíng)的前提，隨著我國(guó)大飛機(jī)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，據(jù)保守估計(jì)，我國(guó)航空器適航技術(shù)專業(yè)人才的缺口為8 000 ～10 000 人［12］，因此在我校機(jī)務(wù)類相關(guān)專業(yè)開設(shè)適航模塊課程，補(bǔ)齊學(xué)生相關(guān)知識(shí)短板，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力，可以有效地提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。為了有效地支持各專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，需針對(duì)各專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃，發(fā)現(xiàn)、識(shí)別與適航模塊課程的結(jié)合點(diǎn)，以各專業(yè)課程體系為基礎(chǔ)分析各專業(yè)對(duì)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估的需求，形成“共性通用知識(shí)要素＋差異化教學(xué)模塊”的課程教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃，并根據(jù)各專業(yè)的特色與人才培養(yǎng)需求設(shè)計(jì)針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，課程建設(shè)思路如圖1 所示。

圖1 課程建設(shè)思路

系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估課程的內(nèi)容包括基礎(chǔ)理論和應(yīng)用實(shí)踐兩部分，因此針對(duì)不同專業(yè)的差異化教學(xué)設(shè)計(jì)包括兩方面，①各部分理論內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同，例如針對(duì)特定風(fēng)險(xiǎn)分析（PRA）這一知識(shí)點(diǎn)，非包容轉(zhuǎn)子失效是飛行器動(dòng)力工程專業(yè)需重點(diǎn)了解與掌握的內(nèi)容，而對(duì)于電子信息工程專業(yè)則高強(qiáng)度輻射場(chǎng)是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容；②對(duì)于各知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用對(duì)象及場(chǎng)景進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，例如飛行器動(dòng)力工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的課程體系圍繞航空動(dòng)力裝置的原理、結(jié)構(gòu)、故障診斷、失效分析展開，則該專業(yè)的課程需針對(duì)航空動(dòng)力裝置的特性開設(shè)相關(guān)安全性評(píng)估理論與實(shí)踐內(nèi)容，而電子信息工程專業(yè)則以航空電子相關(guān)課程為主線，則課程應(yīng)結(jié)合航空電子系統(tǒng)的特性開展應(yīng)用場(chǎng)景分析。課程的整體教學(xué)規(guī)劃如表1 所示。

表1 “共性＋特性”的差異化教學(xué)方案

2 積木式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)課程的整體建設(shè)思路，建立針對(duì)不同專業(yè)需求的“積木式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以支撐課程培養(yǎng)目標(biāo)和不同專業(yè)的差異化人才培養(yǎng)目標(biāo)。平臺(tái)整體包括平臺(tái)管理、共性知識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、差異化知識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)三大模塊（見圖2）。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)各模塊設(shè)計(jì)

平臺(tái)管理模塊主要負(fù)責(zé)平臺(tái)用戶角色管理、任務(wù)發(fā)布與追蹤管理、作業(yè)下發(fā)與收集管理、知識(shí)庫(kù)管理等，主要提供平臺(tái)的基礎(chǔ)能力。

（1）共性知識(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)。共性知識(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K向所有學(xué)生角色用戶開放，本模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以演示性實(shí)驗(yàn)、感知性實(shí)驗(yàn)為主，按照教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃設(shè)計(jì)了7 個(gè)實(shí)驗(yàn)單元。以“系統(tǒng)安全性評(píng)估流程”單元以圖形化的形式向?qū)W生展示了民機(jī)系統(tǒng)安全性評(píng)估中“雙V”概念，使學(xué)生了解“確認(rèn)（Validation）”和“驗(yàn)證（Verification）”的區(qū)別與聯(lián)系及其在不同安全性評(píng)估活動(dòng)中的作用。

（2）差異性知識(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)。差異性知識(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要用于為不同專業(yè)提供差異化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了12 個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，主要包括系統(tǒng)安全系評(píng)估活動(dòng)的認(rèn)知和實(shí)踐、安全性評(píng)估方法與工具的實(shí)踐、復(fù)雜系統(tǒng)安全性評(píng)估案例分析等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生自主性、工程型、研究性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力培養(yǎng)。本模塊設(shè)計(jì)采用了“專業(yè)透明”的設(shè)計(jì)思路，即平臺(tái)向不同專業(yè)學(xué)生提供統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)界面，同時(shí)在后臺(tái)鏈接不同專業(yè)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)案例數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺(tái)的“統(tǒng)一化流程、差異化案例”設(shè)計(jì)，可有效減少實(shí)驗(yàn)教師學(xué)習(xí)平臺(tái)使用的時(shí)間，簡(jiǎn)化了界面開發(fā)的工作量，可將更多的資源投入到案例資源庫(kù)的開發(fā)。

如針對(duì)“系統(tǒng)級(jí)功能危害性分析（SFHA）”單元設(shè)計(jì)，教學(xué)流程與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 SFHA單元設(shè)計(jì)

SFHA以各系統(tǒng)為對(duì)象，分析在飛機(jī)設(shè)計(jì)的整個(gè)飛行包線和不同飛行階段內(nèi)，可能導(dǎo)致各系統(tǒng)失效甚至影響飛機(jī)整機(jī)安全飛行的功能失效，對(duì)系統(tǒng)基本功能實(shí)施的定性評(píng)估，對(duì)與系統(tǒng)級(jí)功能相關(guān)的失效狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別并分類，形成各系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的安全性設(shè)計(jì)需求和目標(biāo)，是銜接飛機(jī)級(jí)安全性工作與系統(tǒng)級(jí)安全性工作的重要內(nèi)容。模塊設(shè)計(jì)時(shí)以SFHA的整體分析流程為依據(jù)，學(xué)生在線閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書后，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的不同專業(yè)從案例庫(kù)選擇合適的系統(tǒng)，針對(duì)電子信息工程專業(yè)選擇通信系統(tǒng)（ATA 23）作為SFHA 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐點(diǎn)，針對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化選擇起落架系統(tǒng)（ATA 32），針對(duì)飛行器制造工程專業(yè)選擇電源系統(tǒng)（ATA 24），針對(duì)飛行器動(dòng)力工程選擇動(dòng)力裝置系統(tǒng)（ATA 71）。同時(shí)在不同實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，如對(duì)于SFHA 單元的重要知識(shí)點(diǎn)“失效狀態(tài)分析”，采用“指示字”提示的方式，由學(xué)生按類別開放式填寫具體失效狀態(tài)類別，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和分析能力。對(duì)于易混淆的概念和構(gòu)型清單問題，提供可選擇項(xiàng)供學(xué)生選擇。學(xué)生在完成所有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)后，提供整體實(shí)驗(yàn)報(bào)告預(yù)覽功能，在確認(rèn)無誤提交后，系統(tǒng)自動(dòng)生成電子化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，匯總至實(shí)驗(yàn)教師賬號(hào)下進(jìn)行批改，電子化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告利于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、整理，可為課程后續(xù)的持續(xù)改進(jìn)提供完備的教學(xué)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)整體采用B/S（Browser/Serrer）架構(gòu)，支持在校園網(wǎng)環(huán)境下登錄實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生通過學(xué)校的VPN（Virtual Private Network）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)環(huán)境下使用，配合各種網(wǎng)絡(luò)視頻軟件和教學(xué)站點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有效保證在疫情等突發(fā)情況下，學(xué)生無法到校時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍能順利開展。

安全性平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)界面如圖4 所示，通過任務(wù)管理單元進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的下發(fā)、管理，學(xué)生可以查看已完成的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教師評(píng)分及評(píng)語，查看后續(xù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度安排。平臺(tái)提供的工具箱用于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，在未接受到實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)仍可以進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，對(duì)自主學(xué)習(xí)可用的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)空間大小進(jìn)行限制以減少服務(wù)器壓力。

圖4 安全性平臺(tái)實(shí)驗(yàn)界面

針對(duì)共性知識(shí)模塊通過圖形化的形式使學(xué)生能夠直觀地學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，以系統(tǒng)安全性評(píng)估中的雙Ⅴ（Validation and Verifieation，確認(rèn)和驗(yàn)證）概念為例，開發(fā)的知識(shí)學(xué)習(xí)界面如圖5 所示。學(xué)生可以直觀了解雙V模型的各個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)間的聯(lián)系與支撐關(guān)系學(xué)生可以點(diǎn)擊圖中的各模塊進(jìn)一步了解學(xué)習(xí)系統(tǒng)安全分析各活動(dòng)的流程、輸入、輸出與該活動(dòng)安全性分析關(guān)注點(diǎn)。

圖5 共性知識(shí)-雙V模型

對(duì)差異性教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，以SFHA為例，實(shí)驗(yàn)界面如圖6 所示，根學(xué)生專業(yè)的不同，為其開通左側(cè)飛機(jī)功能樹中相應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)權(quán)限，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)流程開展實(shí)驗(yàn)。安全性平臺(tái)后臺(tái)規(guī)劃了39 個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的案例數(shù)據(jù)庫(kù)，目前已完成9 個(gè)系統(tǒng)的案例數(shù)據(jù)開發(fā)用于4個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。

圖6 SFHA環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

4 結(jié) 語

大類招生，分流培養(yǎng)已成為現(xiàn)在高校人才培養(yǎng)的大趨勢(shì)，如何解決好專業(yè)基礎(chǔ)類課程對(duì)多個(gè)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的支撐作用是各課程組需重視的問題。系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估課程組，堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”的思想，在課程內(nèi)容規(guī)劃及實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊上細(xì)化差異化培養(yǎng)理念，采用“共性＋特性”的課程模塊規(guī)劃思路，開發(fā)了“積木式”的系統(tǒng)安全性課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，通過信息化的手段推動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，通過構(gòu)建差異化的教學(xué)案例庫(kù)滿足了不同專業(yè)人才的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

·名人名言·

讀書有三到，謂心到，眼到，口到。心不在此，則眼不看仔細(xì)，心眼即不專一，卻只漫浪誦讀，決不能記，記不能久也。三到之中，心到最急。

——朱熹