空中交通管理实验类课程改革探析

2019-08-11王飞

大学教育 2019年8期

[摘要]中国民航大学交通运输专业的培养目标是培养高素质应用型工程技术人才，仿真技术基础课程是达成本专业人才培养目标的有效支撑。该研究首先阐述了该课程的基本情况，然后针对存在的问题，从教学方式、教学资源和考核方式这3个方面提出改革内容：采用PBL教学方式，发挥主观能动性;建设实验教学资源，明确实验设计原则与实验设计过程;课程组集体考核，完善成绩评判方式。最后通过毕业能力指标达成度的分析验证了改革方案是有效的。

[关键词]应用型人才;仿真技术基础;实验课;课程改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）08-0051-05

多年来，我国高等教育得到国家的高度重视和持续发展，已经从精英教育阶段发展到大众教育阶段。伴随着社会需求和个人发展的多样化，我国高等教育逐渐形成了两类人才培养规格：一种是研究型教育，主要培养高水平的研究型人才;另一种是应用型教育，主要培养高素质的应用型人才。不同规格的高校和专业，应当以需求为导向，精准定位，从而确立其人才培养目标。

交通运输专业是中国民航大学首个教育部高等学校特色专业建设点、首批天津市品牌专业建设点、天津市重点建设专业、中国民航特色与特有人才培养基地、教育部“卓越工程师教育培养计划”试点专业，于2012年10月通过工程教育专业认证。交通运输专业的行业特色显著，从服务于空管、航空公司和机场等行业单位的根本需求出发，确立本专业的人才培养目标即培养“高素质应用型工程技术人才”。对于“应用型工程技术人才”，目前学术界尚未有统一的定义，诸多学者从不同角度进行了解读[1-3]，但是对其核心特征基本上形成了一种共识：具有扎实且结构合理的基础知识，较强的动手实践能力，特别是运用所学知识解决实际问题的能力[4]。

本专业一直注重对学生工程应用能力的培养，为行业输送了一大批技能娴熟的毕业生，在一定时期内符合行业发展要求。随着大数据、信息化和人工智能时代的到来，行业发展面临着前所未有的挑战。我们对学生的培养不能只是停留在提高技能的低阶水平，而是应当瞄准行业发展新动态，培养具备大数据分析、系统设计开发、智能优化等综合素质的应用型工程技术人才。因此，如何在新形势下培养学生的高素质工程应用能力，是本专业所有课程都应当重视的重要问题。

一、仿真技术基础课程的基本概况

（一）课程的地位和任务

仿真技术基础是一门面向空管学院交通运输专业的学科专业基础课，其主要任务是使学生熟练掌握程序设计理念和基本方法，具备应用MATLAB解决空中交通管制和飞行运行控制中的典型实际问题的能力。可见，本课程的教学目标与“应用型工程技术人才”的培养目标相吻合，能够为我校交通运输专业人才培养目标的达成提供有益支撑。本课程经过3年多的初期建设，在教学目标、总体要求、教学内容上已形成基本框架，也得到了学生的认可。随着教师教学经验和教学手段的逐步丰富，学生求知欲望和学习深度的持续增加，课程应用领域和辐射范围的不断扩展，本课程“学科专业基础课”的地位和作用愈发凸显，课程建设也面临着新的更高要求。

（二）必要性和重要性

1.必要性

近年来，学校通过不断深化CDIO（Conceive Design Implement Operate，构思、设计、实现、运行）教学理念[5]、积极落实“四个课堂”重要举措，逐步加强了对学生综合素质的全面培养，使得学生的工程实践能力得到明显提升。空管学院在学校各项政策的指引下，鼓励学生积极参与诸如大学生创新创业竞赛、数学建模竞赛、交通科技大赛等能力拓展的项目，开设CDIO初级、高级项目课程，并在毕业设计中加大工程设计类题目的比例。

应用型的主要含义指的是工程能力，包括工程科学、工程技术、工程开发、工程应用这几个方面。对于本校交通运输专业的学生来说，工程能力更多的是指利用计算机工具完成软件设计与实现，从而解决实际问题的能力。这就需要学生熟练掌握一门编程语言，以便实现数学计算和模拟仿真。

纵观本专业学生在大学4年共8个学期的学习时间内，除了本课程的MATLAB之外，仅在大一学习过VB，再也没有相关的软件设计类课程。VB的课程主要传达学生基本的编程思想，引导学生形成变量计算、程序设计概念，这对于空管学院学生而言是不够的。因为作为全校普修课程，该课程不可能也没必要讲解如何应用VB解决空管实际问题。而且VB作为一种通用型编程语言，并没有内嵌丰富的函数可供调用，需要学生自己编写大量的函数，这就在无形之中加大了学习难度，影响VB在后续学习中的使用。MATLAB语言简单易学，计算功能极其强大，并且接口灵活，能够被其他语言调用实现混杂编程。本课程选用MATLAB作为编程平台，较为系统地讲解MATLAB基础知识，并详细地阐述如何应用MATLAB解決空管实际问题，使得学生掌握MATLAB基本知识点，为其将来在更广泛领域持续使用这些知识打下坚实的基础。

目前，虽然讲解MATLAB的书籍很多，在一定程度上能够帮助学生自主学习，但MATLAB并不能完全靠学生自学。其原因如下：第一，所有的MATLAB书籍只是讲解基础知识，没有针对解决空管系统实际运行问题的专业性内容，而这部分内容又具有较大难度，需要教师详细讲解。第二，学生自学从入门到熟练需要耗费大量的时间和精力，而通过教师对难点、重点内容进行讲解，一方面可以帮助学生少走弯路，在短时间内掌握基础知识，另一方面也可以把教师多年的MATLAB应用经验特别是程序优化设计理念传达给学生。第三，课堂教学能够很好地起到监督学生学习的作用，让学生在平时打好基础，以避免用时手忙脚乱。可见，开设本课程是十分必要的。

2.重要性

本课程对于本专业“应用型工程技术人才”的培养提供了重要的支撑作用。以2017年为例，本专业共有15组CDIO高级项目，其中需要使用MATLAB的有13组，占86.7%;大学生参加创新创业项目共有16组，其中需要使用MATLAB的有8组，占50%;学生参加的交通科技大赛共有10项，其中需要使用MATLAB的有5项，占50%;本专业学生参加全国大学生数学建模竞赛7组，全部需要使用MATLAB，占100%。

可见，MATLAB的使用已渗透到我院学生传统课堂之外的学习、实践过程中，并将持续发挥重要支撑作用。

二、采用PBL的教学方式，重构教学内容

2016年之前，本课程采用传统的教师讲授方式，主要讲授MATLAB的基础理论知识，例如数据类型、数据运算、选择和循环程序结构以及部分常用的计算函数等。应用这种教学方式来讲授本课程存在以下弊端：第一，课程与空管运行实际问题的联系性不强，造成学生不知本课程在未来学习和工作中有何用处，进而带来学生学习的主动积极性不高的问题。第二，填鸭式的教学方式不仅浪费教师和学生有限的课程时间，也极大束缚了学生的创新精神，从而使课堂教学质量不理想，教学效果打折扣。

针对这一问题，课程组2016年在教改项目支持下，尝试采用PBL（Problem Based Learning，基于问题的学习）对本课程进行了改革[6]。PBL教学法是美国霍华德教授首创的，目前已成为国际上广泛应用的教学方法。PBL强调以学生的主动学习为主，将学习与完成实际任务或解决问题挂钩。PBL方法强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，学生通过自主学习和集体讨论、相互协作来分析和解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，掌握解决问题和自主学习的能力。

课程组在PBL教学理念引导下，对本课程内容进行了重新梳理：从知识框架来看，增加了应用MATLAB解决实际运行问题的实验部分;从内容设置来看，提炼了多个实际问题供学生实验，强化了基础知识与实际应用问题的联系性;从教学方式来看，以问题为导向，将所学基础知识穿插应用到问题解决方案中，使学生明白本课程的学习价值和意义[7]。

三、建设实验教学资源，明确实验设计原则与设计过程

本课程的教学内容分为MATLAB基础知识和综合实训两个部分。讲解MALAB基础知识的教材很多，绝大多数教材都能够满足本课程理论教学需要，课程组选取相对简单易学的《MATLAB基础及应用》（第四版）作为教材，书中练习部分的例子可以引导学生初步掌握MATLAB基本运算与操作。为了支撑应用型人才解决实际问题能力的培养，本课程的综合实训部分即实验，应当解决实际运行问题。而这些问题带有很强的行业性，普通教材中通用的实验案例并不能反映出行业实际问题的特征。目前国内外都没有应用MATLAB来解决空中交通管理、飞行运行管理、机场运行管理中实际运行问题的实验教材，因此实验教学资源建设和实验设计显得尤为重要。

（一）设计原则

设计实验时，应当遵循典型性、适用性和层次性这三个原则。典型性是指实验应当从空管、航空公司、机场典型运行实际问题中提炼而来，做到有的放矢。适用性是指考虑到学生现阶段的知识结构和能力，教师不能把这些问题简单粗暴地照搬过来，而是需要对这些问题进行深度加工，凝练成符合教学目标、难度适宜的实验。层次性是指通过一个个简单的小实验，训练学生掌握某一方面的知识和技能，由浅入深，逐步引导学生综合运用这些知识和技能完成一个复杂的综合性实验。

（二）设计过程

在设计原则的指导下，课题组建设了8个实验教学资源，每个实验用于解决1个实际问题，而每个实验中又是诸多MATLAB知识点的综合运用。下面以“终端区航空器飞行仿真问题实验”为例详细说明本实验的设计过程。

在终端区，除非管制员为了保障安全实施雷达引导之外，航空器需要沿着固定的进离场航线飞行。开展本实验的目的就是使学生掌握在终端區航空器飞行过程的模拟方法，包括三维扇区绘制方法、三维进离场航线绘制方法、航空器飞行过程模拟仿真方法等。这个实验涉及的行业背景知识有PBN基于性能导航、飞行程序设计、管制规则和飞机性能等，需要使用MATLAB知识的有三维绘图、程序设计、自定义函数编写与调用、数学计算等。

本实验的主要内容分为3个部分：绘制三维扇区、绘制三维进离场航线、航空器在三维空间的模拟飞行。本实验的结果如图1所示。

在本次实验中需要掌握的知识点较多，为了使学生更为清楚地掌握每个知识点，可将本实验分解为若干个子实验，让每个子实验涉及1～2个知识点，先从简单实验开始逐步加大难度，通过一系列的简单实验使学生掌握全部知识点，最后再完成本实验。为此，将本实验分解为以下几个子实验。

1.子实验一：绘制1个三维扇区

本实验共需绘制3个扇区，而子实验一是讲解如何绘制一个扇区，学生可以通过类比自行绘制出其余2个扇区。三维扇区是个立体图形，在绘制扇区过程中，又可以分解为面，而面又可分解为线，最终通过绘制线段来显示立体图形。绘制线段的函数plot和plot3在基础知识中已经讲解过，学生们很容易理解和吸收。

2.子实验二：绘制三维进离场航线

进离场航线就是2条三维折线，使用plot3即可绘制，如图3所示。这部分内容在基础知识部分也已经讲解过，所以学生很容易完成该子实验。

子实验一、二实际上已经完成了整个实验的第一、第二部分的实验内容，而第三部分内容相对较为复杂，需要分为若干个子实验的训练以使学生逐步掌握。

3.子实验三：航空器匀速飞行实验

该子实验是为了掌握如何实现航空器在预定轨迹上飞行。为了从简单入手，该子实验只考虑二维空间（水平、垂直），速度为常量。该子实验通过直线方程来获得下一时刻的航空器的位置，从而驱动航空器沿着直线运动，如图4所示。

4.子实验四：基于飞行性能的模拟飞行实验

子实验三并没有考虑到飞机性能因素，也没有考虑空管系统常用的航向、真空速、指示空速等概念，因此与实际相差较大。子实验四则讲授如何获取航向，如何将指示空速转化成真空速，并根据当前位置、速度、航向计算下一时刻航空器所在位置，从而实现航空器的飞行模拟，如图5所示。

子实验三与子实验四都在二维空间实现航空器模拟飞行，只要稍加改动就能够实现在三维空间的模拟飞行，从而使学生较为容易地完成整个实验。

四、实施分组实验

PBL的基本特征要素之一就是集体讨论、相互协作，这与CDIO的要求不谋而合。交通運输专业的学生未来一般会从事民航行业工作，民航行业要求其从业人员要有较强的合作能力、创新能力和工程实践能力。教师在课堂上不是“独唱”，而是和大家一起讨论思考，学生在课堂上也不是忙于记笔记，而是共同探讨问题。

2015年5月12日，西班牙加泰罗尼亚理工大学的Xavier Prats教授来我院开展空管仿真教学讲座，介绍了空管专业的学生在仿真课程中的例子。实验涉及的内容十分丰富、信息量大，具有一定难度，无法独自完成，于是对学生进行分组或自愿组合，学生按要求完成仿真的所有实验项目，取得了很好的学习效果。

本课程的综合型实验具有较大难度，需要每组3～4名学生依靠集体讨论和协作完成，每位学生在小组中都有明确的分工和任务，这也是践行CDIO教学理念的一种举措。

五、课程组集体考核，完善成绩评判方式

本课程目前的考核方式采用大作业的考查形式。最终成绩由平时成绩（占15%）和期末成绩（占85%）构成。平时成绩由任课教师评判，综合考虑学生出勤、课堂表现、随堂测验、课后作业等情况。期末成绩由课程设计成绩决定。课程设计有8个独立实验，分组完成，每组需完成这8个实验，其成绩由小组平均成绩和个人成绩各占50%来判定。

小组中每个成员的成绩由组内成员互相打分产生，主要考虑到小组成员最了解本组同学对每组实验的贡献程度，但小组成员皆为同学关系，其评分往往不够客观，也不能反映出每位学生的真实贡献程度。此外，每个小组的实验内容是一样的，依然无法避免组与组之间相互借鉴甚至抄袭现象的发生。此外，这种打分方式忽略了过程考核，缺乏对学习过程的把握，容易造成学生在期末临时抱佛脚。

基于此，本课程成绩改为平时成绩、期中成绩和期末成绩按照分别占15%、25%、60%的比例构成。平时成绩由任课教师评判，综合考虑学生的出勤、课堂表现等情况。期中成绩考查学生对于MATLAB基础知识的掌握情况，由任课教师根据期中测试结果评判。期末成绩由实验成绩决定，由小组成绩和个人成绩各占一半构成。对于实验成绩的评判，可采取学生分组答辩的形式，由课题组老师集体考核[8]。

具体来说，每个学生的成绩由以下4部分组成，如图6所示。

个人平时成绩和个人期中成绩由任课教师直接评判，实验成绩决定于课程组教师根据每个小组答辩情况给出的实验平均分。其中，小组实验成绩按照图7的评分标准进行评判，个人实验成绩按照图8的评分标准进行评判。 [查阅资料][团队协作][方案设计][实验结果分析][实验改进措施]

六、培养目标达成情况

仿真技术基础课程教学改革方案在2017-2018学年第1学期中进行了试点应用，从上课过程的反馈情况及考核情况来看，能够有效支撑学生毕业能力相关指标，具体见表2。

七、结论

本课程的改革方案在本学期课程中首次使用，得到了学生的积极评价。尤其是实验部分，目的明确、实用性强，以子实验的形式分解复杂问题有利于学生较快掌握相关知识点。同时也发现，如何准确把握每位学生在小组实验中的贡献程度，仍需进一步思考和完善。

[参考文献]

[1] 刘占文.工程技术应用型人才培养模式研究[J].中国冶金教育，2009（1）：10-12.

[2] 陈丽春，毛建卫，茹潇潇，等.校企协同创新培养应用型工程人才[J].高等工程教育研究，2014（3）：72-75.

[3] 李延龙.应用型工程人才基础课阶段精致培养研究[J].教育观察（上半月），2017（17）：76-77.

[4] 李素芹.应用型人才相关问题辨析[J].扬州大学学报（高教研究版），2014（1）：13-18.

[5] Edward F.Crawley，等.重新认识工程教育：国际CDIO培养模式与方法[M].顾佩华，沈民奋，陆小华，译.北京：高等教育出版社，2009.