面向新工科的《安全性分析与适航》课程教学模式改革与探索

张超 田薇 王海涛 周勇

摘 要：航空工程是典型的工科专业，从安全适航独特视角分析了新工科建设对航空专业大类《安全性分析与适航》课程教学的新要求，提出了课程教学模式改革新思路，根据飞机研制“双V”体系阐述了系统论围绕、多学科交叉、探究性主导和前沿性引导四方面的具体措施，并给出了典型案例。实践表明该改革思路可为工科优势高校的新工科建设和同类工科专业课程的教学改革提供借鉴。

关键词：航空工程；新工科；安全性分析；教学模式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

建设“新工科”是坚持中国特色社会主义教育发展道路，着眼高等教育改革发展全局，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人的重要举措。它是应对新一轮工业革命以及席卷全球的新经济对高等教育的挑战，响应国家创新驱动发展对工程技术人才需求的号召，具有新兴、新型、新生的内涵和特征的高等工程教育发展战略规划[1，2]。

航空工程是典型的工科专业，航空技术的高速发展体现着深刻的时代特性。《安全性分析与适航》课程是西北工业大学航空学院开设的一门航空大类课程，主要讲授民用飞机系统安全性分析和适航性评估方法，它是以飞行器设计为核心的航空工程传统工科教育向新时代以飞行器安全适航为核心的航空工程新工科教育升级的重要新增课程之一。新工科教育要求改变教法增活力，本文针对传统工科优势专业的新工科课程建设任务，从安全适航独特视角分析了新工科建设对《安全性分析与适航》课程教学的新要求，从系统论围绕、多学科交叉、探究性主导和前沿性引导四方面开展面向新工科課程教学模式构建的探索和实践，力求推动航空工程新工科教学的改革，促进航空工程新工科人才培养，提升我国航空技术的发展水平。

二、新工科建设对《安全性分析与适航》课程教学的新要求

（一）飞机安全适航对新工科建设的新要求

我国航空工业近年来飞速发展，尤其在民用飞机领域，ARJ21-700新支线飞机、MA600螺旋桨飞机、C919大型客机、AG600大型水陆两栖飞机等陆续研制成功，它们都是新时代的突出代表产品。“民机发展，适航先行”，是民用航空事业的基本理念。适航是国产民用飞机获得商业成功、走向国际市场的法定前提和重要基础。适航性是指航空器包括其部件及子系统整体性能和操纵特性在预期运行环境和使用限制下的安全性和物理完整性的一种品质，这种品质要求航空器应始终处于保持符合其型号设计和始终处于安全运行状态。而现代民用飞机是一个高度综合和极其复杂的庞大系统，包括动力装置、航电、飞控、液压、燃油、起落架等十几个系统，尤其是现代电子信息技术的大量使用，使得现代的飞机复杂程度大大提高。从飞机设计过程来说，安全性始终是首位的，可以说在很大程度上，民用飞机的发展取决于民机系统安全性技术的发展。我国民用飞机技术的发展也应不再仅仅局限于飞行器设计本身的发展，还应更多关注飞机安全性设计和适航审查的发展，而飞机安全性分析和适航技术本身就是多学科交叉复合组成的知识体系。因此，在航空工程新工科建设中，航空专业要面向当前和未来航空产品发展急需，主动优化课程体系，促进现有飞行器设计、飞行器控制与信息工程、飞行器适航技术等专业的交叉复合，积极升级和发展航空工程新工科，拓展航空工程工科专业的内涵和建设重点，大力培养具有国防情怀的航空工程新工科人才，服务于“航空报国、强军富民”战略。

（二）新工科建设对课程教学模式的新要求

新工科建设纲要指出，教学有法，教无定法，教学方法不改，课堂抬头率不高，教学效果差，因此要改进教法[1]。在新工科背景下，《安全性分析与适航》专业课程教学的目的除了使学生掌握宽广的专业知识外，更多的是要培养学生的工程意识和实践能力。而目前的课程教学过程中，学科单一性明显，各知识点缺少有效的联系，知识的堆砌没有形成有机的整体，学生缺乏各学科知识融会贯通的能力；教学手段单一，以知识讲授为主的课堂教学难以调动学生积极性，冗繁的课堂讲授减少了学生自主创新的空间；实践教学与理论教学脱节，松散的理论知识无法对实践提供系统化的理论支撑，同时实践教学也没有对理论教学起到问题导向作用，这与新工科培养目标并不一致。因此，为满足航空技术发展实际，贴合新工科背景，需要对现有的“讲授式”的教学模式进行必要的改革和优化。

三、《安全性分析与适航》课程教学模式改革措施及典型案例

安全性工作是飞机研制过程的重要组成部分，飞机系统研发过程和安全性分析过程共同组成了飞机研制的完整内容，两者相互依存，不可分割，其交互关系如图1所示的“双V”体系[3]。基于“双V”体系，结合新工科新要求，提出了“系统论围绕、多学科交叉、探究性主导、前沿性引导”为特征的《安全性分析与适航》课程教学改革措施。

（一）系统论围绕

飞机是当今世界上最复杂的多学科集成的工程系统，是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志。如何设计出安全可靠的飞机，是所有设计师首先要考虑的问题，也是飞机能否通过适航审查进入市场的关键所在。飞机系统安全性分析是一门学科，它是将安全性问题作为系统工程问题进行研究，采用系统分析的方法和管理原则及工程工具，分析、识别和控制危险，使飞机获得最佳安全性的工作。飞机系统安全性分析是从飞机研制初期的指标论证阶段开始进行，并贯穿研制、生产、使用、运营、退役阶段的系统性检查。因此，在教学过程中，始终要坚持大系统论的指导思想，贯彻飞机全寿命周期开展知识点讲授和研讨，而不是简简单单的把“系统安全性”理解为“飞机各组成系统的安全性”。

（二）多学科交叉

飞机系统安全性分析学科并非是一门孤立的学科，它与飞行器设计工程、飞行器人速工程、可靠性工程、维修性工程、飞行器制造工程、飞行器控制工程、飞行器信息工程等学科之间存在着交叉和关联。例如，要研究分析飞机飞行控制系统安全性时，就首先要对飞行控制系统这一研究对象的基本原理和工作方式有深入的理解，这涉及到控制理论、容错理论等学科，然后初步系统安全性分析评估，这又涉及到可靠性工程和维修性工程等学科。因此，基于新工科建设思想建设了“多学科交叉”为特征的“民机通信导航与雷达”核心课程群，较好地实现了多学科交叉和知识的融会贯通。同时，依托核心课程群的实验平台，能较好地开展安全性分析和评估方面的实验教学和实践活动，通过理论知识给实验实践提供系统化的理论支撑，同时也通过实践教学形成对理论教学的导向作用。

（三）探究性主导

以创新能力培养为核心的新工科建设对教学手段提出了全新的要求，为此需要采取各种有效的教学方式来实现学生创新能力的培养。而基于问题的探究式教学和基于案例的讨论式教学是近年来工程教育界最为推崇的研究性教学方式。在本课程的教学过程中，大量应用基于问题和基于讨论的探究性教学方式，加强学生创新思维的锻炼和培养。例如，围绕2018年8月28日首都航空JD5759航班A320紧急备降深圳机场这一事件，在课堂教学过程中开展了深入的探究和讨论，提出了“为什么要突然受损？”来研讨和学习“风切变”的知识，提出了“为什么本次航班在降落阶段受凤切变影响大”来研讨和学习“低空风切变是飞机的隐形杀手”等知识，提出了“低空风切变为什么会使得飞机难以控制”来研讨和学习“飞机空气动力设计”等知识，提出了“为什么重着陆后要复飞”来研讨和学习“飞机安全性控制”等知识点，提出了“备降深圳机场前为什么要进行低空通场”等研讨和学习“飞机安全降落”等知识点，通过这一系列的探究性研讨，把安全性知识穿插在具体实例中，这样可以做到来源于实践，认知于实践、回归于实践，在探究实践中创新并将创新用于实践，较好地突破传统课堂“讲授”的“权威性”、“教条性”、“盲目性”和“从众性”，学生也能更好地突破书本型思维定势、避开从众型思维定势、跨越经验型思維定势、跳出自我型思维定势、超越权威型思维定势，这样既增加了学生的学习兴趣和积极性，也锻炼了学生的创新思维能力和实际解决工程问题的能力。

（四）前沿性引导

学科前沿永远是激发学生兴趣和创新能力的最好源泉，新工科建设本身就是要主动面向未来，面向产业需求深化教学内容，面向技术发展更新教学内容，将学科前沿积极引入到课堂教学内容中。安全性分析也是一门不断发展的新兴学科，主要涉及到的飞机系统安全性分析方法包括功能危害性评估（FHA）、初步系统安全性评估（PSSA）、故障模式影响及危害性分析（FMECA）、故障树分析（FTA）、区域安全性分析（ZSA）等，这些分析方法本身都在不断发展和优化中。为了让学生更深入地理解各种方法的优缺点和发展动态，积极将各种方法的最新研究进展引入课堂，通过分析各种安全性方法的适用范围和存在问题，引导学生思考，然后再共同研讨新的解决思路和解决途径，这样既能扩展学生的知识面，又能锻炼学生的创新能力和学习热情。例如，在研讨故障树分析法时，首先讲授的是静态故障树理论，针对传统的基于布尔代数的静态故障树定性定量分析存在的“组合爆炸”问题，引入了基于二元决策图（BDD）的静态故障树定性定量分析新方法；再针对现有飞机电子电气系统大多采用容错设计的现状，指出静态故障树已不能较好适应飞机电子电气系统发展趋势，从而引入了动态故障树理论。按照如图2所示的这种思路，学生既学到了基本知识，也掌握了学科前沿，创新思维和创新意识也得到了极大的提升。

四、结束语

《安全性分析与适航》已面向西北工业大学连续开设了3轮次，选课学生主要来自航空学院、航天学院和教育实验学院，学生普遍反映教学模式较新颖，教学效果显著，学生的大系统工程观、创新思维能力和解决问题的能力均得到明显提升，突出了创新型航空工程新工科人才培养的目标，实现了理论教学与前沿技术的协调发展，可供工科优势高校的新工科建设和同类工科专业课程的教学改革参考和借鉴。

参考文献：

[1]张大良.因时而动，返本开新，建设发展新工科-在工科优势高校新工科建设研讨会上的讲话[J].中国大学教学，2017（4）：4-9.

[2]候赤，赵美英，惠嘉，等.面向新工科的飞行器结构设计课程群建设探索[J].西北工业大学学报（社会科学版），2017，37（4）：86-90.

[3]修忠信.民用飞机系统安全性设计与评估技术概论[M].上海交通大学出版社，2013.