系统安全性设计与评估课程积木式实验平台设计与实现

赵长啸， 肖国松， 王 鹏，

（中国民航大学a.安全科学与工程学院；b.民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300）

0 引 言

“大类培养”的人才培养模式［1］顺应了“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的高校深化教育体制改革方向［2］，逐渐成为高校人才培养改革的重要突破口。大类培养可分为按照学科规划的学科大类培养［3］和按照应用领域规划的专业集群培养［4］。大类培养模式下，如何针对性、有效提高不同学科专业方向学生的创新和实践能力成为各大类专业改革和发展的重要问题［5］。招生与人才培养模式的改革需要对应的课程体系架构的支撑，学生课程培养体系需要从“公共基础课—专业基础课—专业方向课”的专业培养模式课程体系，向“通识课程—大类课程—专业课程”新的适合大类培养的课程体系转变［6］。文献［7］中分析了国内外航空航天类专业的培养体系和课程分类，介绍了航空航天类专业实行的“书院制”培养模式和基于两个层次、三大课程模块的课程体系结构。文献［8］中分析了东南大学“三制五化”相结合的本科人才培养模式和大类学科基础平台课程的建设情况。

在这样大类招生、分流培养的学科建设背景下，我校于2018 年启动了面向机务类应用型人才的大类培养计划，适航学院承担了论证在我校机务类专业设置适航模块课程的工作任务（校党［2018］8 号文件），形成了“机务专业设置适航课程实施方案”，在电气工程及其自动化、电子信息工程、飞行器制造工程和飞行器动力工程4 个机务专业开设适航模块课程实施，并首批建设8 门课程。适航关系到飞机的本质安全，“系统安全性设计与评估”［9］作为适航模块的重要基础课程，成为了各专业的必修课，不同专业虽然隶属于机务大类，但是在人才培养目标、核心知识体系等方面存在差异，采用同一套教学方案、同一套实验教学案例，难以满足各专业的差异化需求，为此课程组设计了基于“共性＋特性”的差异化教学内容规划，并针对各专业的特点设计了实验教学模块，开发了积木式实验平台。

1 面向机务类各专业差异化需求的课程建设

适航是民机产品进入市场、投入运营的前提，随着我国大飞机战略产业的发展，据保守估计，我国航空器适航技术专业人才的缺口为8 000 ～10 000 人［12］，因此在我校机务类相关专业开设适航模块课程，补齐学生相关知识短板，增强工程实践能力，可以有效地提高学生就业竞争力。为了有效地支持各专业的人才培养目标，需针对各专业人才培养计划，发现、识别与适航模块课程的结合点，以各专业课程体系为基础分析各专业对系统安全性设计与评估的需求，形成“共性通用知识要素＋差异化教学模块”的课程教学内容规划，并根据各专业的特色与人才培养需求设计针对性的实验教学模块，课程建设思路如图1 所示。

图1 课程建设思路

系统安全性设计与评估课程的内容包括基础理论和应用实践两部分，因此针对不同专业的差异化教学设计包括两方面，①各部分理论内容的侧重点不同，例如针对特定风险分析（PRA）这一知识点，非包容转子失效是飞行器动力工程专业需重点了解与掌握的内容，而对于电子信息工程专业则高强度辐射场是需要重点关注的内容；②对于各知识点的应用对象及场景进行差异化设计，例如飞行器动力工程专业培养计划中的课程体系围绕航空动力装置的原理、结构、故障诊断、失效分析展开，则该专业的课程需针对航空动力装置的特性开设相关安全性评估理论与实践内容，而电子信息工程专业则以航空电子相关课程为主线，则课程应结合航空电子系统的特性开展应用场景分析。课程的整体教学规划如表1 所示。

表1 “共性＋特性”的差异化教学方案

2 积木式实验教学平台设计

2.1 实验教学平台总体设计

根据课程的整体建设思路，建立针对不同专业需求的“积木式”实验教学平台，以支撑课程培养目标和不同专业的差异化人才培养目标。平台整体包括平台管理、共性知识实验教学、差异化知识实验教学三大模块（见图2）。

图2 实验教学平台总体设计

2.2 实验教学平台各模块设计

平台管理模块主要负责平台用户角色管理、任务发布与追踪管理、作业下发与收集管理、知识库管理等，主要提供平台的基础能力。

（1）共性知识实验模块设计。共性知识教学实验模块向所有学生角色用户开放，本模块的实验内容主要以演示性实验、感知性实验为主，按照教学内容规划设计了7 个实验单元。以“系统安全性评估流程”单元以图形化的形式向学生展示了民机系统安全性评估中“双V”概念，使学生了解“确认（Validation）”和“验证（Verification）”的区别与联系及其在不同安全性评估活动中的作用。

（2）差异性知识实验模块设计。差异性知识教学实验模块主要用于为不同专业提供差异化的实验教学，设计了12 个实验单元，主要包括系统安全系评估活动的认知和实践、安全性评估方法与工具的实践、复杂系统安全性评估案例分析等内容，实现对学生自主性、工程型、研究性和设计性的实验教学能力培养。本模块设计采用了“专业透明”的设计思路，即平台向不同专业学生提供统一的实验教学界面，同时在后台链接不同专业对应的实验案例数据库，实现教学平台的“统一化流程、差异化案例”设计，可有效减少实验教师学习平台使用的时间，简化了界面开发的工作量，可将更多的资源投入到案例资源库的开发。

如针对“系统级功能危害性分析（SFHA）”单元设计，教学流程与实验环节设计如图3 所示。

图3 SFHA单元设计

SFHA以各系统为对象，分析在飞机设计的整个飞行包线和不同飞行阶段内，可能导致各系统失效甚至影响飞机整机安全飞行的功能失效，对系统基本功能实施的定性评估，对与系统级功能相关的失效状态进行识别并分类，形成各系统对应的安全性设计需求和目标，是衔接飞机级安全性工作与系统级安全性工作的重要内容。模块设计时以SFHA的整体分析流程为依据，学生在线阅读实验指导书后，系统根据学生的不同专业从案例库选择合适的系统，针对电子信息工程专业选择通信系统（ATA 23）作为SFHA 实验实践点，针对电气工程及其自动化选择起落架系统（ATA 32），针对飞行器制造工程专业选择电源系统（ATA 24），针对飞行器动力工程选择动力装置系统（ATA 71）。同时在不同实验环节设置不同层次的实验教学手段，如对于SFHA 单元的重要知识点“失效状态分析”，采用“指示字”提示的方式，由学生按类别开放式填写具体失效状态类别，培养学生的工程实践能力和分析能力。对于易混淆的概念和构型清单问题，提供可选择项供学生选择。学生在完成所有实验环节后，提供整体实验报告预览功能，在确认无误提交后，系统自动生成电子化的实验报告，汇总至实验教师账号下进行批改，电子化的实验报告利于数据的存储、整理，可为课程后续的持续改进提供完备的教学数据。

3 实验教学平台实现

平台整体采用B/S（Browser/Serrer）架构，支持在校园网环境下登录实验教学平台，学生通过学校的VPN（Virtual Private Network）系统可实现外网环境下使用，配合各种网络视频软件和教学站点，可实现网络化的实验教学，有效保证在疫情等突发情况下，学生无法到校时实验教学仍能顺利开展。

安全性平台的实验界面如图4 所示，通过任务管理单元进行学生实验教学任务的下发、管理，学生可以查看已完成的实验环节的教师评分及评语，查看后续的教学实验进度安排。平台提供的工具箱用于学生的自主学习，在未接受到实验任务时仍可以进行学习和练习，对自主学习可用的存储数据空间大小进行限制以减少服务器压力。

图4 安全性平台实验界面

针对共性知识模块通过图形化的形式使学生能够直观地学习知识点，以系统安全性评估中的双Ⅴ（Validation and Verifieation，确认和验证）概念为例，开发的知识学习界面如图5 所示。学生可以直观了解双V模型的各个环节，各环节间的联系与支撑关系学生可以点击图中的各模块进一步了解学习系统安全分析各活动的流程、输入、输出与该活动安全性分析关注点。

图5 共性知识-双V模型

对差异性教学实验模块，以SFHA为例，实验界面如图6 所示，根学生专业的不同，为其开通左侧飞机功能树中相应系统的数据权限，学生按照实验流程开展实验。安全性平台后台规划了39 个飞机系统的案例数据库，目前已完成9 个系统的案例数据开发用于4个专业的实验教学活动。

图6 SFHA环节实验平台界面

4 结 语

大类招生，分流培养已成为现在高校人才培养的大趋势，如何解决好专业基础类课程对多个专业人才培养目标的支撑作用是各课程组需重视的问题。系统安全性设计与评估课程组，坚持“以学生为中心”的思想，在课程内容规划及实验教学模块上细化差异化培养理念，采用“共性＋特性”的课程模块规划思路，开发了“积木式”的系统安全性课程实验教学平台，通过信息化的手段推动学生自主学习，通过构建差异化的教学案例库满足了不同专业人才的实验教学需求。

·名人名言·

读书有三到，谓心到，眼到，口到。心不在此，则眼不看仔细，心眼即不专一，却只漫浪诵读，决不能记，记不能久也。三到之中，心到最急。

——朱熹