新工科背景下无人机运行风险评估技术课程教学研究

齐福强，刘光才

（中国民航大学，天津 300300）

目前，我国开设无人驾驶航空器系统工程专业的高校仅十余所，新工科培养模式对无人驾驶航空器系统工程专业人才的创新能力和跨界整合能力提出了更高的要求。探索新工科教育的实现形式和培养模式，实质是根据人才培养目标确立人才培养模式，其核心问题是课程改革，微观基础是课程教学模式的改革[1-3]。而无人机运行风险评估技术是该专业一门重要的专业基础课，也是毕业生从业应具备的基本技能。但由于该课程涉及理论知识多、实践要求高等特点，作为本校甚至国内新开设的课程，有必要结合实际的教学情况，做进一步教学内容和方法上的实际研究和探索，从本学科特点出发，详细研究无人机运行风险评估技术课程的内容建设、教学方法等。因此，在该门课程的教学过程中，如何让学生学好这门课，且能够学以致用是教师需充分考虑并致力解决的问题。

目前，无人机的本科相关课程改革研究相对较少，研究表明无人机课程普遍存在缺乏理论联系实际，学生实践能力、创新能力不足等问题[4-6]。近年来，国内外学者针对不同教学课程，开展了各种课程教学改革的研究[7-9]，尤其是一些学者在新工科背景下探讨了通用航空专业人才培养方式与方法[10-11]，从教学内容设计和教学方法上进行探索，为大学课程教学改革提供借鉴。因此，本课程将基于新工科人才培养模式，积极探索课程内容与教学方式改革，提高无人驾驶航空器系统工程专业学生的综合安全素养和创新能力。

一 课程问题分析

在新时期国家推进高等教育改革的新工科背景下，新工科对高级工程技术人才的知识结构交叉融合能力、技术创新能力等方面提出了更高的要求。因此，无人驾驶航空器系统工程专业强调学生工程应用能力、自学能力和创新能力的培养。中国民航大学自2018 年开展无人驾驶航空器系统工程本科专业申报论证以来，一直致力于该专业的课程体系探索与研究。根据专业“立足民航，面向社会；重视基础，强调实践；层次分明，规模适度；教研结合，学用相辅”的目标定位，无人机运行管理为专业的重要方向之一。为了更充分发挥无人机运行风险评估技术专业课程的基础作用，需要学生在掌握风险管理基本理论的基础上，能够熟知无人机运行管理理论与行业现行的评估方法，如何在多学科知识交叉复杂的教学过程中提高学生学习效率、培养学生实践能力，是教学面临的主要问题之一。

本校无人驾驶航空器系统工程专业依托民航特色，民用无人机领域也是学生重要的就业领域，与其他院校无人驾驶航空器系统工程专业培养“航空器设计”人材相比，本校的无人驾驶航空器系统工程专业具有明显的行业院校专业特点，无人驾驶航空器系统工程专业的学生培养目标不仅是“航空器设计”人材，更是“运行管理”人材。这就要求在本课程中，不仅仅要注重学生的应用理论、方法及能力的培养，同时更应具备较强的无人机运行风险管理工作实践能力。本课程是无人驾驶航空器系统工程专业的一门重要的专业基础课，也是毕业生从业应具备的基本技能，授课中应注重课堂实践教学环节，采用现代教育技术手段，提高教学效果。但由于本课程涉及理论知识多、实践要求高等特点，采用传统的教学模式，会出现教条化、空洞化等诸多弊端，很难激发学生的学习兴趣和创新意识，教学环节与实际工程问题脱轨，影响教学效果。总体来看，该课程的建设和开展还存在以下重要问题。

（一）教学缺乏系统规划教材

传统风险评估理论一般聚焦在传统的生产领域，而无人机作为新业态，其运行要求、风险评估技术等与传统的风险评估理论有显著不同；同时，无人机运行风险评估与无人机各专业知识结合，存在专业化程度高、专业集中程度强的问题，尤其是2019 年民航局发布《特定类无人机试运行管理规程（暂行）》规定，对特定类无人机运行风险评估提出了明确的要求，现有教材核心内容与实际工作需求存在差距。因此，将传统的风险评估理论的教材专门用于本科的无人机运行风险评估教学实际上有一定的难度。

（二）学生缺乏无人机运行实践基础

由于无人驾驶航空器系统工程强调理论联系实际，注重理论的“学”与实际工程的“用”的联系。因此，这就要求老师和学生都要具备一定的工程基础，通过增加实践环节内容来帮助学生理解各种理论的特点和适用性。而本课程的授课对象主要是缺乏生产实践经验的大学三年级的学生，很难实现理论的融会贯通。

（三）授课中理论与实践结合要求高

课程中大量的理论逻辑和数学推理掩盖课程的工程实践性，学生难以将风险评估方法的内涵意义与实际应用相联系，也就切断了连接专业理论知识与就业岗位需求之间的桥梁。本课程旨在为学生建立一个以无人机运行风险为核心及以相关风险评估技术为支撑的多层次、多梯度化的理论知识培养机会，并以此为基础，结合实践操作和验证，加深对无人机运行风险的深层次认识和实践认知能力。这就需要通过教学设计来打破课程涉及的知识点壁垒，以更大的视野来思考问题和提出教学方案，使课程教学目标更贴近于工作的实际环境，提高理论联系实际的水平。

二 课程教学内容的改革

本课程作为无人驾驶航空器系统工程专业重要的理论基础课，教学内容从“理论与实践相结合、继承与创新相结合、课内与课外相结合”的三个结合方面进行改革。首先，将课程基本知识内容（风险原理、风险评估技术、ISO31000 风险管理标准和特定类无人机运行风险评估标准等）从理论教学和实践教学两个方面进行梳理。然后，增设无人机运行风险评估“实践篇”，针对课程基本理论设计案例分析、专题设计和模拟评估等环节，重点构建典型的无人机运行场景，基于运行场景开展运行风险的模拟评估，理论与实践相结合，从评估方法选择、评估实施等方面提升学生独立思考与实践能力；最后，考虑本课程内容是我国民航行业对安全风险较高的无人机运行进行管理、批准实施部分试运行的核心内容，引入“拓展知识模块”的“无人机风险评估政策”“风险分析新技术”等不同学科知识、理论和技术，用来分析解决无人机运行风险评估的实际问题，构建“整合课程”模式是培养综合性、复合型人才的有效选择之一，能让学生加深对知识的联系、运用，也更能提高其分析问题、解决问题的能力。其课程内容体系设置如图1 所示。

图1 课程内容体系

三 教学方法的改革

（一）教学模式设计

针对无人机运行风险评估技术教学中缺乏实践环节，教材中理论缺乏联系实际，教材案例实践性、新颖性及原创性较差等问题，教学过程中引入LBD 教学方法，选择典型无人机运行案例进行模拟实践是提高学生兴趣，培养学生理论联系实际能力的有效方式。基于问题的学习也称问题式学习（PBL）是一种探究式教学模式，强调学生“提出问题—查找资料—讨论研究—总结反思”。PBL 教学方式以问题作为学习知识点的切入点，教学中设置一定数量的无人机安全相关问题，也鼓励学生提出自己的问题，然后引导学生分组合作、查找资料，团队合作去研究解决问题的方法，然后在课堂上给予学生上讲台的机会，启发其解决问题的思考方式，锻炼学生综合能力。

两种教学模式都是强调以学生为主，通过以各种无人机运行风险问题为引导，以解决问题为学习方式，锻炼学生思考问题、解决问题、发现问题的能力，二者结合起来的教学模式改变传统教师讲授为主的“预习—听课—复习—考试”的教学方法，开展以实践LBD+PBL 模式教学，通过实践而学习，针对实践环节缺乏的现状，增加模拟实践环节，基于现实问题，使用“理论讲授—案例讨论—专题模拟—融会贯通”探究式教学方法，如图2 所示。结合抽象化的例题，开展系统风险分析方法讲授，学生掌握安全风险分析基础理论；以风险分析实例的形式将风险理论应用到无人机运行管理中，拓展学生相关专业知识；随着课程深入，采用自行选题和给定议题结合的方式，开展无人机运行风险综合分析，提升学生解决无人机运行风险分析问题的实践能力；最后，指导学生开展分组研究，对风险评估方法、理论提炼，构建知识“点”共识，锻炼根据实践需求选择方法、解决问题的能力。教师在这一过程中承担指导、咨询和顾问的角色，而学生成为分析问题、解决问题的主角。使学生在掌握基础知识的基础上，通过知识扩展、解决问题能力的锻炼，最后能对所学知识融会贯通，并能进一步对知识加以创新提升。

图2 探究式教学流程

（二）LBD+PBL 的探究式教学实现

本课程将依据“基础—实训—综合—创新”设置四个教学环节，以教学追求为目标，即通过理论讲授掌握基础知识，通过案例讨论的实践来扩展知识，通过综合模拟来解决问题，通过融会贯通来实现创新提升。

理论是这门课程的基础，也是解决实际问题的基础。在讲授理论知识之前，以问题为学习的导向、以问题为学习的起点，让学生带着这个问题去学习理论知识，尤其是风险分析、风险评估的各种方法。例如，在讲解故障类型及影响分析方法时，可在讲授之前向同学们提一些问题：“无人机为什么会坠毁？无人机在坠毁之前出现了哪些故障？故障产生了哪些影响？”把理论知识点逐步融入到分析问题、解决问题的过程中，将会有助于学生掌握各种分析方法的特点、适用条件及使用过程中应注意的问题，结合基本例题及问题，使学生达到对该方法的初步理解和完整认识，能够运用系统安全基本知识解决典型的安全问题。同时，每一个基础理论讲授后，给学生布置课外阅读任务，可以是教师指定的学术论文或文献，也可以是学生根据兴趣方向自己选择的学术论文或资料，然后提交读书笔记或简述阅读摘要。通过课外阅读既巩固课内理论又提高学生专业兴趣与解决问题的能力。

课程中的风险分析理论、ISO31000 风险管理标准和特定类无人机运行风险评估的概念、原理和步骤等内容单调，学生通过以问题为导向的理论学习后会有一定的了解，但是学生很难抓住关键点，如果缺乏进一步理解加深的环节，会很快将理论知识遗忘。可以通过在课后布置案例阅读与分析的作业来加强学生对理论知识的理解。如在讲授事件树分析方法后，可布置作业：以2020 年某地无人机坠毁伤人事件为例进行事件树分析。随后在课堂上对该作业进行适当点评，这样可以引导学生思考“怎样把所学的知识点运用到实践中去？”不仅加深了对知识点的理解，也同时掌握了民航的部分专业知识，实现知识的扩展。

当知识点讲授达到一个节点以后，学生对讲授的理论知识及无人机相关案例已经有了很好的掌握，这时需要考虑的是学生能否综合运用已学的知识解决实际问题，一次综合模拟训练就显得尤为重要。例如，在讲解特定类无人机运行风险评估的方法之后，可设置一个综合实践模拟，学生将以城市物流无人机运行风险分析为题开展特定类无人机运行风险评估专题训练研究，通过划分研究小组，学生承担不同角色，完成各自任务等环节形成研究报告。教师在这一过程中承担咨询、顾问的角色，而学生成为分析问题、解决问题的主角。这不仅帮助学生真正掌握解决问题的方法，更培养了学生团队工作的能力。

提高教学质量，从根本上说是核心问题，是创新人才的培养。提高创新能力就要求学生对所学的知识融会贯通，通过对所学方法、理论的提炼，能够根据实践的需要综合运用知识解决问题。教师在课堂中引导学生对专业问题的思考，将专业研究热点、难点引入课堂。作为课程的重点内容，无人机运行风险评估涉及大量评估要素及复杂的运算，学生对各种方法的理解与综合运用效果不理想。课堂引入典型的无人机运行风险模拟评估训练，通过对不同环境情景进行评估模拟，学生分组独立完成实际工作中面临的风险评估问题。通过模拟评估的研究，不仅锻炼学生实际研究的科研与创新能力，也提高学生发现问题的能力，最终实现理论联系实际的创新提升。

四 结束语

在基础理论与行业需求的基础上，构建了“基础知识模块+拓展知识模块”的课程内容体系；同时围绕“基础—实践—综合—创新”四个教学环节，将LBD+PBL 教学模式引入到无人机运行风险评估技术课程教学中，提出“理论讲授—案例讨论—专题模拟—融会贯通”探究式教学方法。以问题为学习导向，以解决问题为学习方式，强调理论知识讲授与实践并重，通过综合模拟投入到实际问题，实现知识的扩展，最终通过科研项目的参与融会贯通，全面提升与创新。

1）从“理论与实践相结合、继承与创新相结合、基本知识与拓展知识相结合”的三个结合方面进行改革，融合风险评估基础理论、行业运用必备知识技能，知识体系有效衔接，提高学生分析问题、解决问题的能力。

2）基于LBD+PBL，将“理论讲授—案例讨论—专题模拟—融会贯通”探究式教学方法融入课堂教学，理论教学与实践教学深度融合，学生在案例分析、模拟评估实践中掌握理论知识，全方位提升课堂教学质量。