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摘要：以中国民航大学交通运输专业工程认证为契机，通过剖析大类实践课程中的“复杂工程问题”，对课程体系的横向和纵向的梳理，建立了多层次、多维度的空域规划类课程体系，以支持空管学院不同专业方向的需求。课程组将大类课程的授课内容打散，根据解决复杂工程问题的需求，结合专业需求重新组合成符合专业目标的课程，并配以不同的实践类型。为了支持复杂工程问题的达成，各类实践配备多种类的教学方法、多层次的实践平台以及多维度的考核方法，形成了完善的教学模式，达到了工程教育目标，提高了空域规划类课程整体水平。
关键字：工程教育；复杂工程问题；实践课程；空域规划
本文引用格式：齐雁楠，等.以复杂工程问题为导向的空域规划类实践课程体系改革[J].教育现代化,2020,7(41):74-78.
Complex Engineering Problems Oriented Reform on airspace Planning Practical Course System
QI Yan-nan,DAI Fu-qing
(Civil Aviation university of China,Tianjin)
Abstract:Taking the accreditation of undergraduate engineer education for Transportation Specialty as an Opportunity,by analyzing the“complex engineering problems”in certain course group,a multi-level and multi-dimensional course system of airspace planning has been established to support the needs of different professional directions of ATM College.The horizontal and vertical aspects of the course system was analyzed.According to the needs of solving complex engineering problems and combining with the professional needs,the course teaching group breaks up the teaching contents of related courses and reconstitutes them into courses that meet the professional objectives,and different types of practice are equipped to different courses to reach to the best practice effect.In order to support the achievement of complex engineering problems,a perfect teaching mode was formed with various kinds of practice equipped with a variety of teaching methods,multi-level practice platform and multi-dimensional assessment methods.The reform achieved the goal of engineering education,and improved the overall level of the airspace planning curriculum group.
Key words:engineering education；Complex engineering problems；Airspace planning；Transportation
一 引言
近年来，空域资源的紧缺已经成为制约各个国家民航发展的首要问题，我国为了实现从民航大国到民航强国的过度，交通部民航局制定了民航发展“一二三三四”总体工作思路，其中重点补齐空域资源利用等四个短板是民航发展提出的重要四个发展方向[1]。在民航局《推进民航科技教育创新发展意见》中，要求民航院校要重点推进学科专业结构调整和特色专业课程建设，强调前沿交叉学科在民航的应用，开展民航特色专业核心课程建设[2]。空域规划类课程是中国民航大学空管学院的核心课程群，支持交通运输和交通管理两个专业三个方向对空域资源相关能力不同层次的培养要求，具有很强的实践性和综合性。2012年中国民航大学交通运输专业获得了工程认证资质，于2018年通过了复评，工程教育认证为空域规划类实践教学赋予了更高的要求。工程教育的目标是使学生具备解决复杂工程问题的能力，在教学中学生的工程能力能否切实得到提高，需要找到适合行业水平的复杂工程问题，并将解决复杂工程问题需要的环节贯穿于课程构架和整个课程设计中。而设计精良、实用性强的实验环境，是支持复杂工程问题实现的利器。因此，如何紧密并恰当联系行业实际复杂工程问题，如何借助实验平台提升实践课程水平，进一步延伸学生的工程思维，提高创新能力，成为空域规划类实践课程体系改革的驱动力。
本文以工程教育为理念，以解决复杂工程问题能力提升为目标，以创新实验平台为手段，对空域规划类实践课程体系进行了改革，从大类课程实践教学层级结构建立、实践教学模式等方面进行了探索，提出了工程教育理念下实践课程体系建设的新思路。
二 基于工程认证的大类课程问题剖析
空域规划类课程是针对中国民航大学空管学院交通运输专业和交通管理专业的三个方向开设的课程，主要讲解空域管理与规划基本概念与方法，涉及空域场景分析、空域设计及评估的全过程，是空域合理使用与民航运行的基础。改革前以模块课的方式进行，理论、实践同期进行，三个方向课程设置相同。为了探索适切的教学模式，课程组首先从民航单位需求的视角进行专业认证，发现学生工程能力与业界需求具有较大的差距，主要体现在综合问题分析、解决能力不足，理论、技术应用不恰当。主要有以下突出问题。
1.在改革前课程也是依据一定的复杂工程问题设计了课程体系与教学模式，但预定的复杂工程问题几乎照搬了行业中的某一类复杂问题，课程对不同方向复杂工程问题没有加以区分，课程设置完全相同，但实际上三个方向对空域规划能力要求的深度不同，决定了三个方向要适用不同复杂问题。
2.课程中解决的复杂工程问题，主要提取了空域规划技术、理论单一领域的内容，略去了多变的非技术因素和各个方向的培养要求，难以突出问题的“复杂性”。
3.课程对复杂工程问题的解决能力的培养没有提供相应的环境支持（原使用传统手工制图的方式），仍然使用传统“实验指导书”式的教学模式，只突出中间设计技术的应用，缺乏场景的搭建、分析以及最后的评估、成果体验全过程，难以突出问题的“工程性”。
工程教育的基本定位是解决复杂工程问题[3]，课程组根据发现的问题，建立多层次、多领域的技术、知识体系交叉应用的实践课程体系，同时搭建完善的实验平台用以支持各个层次的实践课程，以更好地支持“复杂工程问题”的实现。
三 多层次、多维度的实践课程体系基本框架
针对问题，首先对三个方向对应的行业进行调研，从民航业界的视角，确定了各个专业方向面对的空域规划问题和需求，将实际问题初步剪裁为各个方向需要完成的复杂工程问题，进行了课程体系纵向梳理。
将原有课程以知识点为单位进行分解并分类为：通用基础类知识和专业应用类知识；根据复杂工程问题的七个特征制定不同方向相应的复杂工程问题。分析各个方向对知识点的深度要求，将专业应用类的知识点分层次，重新组合为不同课程，形成空域规划大类实践课程的纵向四层次体系（见图1）。课程体系涵盖了空域规划类的课内实践、实践课程、实践项目以及空域规划类毕业设计，以支持不同层次能力需求，不同方向相关课程设置在不同学期进行，形成了完备的空域规划大类实践课程体系，能够较好地支持三个方向的培养目标，四层体系层层递进，复杂性也由低到高。
课程包括空域规划、空域规划课程设计、PBn程序设计及应用、传统飞行程序设计与航图，以及空域综合应用的空域规划初级、高级项目、空域规划类毕业设计。
大类课程所涵盖的内容支持三个方向的毕业达成，但所要求的深度不同、内容侧重不同。例如空中交通管制方向中对空域相关技术、理论的要求较高，不仅需要支持后继的管制课程，也要求学生具备初步的空域规划、设计、评估能力。而机场方向和运行管理方向将空域规划相关知识作为后期飞行签派、计划课程的铺垫，主要以空域规划成果应用为主。
（一）第一层——基础层
包括空域规划，涉及基本的空域规划概念以及以机场空域为范围的飞行程序基本理论。基础层为交通运输全部三个方向的必修课，满足三个方向对空域规划基本理论与基础实践培养要求，涉及先前课程知识的综合应用。
（二）第二层——专业基础层
包括空域规划课程设计和PBn程序设计及应用，涉及空域、飞行程序应用运行的知识，满足三个方向不同的需求对飞行程序、空域应用的培养要求，涉及多因素条件下机场空域的规划，考虑安全性、效率。
（三）第三层——综合应用层
第三层为在具备一定空域规划理论、实践基础上，结合空管方向其他专业课程知识进行空域静态结构和动态运行的综合设计与规划，涉及空中交通管理运行多角度、多因素空域运行的开放性问题，考虑安全性、效率、经济性以及环境的影响。包括两个子层次：初级项目和高级项目。初级项目偏重空域静态结构的设计，高级项目偏重在静态结构的基础上，从运行层面进行空域运行方案的规划与评估。
（四）第四层毕业设计——综合及拓展层
第四层在第三层次的基础上，针对民航运行中的实际问题，进行多学科、多领域交叉问题研究，不仅仅涉及机场、航空公司以及空管联合运行问题，还考虑一定的社会效益。
四个层次层层递进，随着学生专业知识的丰富与加深，解决复杂问题的深度也逐渐加深。
四 空域规划类课程教学模式探索
（一）基于课程实现的实践课程类型
复杂工程问题需要运用深入的工程原理分析并建立适当的抽象模型，为了加深理解，采用不同的教学法和实践类型，以更好地达到对专业培养目标的支持。课程组重新梳理各个实践课程的特点和要求，采取了五种实践类型（演示类实验、验证类实验、综合类实验、设计类实验、创新类实验）,见表1。所有实践类型，均设有空域规划各类参数设计、方案设计、方案评价、对比等复杂工程问题的基本要素。不同的实践类型配备相应的支撑条件，达到整合实践资源，实践教学环境优化。
（二）基于实验室的多维立体实践课程教学模式设计
复杂工程问题的“工程”是完整的、有组织的活动，需要进行场景的构造将内外诸要素联系起来，且由于其复杂，完成“工程”还需要较多的人力、物力来进行复杂的工作[4-6]，因此在有限的课时内，需要精心设计的实践环节和完备的教学实验平台来助力。
1.教学组织
教学内容和目标需要合理、缜密的教学组织和一定的教学条件的支撑，尤其对于实践课程来说，理论实践的融合模式、实践教学方法，实验的设置、实验的完成方式以及实验条件的支撑都是学生能力培养的重要环节[7,8]。对于专业的大类实践课程来说，由于各个课程对某领域要求的知识范围基本一致，在深度、层次要求有所区别，因此可以设置不同的教学方法。
（1）教学方法
工程能力培养是高等工程教育最基本的诉求，是要把理论知识内化后应用到工程问题的解决。理论知识高质量的内化需要在理论课中将知识在工程应用中的实施方法以案例的形式展现出来，然后配合相应的课内练习、实践以顺利进入实践环节[9,10]。不同层次的实践内容使用不同的实践教学方法，例如问题式、启发式、项目式或开放式的教学方法，使学生的进行实验的自主发挥程度由浅及深，从教师设计一些关键问题引导、启发学生进一步思考、探索知识，到学生根据理论课程中的知识储备，自己组织项目完成规定的工作，最后到学生按照自己的研究、应用需求，借助实验室等开放资源完成学科交叉、综合的工程应用项目，层层深入强化工程实践能力（见表1）。
（2）教学平台环境
不同层次的教学方法同时也需要大量辅助资源的支持，问题式教学和启发式教学方法需要从大量案例，如何复原案例，并融入实践课程中需要一定的平台支持；项目式教学方法中的项目需要与一线应用需求有较大程度地契合，且需要具备一定的工程复杂性，为使学生在其有限的知识结构层次范围，完成可靠的、实用的成果需要一定技术、设备的支撑，来辅助学生完成大量计算、验证等重复工作；开放式教学方法进一步支持学生创新思维的延展，需要有能够支持学生科学研究、工程应用等多方面需要的平台，为学生提供一个自由发挥、灵活的实践环境，切实提高学生的解决复杂问题的能力[11-13]，实验项目已经转为综合性、设计性、创新性，实验室的建设和发展也应根据实验方式的转变而转变。
完善的工程教育教学平台应支持从实验场景的构建到方案的设计以及成果验证、体验，直至教学效果验证的整个实践环节，见图2、图3。平台的开发重点实现学生进行复杂工程问题研究需要的功能，例如重复计算、直观展示、更高级实验平台接口等。
（3）多维的实践教学评价
工程教育体系中以学生为本的教育理念以及解决复杂工程问题的要求，促使了教育教学的中心由传统的课堂教学改为了实践教学，实践的完成方式也由验证、演示转变为项目管理的模式，因此在评价模式方面，需要将成果评价和过程评价相结合的多层次评价模式。课程教学的目标的达成在于学生多方面能力的培养，对于能力的评价不可能通过一次考试就能够客观的完成，能力的体现是一个长期的过程，因此在专业评价的基础上，结合学生评价、课程对专业的支撑评价相结合的方法进行多角度评价。另外，对于设计类、创新类课程的评价，常常带有很强的主观性，造成不同教师间评价标准存在差异。评价体系进一步梳理、细化可以对考核的公平、合理性有一定的改善，但对综合设计、创新类实验，应借助一定的评价系统，实现考评过程数字化、自动化，真正实现评价主体多维度、评价角度多维度的全面、重点突出的评价。
在空域规划类课程考核，通常使用分阶段、分层次的考核方式，分为课内考核、答辩、报告、方案自动考核几个环节，由于实践课时有限，充分利用目前流行的信息平台，例如微信、雨课堂，以及自主研发的空域方案评价系统，能够实现公平、高效、精准的评估。空域方案评价系统中，建立评价体系，结合课程组教师经验、行业专家意见、教育规律等多方面的因素，对设计成果进行全面客观的评价，见图4。
根据工程教育“以学生为中心，以结果为导向，以持续改进为宗旨”的理念，还应建立教学评价结果存储、分析机制，借助实践平台的评价功能（见图2，图3），分析教学中发生的共性问题，作为持续改进的依据以确定改革的目标和方向，实现了对工程复杂问题完成度的评价。
五实施效果
学院于2012年初步完成专业培养计划修订，于2016年进一步优化。课程组也同时完成了各个课程大纲等材料的修订，并于2014年成功申请建设空域规划课程实验室，经过两年的积累与建设，新建实验室在2015年基本建成，并以2013级卓越班为试点小范围投入使用，2017年正式投入使用。提取2012-2014年、2017-2018年空域规划类课程的平均达成度（取各个毕业要求指标达成度的平均），以及教学班平均达成度的标准差进行分析（见图5），可以看出大类课程对各个专业目标的培养支撑得到了提升。在授课过程中也发现，实验平台的支持能够保证实验的完整性，同时极大地提高实验效率，在同样课时的条件下，学生花在重点、难点，创新性、综合性实验环节的时间比例大大增加，各类实验工具替代了原来繁琐的重复手工计算，能够解决问题的“复杂性”增加。
课程组还对各个方向的其他后继课程任课教师进行了调研，结果表明学生对空域规划相关知识掌握能够满足方向培养要求，为后继的课程奠定了坚固的基础；同时学生也反映其应用各类资源（系统、文献等）解决问题的能力提升了，对空域规划相关问题的研究热情随之提高。
六 结语
解决复杂问题能力的培养是工程教育的核心，是面向行业发展需求培养的基本定位。以“解决复杂问题”为出发点，整合各类网络技术媒介及实验资源，是大类实践课程体系优化的新思路。课程组在行业调研的基础上，结合教育规律，确定了要解决的工程复杂问题。根据专业方向需求和现有实验条件，建立了空域规划类实践课程体系，并确定了教学方法和模式，为复杂工程问题的达成提供了全方位的支持。实践证实，优化后的实践课程体系对教学质量的提高以及专业的支撑都起到了良好的效果，能够为大类实践课程体系的建立提供一定的方法支持。
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