系統(tǒng)安全性設計與評估課程積木式實驗平臺設計與實現(xiàn)

趙長嘯， 肖國松， 王 鵬，

（中國民航大學a.安全科學與工程學院；b.民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津 300300）

0 引 言

“大類培養(yǎng)”的人才培養(yǎng)模式［1］順應了“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質(zhì)”的高校深化教育體制改革方向［2］，逐漸成為高校人才培養(yǎng)改革的重要突破口。大類培養(yǎng)可分為按照學科規(guī)劃的學科大類培養(yǎng)［3］和按照應用領域規(guī)劃的專業(yè)集群培養(yǎng)［4］。大類培養(yǎng)模式下，如何針對性、有效提高不同學科專業(yè)方向?qū)W生的創(chuàng)新和實踐能力成為各大類專業(yè)改革和發(fā)展的重要問題［5］。招生與人才培養(yǎng)模式的改革需要對應的課程體系架構的支撐，學生課程培養(yǎng)體系需要從“公共基礎課—專業(yè)基礎課—專業(yè)方向課”的專業(yè)培養(yǎng)模式課程體系，向“通識課程—大類課程—專業(yè)課程”新的適合大類培養(yǎng)的課程體系轉(zhuǎn)變［6］。文獻［7］中分析了國內(nèi)外航空航天類專業(yè)的培養(yǎng)體系和課程分類，介紹了航空航天類專業(yè)實行的“書院制”培養(yǎng)模式和基于兩個層次、三大課程模塊的課程體系結構。文獻［8］中分析了東南大學“三制五化”相結合的本科人才培養(yǎng)模式和大類學科基礎平臺課程的建設情況。

在這樣大類招生、分流培養(yǎng)的學科建設背景下，我校于2018 年啟動了面向機務類應用型人才的大類培養(yǎng)計劃，適航學院承擔了論證在我校機務類專業(yè)設置適航模塊課程的工作任務（校黨［2018］8 號文件），形成了“機務專業(yè)設置適航課程實施方案”，在電氣工程及其自動化、電子信息工程、飛行器制造工程和飛行器動力工程4 個機務專業(yè)開設適航模塊課程實施，并首批建設8 門課程。適航關系到飛機的本質(zhì)安全，“系統(tǒng)安全性設計與評估”［9］作為適航模塊的重要基礎課程，成為了各專業(yè)的必修課，不同專業(yè)雖然隸屬于機務大類，但是在人才培養(yǎng)目標、核心知識體系等方面存在差異，采用同一套教學方案、同一套實驗教學案例，難以滿足各專業(yè)的差異化需求，為此課程組設計了基于“共性＋特性”的差異化教學內(nèi)容規(guī)劃，并針對各專業(yè)的特點設計了實驗教學模塊，開發(fā)了積木式實驗平臺。

1 面向機務類各專業(yè)差異化需求的課程建設

適航是民機產(chǎn)品進入市場、投入運營的前提，隨著我國大飛機戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，據(jù)保守估計，我國航空器適航技術專業(yè)人才的缺口為8 000 ～10 000 人［12］，因此在我校機務類相關專業(yè)開設適航模塊課程，補齊學生相關知識短板，增強工程實踐能力，可以有效地提高學生就業(yè)競爭力。為了有效地支持各專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，需針對各專業(yè)人才培養(yǎng)計劃，發(fā)現(xiàn)、識別與適航模塊課程的結合點，以各專業(yè)課程體系為基礎分析各專業(yè)對系統(tǒng)安全性設計與評估的需求，形成“共性通用知識要素＋差異化教學模塊”的課程教學內(nèi)容規(guī)劃，并根據(jù)各專業(yè)的特色與人才培養(yǎng)需求設計針對性的實驗教學模塊，課程建設思路如圖1 所示。

圖1 課程建設思路

系統(tǒng)安全性設計與評估課程的內(nèi)容包括基礎理論和應用實踐兩部分，因此針對不同專業(yè)的差異化教學設計包括兩方面，①各部分理論內(nèi)容的側(cè)重點不同，例如針對特定風險分析（PRA）這一知識點，非包容轉(zhuǎn)子失效是飛行器動力工程專業(yè)需重點了解與掌握的內(nèi)容，而對于電子信息工程專業(yè)則高強度輻射場是需要重點關注的內(nèi)容；②對于各知識點的應用對象及場景進行差異化設計，例如飛行器動力工程專業(yè)培養(yǎng)計劃中的課程體系圍繞航空動力裝置的原理、結構、故障診斷、失效分析展開，則該專業(yè)的課程需針對航空動力裝置的特性開設相關安全性評估理論與實踐內(nèi)容，而電子信息工程專業(yè)則以航空電子相關課程為主線，則課程應結合航空電子系統(tǒng)的特性開展應用場景分析。課程的整體教學規(guī)劃如表1 所示。

表1 “共性＋特性”的差異化教學方案

2 積木式實驗教學平臺設計

2.1 實驗教學平臺總體設計

根據(jù)課程的整體建設思路，建立針對不同專業(yè)需求的“積木式”實驗教學平臺，以支撐課程培養(yǎng)目標和不同專業(yè)的差異化人才培養(yǎng)目標。平臺整體包括平臺管理、共性知識實驗教學、差異化知識實驗教學三大模塊（見圖2）。

圖2 實驗教學平臺總體設計

2.2 實驗教學平臺各模塊設計

平臺管理模塊主要負責平臺用戶角色管理、任務發(fā)布與追蹤管理、作業(yè)下發(fā)與收集管理、知識庫管理等，主要提供平臺的基礎能力。

（1）共性知識實驗模塊設計。共性知識教學實驗模塊向所有學生角色用戶開放，本模塊的實驗內(nèi)容主要以演示性實驗、感知性實驗為主，按照教學內(nèi)容規(guī)劃設計了7 個實驗單元。以“系統(tǒng)安全性評估流程”單元以圖形化的形式向?qū)W生展示了民機系統(tǒng)安全性評估中“雙V”概念，使學生了解“確認（Validation）”和“驗證（Verification）”的區(qū)別與聯(lián)系及其在不同安全性評估活動中的作用。

（2）差異性知識實驗模塊設計。差異性知識教學實驗模塊主要用于為不同專業(yè)提供差異化的實驗教學，設計了12 個實驗單元，主要包括系統(tǒng)安全系評估活動的認知和實踐、安全性評估方法與工具的實踐、復雜系統(tǒng)安全性評估案例分析等內(nèi)容，實現(xiàn)對學生自主性、工程型、研究性和設計性的實驗教學能力培養(yǎng)。本模塊設計采用了“專業(yè)透明”的設計思路，即平臺向不同專業(yè)學生提供統(tǒng)一的實驗教學界面，同時在后臺鏈接不同專業(yè)對應的實驗案例數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)教學平臺的“統(tǒng)一化流程、差異化案例”設計，可有效減少實驗教師學習平臺使用的時間，簡化了界面開發(fā)的工作量，可將更多的資源投入到案例資源庫的開發(fā)。

如針對“系統(tǒng)級功能危害性分析（SFHA）”單元設計，教學流程與實驗環(huán)節(jié)設計如圖3 所示。

圖3 SFHA單元設計

SFHA以各系統(tǒng)為對象，分析在飛機設計的整個飛行包線和不同飛行階段內(nèi)，可能導致各系統(tǒng)失效甚至影響飛機整機安全飛行的功能失效，對系統(tǒng)基本功能實施的定性評估，對與系統(tǒng)級功能相關的失效狀態(tài)進行識別并分類，形成各系統(tǒng)對應的安全性設計需求和目標，是銜接飛機級安全性工作與系統(tǒng)級安全性工作的重要內(nèi)容。模塊設計時以SFHA的整體分析流程為依據(jù)，學生在線閱讀實驗指導書后，系統(tǒng)根據(jù)學生的不同專業(yè)從案例庫選擇合適的系統(tǒng)，針對電子信息工程專業(yè)選擇通信系統(tǒng)（ATA 23）作為SFHA 實驗實踐點，針對電氣工程及其自動化選擇起落架系統(tǒng)（ATA 32），針對飛行器制造工程專業(yè)選擇電源系統(tǒng)（ATA 24），針對飛行器動力工程選擇動力裝置系統(tǒng)（ATA 71）。同時在不同實驗環(huán)節(jié)設置不同層次的實驗教學手段，如對于SFHA 單元的重要知識點“失效狀態(tài)分析”，采用“指示字”提示的方式，由學生按類別開放式填寫具體失效狀態(tài)類別，培養(yǎng)學生的工程實踐能力和分析能力。對于易混淆的概念和構型清單問題，提供可選擇項供學生選擇。學生在完成所有實驗環(huán)節(jié)后，提供整體實驗報告預覽功能，在確認無誤提交后，系統(tǒng)自動生成電子化的實驗報告，匯總至實驗教師賬號下進行批改，電子化的實驗報告利于數(shù)據(jù)的存儲、整理，可為課程后續(xù)的持續(xù)改進提供完備的教學數(shù)據(jù)。

3 實驗教學平臺實現(xiàn)

平臺整體采用B/S（Browser/Serrer）架構，支持在校園網(wǎng)環(huán)境下登錄實驗教學平臺，學生通過學校的VPN（Virtual Private Network）系統(tǒng)可實現(xiàn)外網(wǎng)環(huán)境下使用，配合各種網(wǎng)絡視頻軟件和教學站點，可實現(xiàn)網(wǎng)絡化的實驗教學，有效保證在疫情等突發(fā)情況下，學生無法到校時實驗教學仍能順利開展。

安全性平臺的實驗界面如圖4 所示，通過任務管理單元進行學生實驗教學任務的下發(fā)、管理，學生可以查看已完成的實驗環(huán)節(jié)的教師評分及評語，查看后續(xù)的教學實驗進度安排。平臺提供的工具箱用于學生的自主學習，在未接受到實驗任務時仍可以進行學習和練習，對自主學習可用的存儲數(shù)據(jù)空間大小進行限制以減少服務器壓力。

圖4 安全性平臺實驗界面

針對共性知識模塊通過圖形化的形式使學生能夠直觀地學習知識點，以系統(tǒng)安全性評估中的雙Ⅴ（Validation and Verifieation，確認和驗證）概念為例，開發(fā)的知識學習界面如圖5 所示。學生可以直觀了解雙V模型的各個環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)間的聯(lián)系與支撐關系學生可以點擊圖中的各模塊進一步了解學習系統(tǒng)安全分析各活動的流程、輸入、輸出與該活動安全性分析關注點。

圖5 共性知識-雙V模型

對差異性教學實驗模塊，以SFHA為例，實驗界面如圖6 所示，根學生專業(yè)的不同，為其開通左側(cè)飛機功能樹中相應系統(tǒng)的數(shù)據(jù)權限，學生按照實驗流程開展實驗。安全性平臺后臺規(guī)劃了39 個飛機系統(tǒng)的案例數(shù)據(jù)庫，目前已完成9 個系統(tǒng)的案例數(shù)據(jù)開發(fā)用于4個專業(yè)的實驗教學活動。

圖6 SFHA環(huán)節(jié)實驗平臺界面

4 結 語

大類招生，分流培養(yǎng)已成為現(xiàn)在高校人才培養(yǎng)的大趨勢，如何解決好專業(yè)基礎類課程對多個專業(yè)人才培養(yǎng)目標的支撐作用是各課程組需重視的問題。系統(tǒng)安全性設計與評估課程組，堅持“以學生為中心”的思想，在課程內(nèi)容規(guī)劃及實驗教學模塊上細化差異化培養(yǎng)理念，采用“共性＋特性”的課程模塊規(guī)劃思路，開發(fā)了“積木式”的系統(tǒng)安全性課程實驗教學平臺，通過信息化的手段推動學生自主學習，通過構建差異化的教學案例庫滿足了不同專業(yè)人才的實驗教學需求。

·名人名言·

讀書有三到，謂心到，眼到，口到。心不在此，則眼不看仔細，心眼即不專一，卻只漫浪誦讀，決不能記，記不能久也。三到之中，心到最急。

——朱熹