面向工程實踐能力的空中交通系統優化與管理課程教學改革探索

翟文鵬 齊莉 馬蘭

【摘要】空中交通系統優化與管理是一門以運籌學理論為基礎的、承載了航空專業信息、理論性和實踐性較強的課程，針對該課程的特點，圍繞工程能力培養的目標，對該課程教學方法和實踐教學實施方案進行探索，提出“理論講解案例化、實踐課程項目化”的教學模式，設計了機場容量合理利用與多元地面等待案例等課程項目，在教學中以項目為中心，以團隊合作為基礎，激發學生自主學習的熱情和動力，為學生日后工作打下基礎，貫徹“理論知識與工程實踐能力有機結合”的教育思想精髓。

【關鍵詞】工程能力培養 教學改革 實例講解 項目教學 運籌學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）09-0047-02

1.引言

隨著我國民航事業的飛速發展，飛行流量不斷上升，空中交通安全及效率問題越來越引起從業人員的關注。空管人員面臨的問題不再是簡單的指揮航班完成飛行任務，流量容量管理已成為日常工作的重要方面。在新的形勢下，空管專業的畢業生在學校不僅需要扎實的行業基本知識，還需要具有將所學的基礎知識運用到工程中去，以解決實際工作工程中存在的復雜問題，同時需要團隊協作能力[1]。空中交通系統優化與管理是一門以管理運籌學為基礎理論知識，結合空中交通管理行業專業知識的一門交叉學科，是空中交通流向管理人員必須掌握的課程。本文以培養工程技術人才為目標，結合空管行業特點，對本課程理論教學方法和實踐教學實施方案進行探索，結合項目團隊合作的教學理念[2]，在教學中以項目為中心，以問題為導向，引導學生自主學習[3]。

2.課程改革整體構思

本課程是交通運輸專業各方向本科學生必修的學科基礎課。通過學習該課程，應了解運籌學對整體優化決策問題進行定量研究的特點，結合本專業的實際問題，理解線性規劃、對偶問題、運輸問題、整數規劃、動態規劃、圖與網絡分析、網絡計劃技術、排隊論、決策論等分支的基本優化原理，掌握其中常用的模型和算法，具備一定的從實際問題出發的數學建模能力，同時了解和掌握系統工程的一些基本理論與方法，從而為今后在工作中應用系統工程的科學觀點與方法去處理空中交通管理問題、航空公司運行管理和機場現場管理的問題打下良好的基礎[4]。

本課程教學分為理論教學和實踐教學兩方面，實踐課環節是教學關鍵。學生通過理論課的學習掌握運籌學基本概念、模型和方法。實踐環節不但可以對所學的理論加深理解，并通過組內合作、任務分解、合理分工、團結協作共同完成一項任務。在任務執行過程中，學生必須主動思考所學知識點，并能夠將其應用到項目完成過程中去，培養了學生綜合運用知識、分析、解決問題的能力及團隊協作等能力。

3.理論講解與項目實踐相結合的教學方法

理論課程的講解是為實踐環節服務的，因此在該階段設計講解重點為基本理論知識的原理介紹，可以將理論知識點的范圍擴大，但難度應當適中。理論講解的任務是使學生掌握運籌學的基本思維方式：系統的好優化的思想，同時使學生掌握繼續深入學習課程理論知識的學習方法和學習工具。學會查工具書、學會基本計算機輔助運算是學生學習理論知識的評價標準之一。

實踐環節是本文研究的重點，也是該課程的核心與靈魂所在，是提高學生理解知識、運用知識、創造知識的關鍵環節，該環節的教學質量直接影響該課程的教學評價。該部分分為以下幾個環節：科學選擇項目主題、合理組合知識點、預先設計小組人員分工、設計教學內容及過程、設計項目講評及學生成績評定方案等。在培養學生工程實踐能力的同時，注重學生綜合素質的發展，滿足崗位對學生大工程能力的需求。通過對相關單位管制員崗位的業務內容進行分析，結合該課程的教學目標，構思設計了一個項目：基于容量約束的進離場航班流量管理。實踐環節項目教學的實施分為項目準備、項目實施、項目評估三個階段[5，6]，在完成項目的過程中體現“以任務為中心、以學生為主體、以教師為引導”的中心思想，激發學生團隊組織能力、分工協作能力及知識創造能力。

該項目主要任務為：（1）機場容量評估方法；（2）進離場容量分配的線性規劃模型建立；（3）基于MATLAB的模型機算法編程實現。不同階段的任務如圖1所示。

圖1 項目主要任務

3.1 項目準備

首先教師針對同一項目根據由易到難的原則設計出難易程度不同的項目，編寫項目任務說明書。在任務書中盡量減少說明性文字，增加啟發式問題并附帶背景材料及參考文獻，鼓勵學生通過科技文獻數據庫查找相關文獻支持完成項目所需的知識點和思路。本項目中需要引導學生對機場容量的影響因素、評估方法及優缺點進行參考文獻查閱，掌握線性規劃數學模型建立和MATLAB編程基本方法。首先由教師介紹項目任務和完成步驟；然后學生根據自身能力和特點進行自由分組，并推選項目負責人；最后，教師會明確本次實踐項目的意義：一是綜合運用理論課中所學的運籌學知識以及相關前導課程的知識完成任務說明書中的要求；二是學會團隊合作、交流的工作方法；三是查閱參考文獻方法；四是MATLAB建模及編程方法。

3.2 項目實施

1）首先，項目小組對項目進行分析，確定分工，制定完成項目的步驟、方法。

如本文提出的實踐項目——基于容量約束的進離場航班流量管理，學生首先對機場容量進行評估。在對機場容量影響因素及評估方法總結的基礎之上，分析教師提供的基礎數據，設計基于歷史統計數據的機場運行情況表示方法，通過EXEL或者MATLAB編程實現機場容量評估。

其次，根據教師提供的基本思路，對該項目的進離場航班流量管理建立線性規劃模型。在這一階段，學生主要運用理論課程學習的整數規劃模型建立方法對該項目建立數學模型。然而該項目基于滾動時域的整數規劃模型，較理論課例子不完全一致，是在其基礎上的提升和應用化改進，此過程考察學生對基礎知識的掌握程度和舉一反三的能力。

最后，在學生建立數學模型后，引導學生使用計算機輔助手段求解。在這一階段，學生會查閱大量有關MATLAB編程的相關書籍，自行設計算法框架、流程和數據表達方式并對計算結果進行分析和總結。

在整個項目的完成過程中學生不僅會運用到教師在理論授課過程中講解的知識點，并且會結合交通運輸專業（空管方向）及相關前導課程的知識，從而實現理論和實踐的結合及課程間的知識融合，使知識點內化為能力，培養學生的整體工程意識。

2）撰寫項目報告及分組公開答辯，這一過程中學生對各自的項目進行總結與展示相關成果。在報告中要清楚的描述項目分工、實踐步驟、遇到問題及解決方法、成果及參考資料。并且在完成總結報告后進行公開的答辯，接收教師、同學的提問。該過程不僅可以鍛煉學生撰寫報告的能力，并且可以提高學生口頭表達和臨場演說能力，為日后在工作崗位上完成相關科研項目提供先期準備。

3.3 項目評估

主要從分工合理性（10%）、資料查閱的正確性和全面性（10%）、機場容量評估方法正確與否（20%）、模型建立正確與否（40%）、總結報告及答辯的準確性和全面性（20%）五個方面對項目進行評價。教師對每一個項目的完成情況進行歸納總結，針對每一個項目完成過程中學生出現的問題，分析其原因并給出解決問題的建議，在項目實施的每一個步驟和過程中提出進一步的思考，引導學生課后繼續思考和研究相關問題。并且對與該項目相關的知識點進行回顧，加深學生對這一知識點的理解，實現感性認識到理性認識的飛躍。

4.結束語

本文針對《空中交通系統優化與管理》課程的特點，提出以工程能力為培養目標的基于項目的教學方法，在教學過程中貫徹“以項目為中心、以問題為導向”引導學生自主學習的教學模式，并給出了具體可行的操作方案。學生在項目實踐的過程中體會到了團隊協作的工作模式，學生綜合分析及解決問題的能力、團隊合作能力、主動獨立思考能力及語言表達思辨等能力得到提升。這一教學模式對任課教師的講授課程、科學研究及引導組織能力提出更高要求，因此需要教師不斷掌握一線崗位上遇到的實際問題，并總結升華為實踐項目的能力，并能夠引導學生完成實踐項目的綜合能力。過去的“教書匠”轉變成為教育教學的實踐者、研究者，這種教學模式有助于教師專業水平的提高和發展。

參考文獻：

[1]吳鳴， 熊光晶. 以工程能力培養為導向的工程教育改革研究[J]. 理工高教研究， 2010， （3）： 54-58.

[2]陳艷， 魏星， 李志梅. CDIO 工學教學模式在數據庫應用技術教學中的應用[J]. 教育探索， 2013， （3）： 136-137.

[3]郭兆正， 尹作友， 于鵬. 典型案例教學法在單片機教學中的應用探索[J]. 渤海大學學報（自然科學版）， 2013， （3）： 64-66.

[4]顧學雍. 聯結理論與實踐的CDIO——清華大學創新性工程教育的探索[J]. 高等工程教育研究， 2009，（1）： 11-23.

[5]傅四保. 建構主義學習理論指導下的項目教學法初探[J]. 中國大學教學， 2011， （2）： 56-58.

[6]趙文平. 工作過程導向課程實施中教師的角色定位[J]. 職業技術教育， 2013， （1）： 30-33.