新工科背景下無人機運行風險評估技術課程教學研究

齊福強，劉光才

（中國民航大學，天津 300300）

目前，我國開設無人駕駛航空器系統工程專業的高校僅十余所，新工科培養模式對無人駕駛航空器系統工程專業人才的創新能力和跨界整合能力提出了更高的要求。探索新工科教育的實現形式和培養模式，實質是根據人才培養目標確立人才培養模式，其核心問題是課程改革，微觀基礎是課程教學模式的改革[1-3]。而無人機運行風險評估技術是該專業一門重要的專業基礎課，也是畢業生從業應具備的基本技能。但由于該課程涉及理論知識多、實踐要求高等特點，作為本校甚至國內新開設的課程，有必要結合實際的教學情況，做進一步教學內容和方法上的實際研究和探索，從本學科特點出發，詳細研究無人機運行風險評估技術課程的內容建設、教學方法等。因此，在該門課程的教學過程中，如何讓學生學好這門課，且能夠學以致用是教師需充分考慮并致力解決的問題。

目前，無人機的本科相關課程改革研究相對較少，研究表明無人機課程普遍存在缺乏理論聯系實際，學生實踐能力、創新能力不足等問題[4-6]。近年來，國內外學者針對不同教學課程，開展了各種課程教學改革的研究[7-9]，尤其是一些學者在新工科背景下探討了通用航空專業人才培養方式與方法[10-11]，從教學內容設計和教學方法上進行探索，為大學課程教學改革提供借鑒。因此，本課程將基于新工科人才培養模式，積極探索課程內容與教學方式改革，提高無人駕駛航空器系統工程專業學生的綜合安全素養和創新能力。

一 課程問題分析

在新時期國家推進高等教育改革的新工科背景下，新工科對高級工程技術人才的知識結構交叉融合能力、技術創新能力等方面提出了更高的要求。因此，無人駕駛航空器系統工程專業強調學生工程應用能力、自學能力和創新能力的培養。中國民航大學自2018 年開展無人駕駛航空器系統工程本科專業申報論證以來，一直致力于該專業的課程體系探索與研究。根據專業“立足民航，面向社會；重視基礎，強調實踐；層次分明，規模適度；教研結合，學用相輔”的目標定位，無人機運行管理為專業的重要方向之一。為了更充分發揮無人機運行風險評估技術專業課程的基礎作用，需要學生在掌握風險管理基本理論的基礎上，能夠熟知無人機運行管理理論與行業現行的評估方法，如何在多學科知識交叉復雜的教學過程中提高學生學習效率、培養學生實踐能力，是教學面臨的主要問題之一。

本校無人駕駛航空器系統工程專業依托民航特色，民用無人機領域也是學生重要的就業領域，與其他院校無人駕駛航空器系統工程專業培養“航空器設計”人材相比，本校的無人駕駛航空器系統工程專業具有明顯的行業院校專業特點，無人駕駛航空器系統工程專業的學生培養目標不僅是“航空器設計”人材，更是“運行管理”人材。這就要求在本課程中，不僅僅要注重學生的應用理論、方法及能力的培養，同時更應具備較強的無人機運行風險管理工作實踐能力。本課程是無人駕駛航空器系統工程專業的一門重要的專業基礎課，也是畢業生從業應具備的基本技能，授課中應注重課堂實踐教學環節，采用現代教育技術手段，提高教學效果。但由于本課程涉及理論知識多、實踐要求高等特點，采用傳統的教學模式，會出現教條化、空洞化等諸多弊端，很難激發學生的學習興趣和創新意識，教學環節與實際工程問題脫軌，影響教學效果。總體來看，該課程的建設和開展還存在以下重要問題。

（一）教學缺乏系統規劃教材

傳統風險評估理論一般聚焦在傳統的生產領域，而無人機作為新業態，其運行要求、風險評估技術等與傳統的風險評估理論有顯著不同；同時，無人機運行風險評估與無人機各專業知識結合，存在專業化程度高、專業集中程度強的問題，尤其是2019 年民航局發布《特定類無人機試運行管理規程（暫行）》規定，對特定類無人機運行風險評估提出了明確的要求，現有教材核心內容與實際工作需求存在差距。因此，將傳統的風險評估理論的教材專門用于本科的無人機運行風險評估教學實際上有一定的難度。

（二）學生缺乏無人機運行實踐基礎

由于無人駕駛航空器系統工程強調理論聯系實際，注重理論的“學”與實際工程的“用”的聯系。因此，這就要求老師和學生都要具備一定的工程基礎，通過增加實踐環節內容來幫助學生理解各種理論的特點和適用性。而本課程的授課對象主要是缺乏生產實踐經驗的大學三年級的學生，很難實現理論的融會貫通。

（三）授課中理論與實踐結合要求高

課程中大量的理論邏輯和數學推理掩蓋課程的工程實踐性，學生難以將風險評估方法的內涵意義與實際應用相聯系，也就切斷了連接專業理論知識與就業崗位需求之間的橋梁。本課程旨在為學生建立一個以無人機運行風險為核心及以相關風險評估技術為支撐的多層次、多梯度化的理論知識培養機會，并以此為基礎，結合實踐操作和驗證，加深對無人機運行風險的深層次認識和實踐認知能力。這就需要通過教學設計來打破課程涉及的知識點壁壘，以更大的視野來思考問題和提出教學方案，使課程教學目標更貼近于工作的實際環境，提高理論聯系實際的水平。

二 課程教學內容的改革

本課程作為無人駕駛航空器系統工程專業重要的理論基礎課，教學內容從“理論與實踐相結合、繼承與創新相結合、課內與課外相結合”的三個結合方面進行改革。首先，將課程基本知識內容（風險原理、風險評估技術、ISO31000 風險管理標準和特定類無人機運行風險評估標準等）從理論教學和實踐教學兩個方面進行梳理。然后，增設無人機運行風險評估“實踐篇”，針對課程基本理論設計案例分析、專題設計和模擬評估等環節，重點構建典型的無人機運行場景，基于運行場景開展運行風險的模擬評估，理論與實踐相結合，從評估方法選擇、評估實施等方面提升學生獨立思考與實踐能力；最后，考慮本課程內容是我國民航行業對安全風險較高的無人機運行進行管理、批準實施部分試運行的核心內容，引入“拓展知識模塊”的“無人機風險評估政策”“風險分析新技術”等不同學科知識、理論和技術，用來分析解決無人機運行風險評估的實際問題，構建“整合課程”模式是培養綜合性、復合型人才的有效選擇之一，能讓學生加深對知識的聯系、運用，也更能提高其分析問題、解決問題的能力。其課程內容體系設置如圖1 所示。

圖1 課程內容體系

三 教學方法的改革

（一）教學模式設計

針對無人機運行風險評估技術教學中缺乏實踐環節，教材中理論缺乏聯系實際，教材案例實踐性、新穎性及原創性較差等問題，教學過程中引入LBD 教學方法，選擇典型無人機運行案例進行模擬實踐是提高學生興趣，培養學生理論聯系實際能力的有效方式。基于問題的學習也稱問題式學習（PBL）是一種探究式教學模式，強調學生“提出問題—查找資料—討論研究—總結反思”。PBL 教學方式以問題作為學習知識點的切入點，教學中設置一定數量的無人機安全相關問題，也鼓勵學生提出自己的問題，然后引導學生分組合作、查找資料，團隊合作去研究解決問題的方法，然后在課堂上給予學生上講臺的機會，啟發其解決問題的思考方式，鍛煉學生綜合能力。

兩種教學模式都是強調以學生為主，通過以各種無人機運行風險問題為引導，以解決問題為學習方式，鍛煉學生思考問題、解決問題、發現問題的能力，二者結合起來的教學模式改變傳統教師講授為主的“預習—聽課—復習—考試”的教學方法，開展以實踐LBD+PBL 模式教學，通過實踐而學習，針對實踐環節缺乏的現狀，增加模擬實踐環節，基于現實問題，使用“理論講授—案例討論—專題模擬—融會貫通”探究式教學方法，如圖2 所示。結合抽象化的例題，開展系統風險分析方法講授，學生掌握安全風險分析基礎理論；以風險分析實例的形式將風險理論應用到無人機運行管理中，拓展學生相關專業知識；隨著課程深入，采用自行選題和給定議題結合的方式，開展無人機運行風險綜合分析，提升學生解決無人機運行風險分析問題的實踐能力；最后，指導學生開展分組研究，對風險評估方法、理論提煉，構建知識“點”共識，鍛煉根據實踐需求選擇方法、解決問題的能力。教師在這一過程中承擔指導、咨詢和顧問的角色，而學生成為分析問題、解決問題的主角。使學生在掌握基礎知識的基礎上，通過知識擴展、解決問題能力的鍛煉，最后能對所學知識融會貫通，并能進一步對知識加以創新提升。

圖2 探究式教學流程

（二）LBD+PBL 的探究式教學實現

本課程將依據“基礎—實訓—綜合—創新”設置四個教學環節，以教學追求為目標，即通過理論講授掌握基礎知識，通過案例討論的實踐來擴展知識，通過綜合模擬來解決問題，通過融會貫通來實現創新提升。

理論是這門課程的基礎，也是解決實際問題的基礎。在講授理論知識之前，以問題為學習的導向、以問題為學習的起點，讓學生帶著這個問題去學習理論知識，尤其是風險分析、風險評估的各種方法。例如，在講解故障類型及影響分析方法時，可在講授之前向同學們提一些問題：“無人機為什么會墜毀？無人機在墜毀之前出現了哪些故障？故障產生了哪些影響？”把理論知識點逐步融入到分析問題、解決問題的過程中，將會有助于學生掌握各種分析方法的特點、適用條件及使用過程中應注意的問題，結合基本例題及問題，使學生達到對該方法的初步理解和完整認識，能夠運用系統安全基本知識解決典型的安全問題。同時，每一個基礎理論講授后，給學生布置課外閱讀任務，可以是教師指定的學術論文或文獻，也可以是學生根據興趣方向自己選擇的學術論文或資料，然后提交讀書筆記或簡述閱讀摘要。通過課外閱讀既鞏固課內理論又提高學生專業興趣與解決問題的能力。

課程中的風險分析理論、ISO31000 風險管理標準和特定類無人機運行風險評估的概念、原理和步驟等內容單調，學生通過以問題為導向的理論學習后會有一定的了解，但是學生很難抓住關鍵點，如果缺乏進一步理解加深的環節，會很快將理論知識遺忘。可以通過在課后布置案例閱讀與分析的作業來加強學生對理論知識的理解。如在講授事件樹分析方法后，可布置作業：以2020 年某地無人機墜毀傷人事件為例進行事件樹分析。隨后在課堂上對該作業進行適當點評，這樣可以引導學生思考“怎樣把所學的知識點運用到實踐中去？”不僅加深了對知識點的理解，也同時掌握了民航的部分專業知識，實現知識的擴展。

當知識點講授達到一個節點以后，學生對講授的理論知識及無人機相關案例已經有了很好的掌握，這時需要考慮的是學生能否綜合運用已學的知識解決實際問題，一次綜合模擬訓練就顯得尤為重要。例如，在講解特定類無人機運行風險評估的方法之后，可設置一個綜合實踐模擬，學生將以城市物流無人機運行風險分析為題開展特定類無人機運行風險評估專題訓練研究，通過劃分研究小組，學生承擔不同角色，完成各自任務等環節形成研究報告。教師在這一過程中承擔咨詢、顧問的角色，而學生成為分析問題、解決問題的主角。這不僅幫助學生真正掌握解決問題的方法，更培養了學生團隊工作的能力。

提高教學質量，從根本上說是核心問題，是創新人才的培養。提高創新能力就要求學生對所學的知識融會貫通，通過對所學方法、理論的提煉，能夠根據實踐的需要綜合運用知識解決問題。教師在課堂中引導學生對專業問題的思考，將專業研究熱點、難點引入課堂。作為課程的重點內容，無人機運行風險評估涉及大量評估要素及復雜的運算，學生對各種方法的理解與綜合運用效果不理想。課堂引入典型的無人機運行風險模擬評估訓練，通過對不同環境情景進行評估模擬，學生分組獨立完成實際工作中面臨的風險評估問題。通過模擬評估的研究，不僅鍛煉學生實際研究的科研與創新能力，也提高學生發現問題的能力，最終實現理論聯系實際的創新提升。

四 結束語

在基礎理論與行業需求的基礎上，構建了“基礎知識模塊+拓展知識模塊”的課程內容體系；同時圍繞“基礎—實踐—綜合—創新”四個教學環節，將LBD+PBL 教學模式引入到無人機運行風險評估技術課程教學中，提出“理論講授—案例討論—專題模擬—融會貫通”探究式教學方法。以問題為學習導向，以解決問題為學習方式，強調理論知識講授與實踐并重，通過綜合模擬投入到實際問題，實現知識的擴展，最終通過科研項目的參與融會貫通，全面提升與創新。

1）從“理論與實踐相結合、繼承與創新相結合、基本知識與拓展知識相結合”的三個結合方面進行改革，融合風險評估基礎理論、行業運用必備知識技能，知識體系有效銜接，提高學生分析問題、解決問題的能力。

2）基于LBD+PBL，將“理論講授—案例討論—專題模擬—融會貫通”探究式教學方法融入課堂教學，理論教學與實踐教學深度融合，學生在案例分析、模擬評估實踐中掌握理論知識，全方位提升課堂教學質量。