基于OBE的“系統工程原理及應用”課程教學改革及實踐

［摘 要］ 伴隨我國民用航空產業的快速發展，針對當前航空器適航領域對系統工程專業人才的迫切需求，從行業出發，分析“系統工程原理及應用”課程教學目標，明確當前課程存在的問題，開展改革探索與實踐，增加思政元素，面向新技術發展調整教學內容，結合國產大飛機適航形成多點案例教學，優化混合教學方式，使學生能夠形成系統化思維，掌握相關的理論與方法，實現與大飛機研制的深度融合，緊跟技術前沿發展，拓寬學術視野。最后，通過對學生學業進程跟蹤調研，表明相關改革探索為學術研究奠定良好的基礎，可以有效支撐對我國急需的高素質高層級適航技術人才的培養。

［關鍵詞］ 系統工程；成果導向教育；適航；案例教學；混合教學模式

［基金項目］ 2022年度中國交通教育研究會教育科學研究課題“基于成果導向的《系統工程原理及應用》課程改革探索與探索”（JT2022YB236）

［作者簡介］ 馬 贊（1984—），男，天津人，碩士，中國民航大學安全科學與工程學院副研究員，碩士生導師，主要從事民機系統工程和安全性評估研究；田 毅（1983—），男，天津人，碩士，中國民航大學安全科學與工程學院副研究員，主要從事民機系統工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）38-0061-04 ［收稿日期］ 2023-04-20

引言

隨著客觀世界中物質、能量和信息的不斷豐富，各事物之間相互聯系增強，出現了大量的跨學科、跨專業、跨機構的“大工程”，系統工程思想與原理也變得愈發重要，尤其體現在大型運輸類民用航空器及發動機研制中。安全性是民用客機研制的生命線，航空器適航是安全性保障，其基于系統工程思想與方法而實現。為順應我國航空工業的發展，為行業培養擁有正確價值取向、具備創新能力與時代擔當，以及擁有適航基礎理論知識和工程實踐能力的高素質高層級技術人才，我校建立航空器適航審定工程的研究生專業，并設置專業基礎課“系統工程原理及應用”。然而，行業的發展及其高安全性對課程的教學內容及教學方法提出了更高的要求［1］。在我國大飛機研制的關鍵階段，如何面向成果導向建設課程，高效輸出國家急需的適航人才，是亟待解決的問題。

張華明［2］分析當前我國系統工程原理與方法課程教學中普遍存在的問題。雷洪濤［3］以“系統工程原理”課程為例，基于授課對象特征，探索了混合式教學模式及方法。朱權潔等［4］和劉樹峰［5］分別從礦山、農業等行業出發，探索“系統工程”課程內容及方法改革方案。同時，田宏等［6］將安全性評估技術與系統工程結合，探索“安全系統工程”課程教學內容和教學方式改革。然而，以上均尚未與我國大飛機研制的緊迫需求結合并給出具體指導。

因此，本文針對當前我國航空器適航領域對系統工程專業人才的迫切需求，從行業出發，分析“系統工程原理及應用”課程教學目標，明確課程存在的問題，并分別從課程思政、理論與實踐結合、緊跟前沿技術發展、混合教學方式等方面綜合提出基于成果導向的改革思路及方法，并通過效果評估證明其有效性。

一、把握行業發展需求，明確教學目標

中國民航大學是民航局隸屬的綜合類航空院校，在國產民機快速發展的關鍵時期，面對當前國際環境，承載“國之重器”的建設者和接班人培養的重任。

第一，應結合課程，加強對學生的思政教育，培養其正確的價值取向和時代擔當。

第二，大型客機研制是典型的大工程，必須依賴科學的系統工程方法論作為指導來保障不同學科和組織間的協同，才可能研制出安全可靠的航空器產品。為此，國際適航當局已一致認可了SAE ARP 4754A、ARP4761、RTCADO-178C、RTCADO-254等標準來規范航空器的研制過程，從而減少設計錯誤，提高安全性水平。這些標準是型號研制的基本規則，是從業人員的必修課，也是系統工程思想在航空領域的典型應用。因此，加強對系統工程相關概念的深刻理解，培養系統化思維，掌握方法論及其應用，熟悉規范的民機研制流程體系是學生高效參與民機研制工作的前提條件和基礎。

第三，型號研制中同樣需對系統進行建模分析、權衡比對、指標綜合評價、系統預測及決策等，需要采用相應的系統工程方法加以解決。因此，應加強學生對相關理論和方法的學習掌握，并結合實踐，通過案例教學提高應用能力。

第四，隨著我國提出“中國制造2025”“工業4.0”等新興產業發展戰略，系統工程研究和應用的范圍和規模逐漸擴大，且不斷涌現出新理論和熱點研究問題［3］。尤其是近年來，人工智能作為下一代工業革命的主要方向，已經得到航空工業的高度關注，在積極推進機器學習等技術在機載端應用。傳統的基于系統工程的研制流程方法已經無法保證其安全性，必須結合不確定性理論和韌性理論研究，探索人工智能安全性保證方法。因此，教學應緊跟時代發展，不斷把新的研究理論與方法融入教學內容，便于學生掌握新的知識，提高創新能力。

二、當前課程分析

當前“系統工程原理及應用”課程與國內與其他高校類同，重點講授系統建模、系統預測、系統分析、系統評價、系統決策等理論方法。與教學目標相比，仍存在以下不足：（1）教育部要求充分挖掘各類課程的思想政治資源，發揮好育人作用。“系統工程原理及應用”課程中蘊含豐富的思政元素，目前尚未進行系統性的挖掘，亟待與專業內容深度融合。（2）“系統工程原理及應用”是科學與管理、工程技術等相結合的跨學科綜合型課程。目前其僅對理論方法進行講解，忽略了管理及工程技術部分，造成片面理解，無法實現課程與航空器研制實踐的有效結合。（3）目前課程仍僅對傳統經典方法進行講解，沒能緊跟時代技術發展，缺乏前沿性。（4）當前，航空器適航審定工程專業主要分為航空發動機、飛機結構與材料和機載系統及設備等三個方向。各方向的學生知識結構及基礎差異較大，并且系統工程知識繁雜、抽象，不易理解。僅通過講授的模式，無法調動學生學習的興趣及主動性，課堂學習效率低。

三、基于成果導向的課程改革探索

針對以上教學目標，開展“系統工程原理及應用”課程改革的探索與實踐，增加思政元素、面向新工科調整教學內容，結合國產大飛機適航形成多點案例教學，優化混合教學方式，保證高質量教學，使學生能夠掌握相關的理論與方法，更重要的是通過實踐能力的鍛煉，強化學生解決實際工程問題的綜合能力。

1.課程思政教學探索。系統工程原理及應用中包含豐富的思政元素。從應用對象角度，講好我國大飛機、大火箭、北斗等工程研制故事。突出錢學森等老一輩科研工作者如何在技術基礎落后的情況下，充分利用系統工程思想，建造出我國第一枚導彈；弘揚北斗精神，鼓勵學生迎難而上、敢打硬仗、接續奮斗。從科學技術角度，重點講授錢學森系統工程思想及其在重點型號中的應用。通過切克蘭德“調查學習”、物理—事理—人理（WSR）等社會系統工程方法論的講授，教導學生作為社會系統中的一分子，要積極發揮作用及體現價值。從理論與實踐結合的角度，以中國商用飛機有限責任公司（簡稱中國商飛）為例，闡述系統工程建設現狀及長期和短期規劃，分析并行工程在C919項目中的應用情況及利害關系。

2.理論與實踐結合的探索。結合適航專業特點，突出適航安全與系統工程原理的結合。以大飛機研制為對象，分析其復雜性及系統屬性，分享FAA、波音、空客、中國商飛等國際主要制造商的系統工程定義及觀點。結合方法論，講解當前國際適航當局普遍認可的民機研制流程規范及項目管理，使學生對民機研制有整體性的理解。民機機載系統研制過程規范見圖1。

在原有理論課程的基礎上，增加民機系統工程過程及管理模塊對民機系統工程過程、需求工程、系統安全性評估、研制保證及等級分配、質量保證及過程保證，對構型管理、系統工程的建設與運用等內容進行補充說明，并通過開放性問答引導學生深入思考，突出說明構建自上而下的系統工程過程對確保型號安全性的重要意義。厘清型號研制中對利益相關方需要、場景、功能、需求、設計、架構、實現、驗證、確認等關鍵概念的理解，及其相互之間的關系。

此外，研制流程中需求捕獲、確認及驗證、架構設計、安全性評估等活動，需要采用系統建模、分析、評價、預測及決策等理論方法解決具體問題。結合科研成果，對各部分內容設計案例，提高學生對具體理論方法的理解及在工程中的應用能力。例如：以機載綜合模塊化航電系統等為對象，參照解析結構模型的思路，學會用形式化方法表示復雜系統，并進行失效傳遞鏈路的分析。或基于QFD對飛機級功能及需求進行分解。基于回歸分析預測方法，構建機載EWIS鏈路可靠性預計模型等。

3.緊跟前沿技術發展的探索。人工智能可信性安全性問題已經成為阻礙其在機載系統中應用的“卡脖子”問題。考慮到人工智能技術是傳統系統工程原理中回歸分析、貝葉斯決策等“黑盒”系統工程方法的進一步延伸和發展。因此，在課程原有講解基礎上，增加相關算法簡要介紹，引導學生開啟人工智能研究的“大門”。例如，在《系統預測》章節中，介紹神經網絡算法等基本原理。在《系統決策》章節中，在原有傳統決策樹和貝葉斯定理的基礎上，說明人工智能環境下的應用和改進。同時，結合科研成果，介紹國際適航當局對人工智能技術適航審定要求及方法發展現狀。

4.混合教學方式探索。為充分調動學生的學習興趣及主動性，探索混合教學方式。在教師講授之余，采取案例教學、翻轉課堂、專家講座等教學方式。對于案例教學方式，一方面，讓學生通過簡單案例對系統工程方法進行應用。例如，在講授系統功能和需求分析時，可讓學生以自行車為對象進行相關分析。另一方面，通過教師講解相關理論在航空業的具體應用案例，激發學生興趣，加強理解。對于不斷涌現出的大量新理論和新方法，須充分調動學生的積極性，通過翻轉課堂的形式，由學生自主研究與相互交流，將枯燥的理論內容映射到個人的學習、科研工作與生活問題中。例如，在授課內容基礎上，拓展如下相關研究方向，每名學生選擇一個題目，并錄制相關內容的學習分享視頻。這樣既可以考查學生對系統工程知識的掌握情況，又可以擴展其知識面，鍛煉表達能力，提高綜合素質。將學生的視頻進行分享，高效學習更多的前沿系統工程方法，為后續研究工作提供了便利。此外，利用課余時間，邀請工業部門或適航審定系統專家舉辦講座，加深學生對民機系統工程過程的理解，同時也能清楚意識到其中功能、需求等看似抽象的概念在型號研制過程中的重要性。自主研究方向清單見表1。

四、實施效果評估

結合以上教學改革探索，對2022年授課及相關學生后續研究情況進行調研、統計與分析。16名學生中有8人在開題報告中采用了課堂所講授或自主研究方向清單中的系統工程方法對相關領域進行研究；5名學生在開題報告中準確將自身研究內容與民機研制流程規范建立了對應關系。因此，可發現通過以上課程改革探索，首先充分調動了學生的興趣和學習動力，課堂效果良好。其次，使學生充分理解了系統工程思想、概念、方法論及具體方法，充分擴展學生知識范圍，培養學術素養，提高圍繞航空器適航前沿技術開展研究的能力，為其后續的研究提供了良好的支撐。最后，使學生體驗和熟悉了民機研制的過程，為后續相關工作奠定基礎。

結語

本文從民用航空器適航領域需求出發，分析“系統工程原理及應用”課程教學目標，明確當前課程存在的問題，分別從課程思政、理論與實踐結合、緊跟前沿技術發展、混合教學方式等方面出發，提出基于成果導向的改革思路及方法，并結合具體實施情況證明相關探索的有效性。

參考文獻

［1］孫淑光.OBE理念下的《導航原理與系統》線上教學方法探討［J］.中國教育信息化，2021（14）：57-61.

［2］張華明.“系統工程原理與方法”課程教學研究［J］.信息系統工程，2013（11）：139-140.

［3］雷洪濤.授課對象特征導向的混合式教學模式設計研究［J］.高等教育研究學報，2019，42（1）：56-63.

［4］朱權潔，劉曉云，趙啟峰，等.基于全過程管理的礦業系統工程課程教學改革與實踐［J］.高教學刊，2021，7（27）：131-136.

［5］劉樹峰.基于系統工程理論的農業機械教學理念及設計方法探索［J］.冶金管理，2021（15）：181-182.

［6］田宏，王天明.基于OBE的《安全系統工程》課程教學改革及實踐［J］.安全，2021，42（3）：61-64+68.

Teaching Reform and Practice on the Course of System Engineering Theories and Application Using Outcome-Based Education（OBE） Approach

MA Zan， TIAN Yi

（College of Safety Science and Engineering， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： With the rapid development of China’s civil aviation industry， in view of the urgent demand for system engineering professionals in the current aircraft airworthiness field， this paper analyzes the teaching objectives of the course System Engineering Theories and Application from the perspective of the industry， clarifies the problems existing in the current course， carries out reform and practice， increases ideological and political elements， adjusts the teaching content for the development of new technology， and forms multi-point case teaching in combination with the airworthiness of domestic large aircraft， optimizes the mixed teaching mode， so that students can establish systematic thinking， profoundly master relevant theories and methods， realize deep integration with large aircraft development， keep up with the development of technology， and expand academic horizons. Finally， through the follow-up investigation of the students and their subsequent research work performance， the effect evaluation proves that the relevant reform and exploration have laid a good foundation for students to research the airworthiness problems， and can effectively support the training of high-quality high-level airworthiness technical personnel urgently needed in China.

Key words： system engineering; outcome-based education（OBE）; airworthiness; case teaching; mixed teaching mode