面向工程实践能力的空中交通系统优化与管理课程教学改革探索

翟文鹏 齐莉 马兰

【摘要】空中交通系统优化与管理是一门以运筹学理论为基础的、承载了航空专业信息、理论性和实践性较强的课程，针对该课程的特点，围绕工程能力培养的目标，对该课程教学方法和实践教学实施方案进行探索，提出“理论讲解案例化、实践课程项目化”的教学模式，设计了机场容量合理利用与多元地面等待案例等课程项目，在教学中以项目为中心，以团队合作为基础，激发学生自主学习的热情和动力，为学生日后工作打下基础，贯彻“理论知识与工程实践能力有机结合”的教育思想精髓。

【关键词】工程能力培养 教学改革 实例讲解 项目教学 运筹学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）09-0047-02

1.引言

随着我国民航事业的飞速发展，飞行流量不断上升，空中交通安全及效率问题越来越引起从业人员的关注。空管人员面临的问题不再是简单的指挥航班完成飞行任务，流量容量管理已成为日常工作的重要方面。在新的形势下，空管专业的毕业生在学校不仅需要扎实的行业基本知识，还需要具有将所学的基础知识运用到工程中去，以解决实际工作工程中存在的复杂问题，同时需要团队协作能力[1]。空中交通系统优化与管理是一门以管理运筹学为基础理论知识，结合空中交通管理行业专业知识的一门交叉学科，是空中交通流向管理人员必须掌握的课程。本文以培养工程技术人才为目标，结合空管行业特点，对本课程理论教学方法和实践教学实施方案进行探索，结合项目团队合作的教学理念[2]，在教学中以项目为中心，以问题为导向，引导学生自主学习[3]。

2.课程改革整体构思

本课程是交通运输专业各方向本科学生必修的学科基础课。通过学习该课程，应了解运筹学对整体优化决策问题进行定量研究的特点，结合本专业的实际问题，理解线性规划、对偶问题、运输问题、整数规划、动态规划、图与网络分析、网络计划技术、排队论、决策论等分支的基本优化原理，掌握其中常用的模型和算法，具备一定的从实际问题出发的数学建模能力，同时了解和掌握系统工程的一些基本理论与方法，从而为今后在工作中应用系统工程的科学观点与方法去处理空中交通管理问题、航空公司运行管理和机场现场管理的问题打下良好的基础[4]。

本课程教学分为理论教学和实践教学两方面，实践课环节是教学关键。学生通过理论课的学习掌握运筹学基本概念、模型和方法。实践环节不但可以对所学的理论加深理解，并通过组内合作、任务分解、合理分工、团结协作共同完成一项任务。在任务执行过程中，学生必须主动思考所学知识点，并能够将其应用到项目完成过程中去，培养了学生综合运用知识、分析、解决问题的能力及团队协作等能力。

3.理论讲解与项目实践相结合的教学方法

理论课程的讲解是为实践环节服务的，因此在该阶段设计讲解重点为基本理论知识的原理介绍，可以将理论知识点的范围扩大，但难度应当适中。理论讲解的任务是使学生掌握运筹学的基本思维方式：系统的好优化的思想，同时使学生掌握继续深入学习课程理论知识的学习方法和学习工具。学会查工具书、学会基本计算机辅助运算是学生学习理论知识的评价标准之一。

实践环节是本文研究的重点，也是该课程的核心与灵魂所在，是提高学生理解知识、运用知识、创造知识的关键环节，该环节的教学质量直接影响该课程的教学评价。该部分分为以下几个环节：科学选择项目主题、合理组合知识点、预先设计小组人员分工、设计教学内容及过程、设计项目讲评及学生成绩评定方案等。在培养学生工程实践能力的同时，注重学生综合素质的发展，满足岗位对学生大工程能力的需求。通过对相关单位管制员岗位的业务内容进行分析，结合该课程的教学目标，构思设计了一个项目：基于容量约束的进离场航班流量管理。实践环节项目教学的实施分为项目准备、项目实施、项目评估三个阶段[5，6]，在完成项目的过程中体现“以任务为中心、以学生为主体、以教师为引导”的中心思想，激发学生团队组织能力、分工协作能力及知识创造能力。

该项目主要任务为：（1）机场容量评估方法；（2）进离场容量分配的线性规划模型建立；（3）基于MATLAB的模型机算法编程实现。不同阶段的任务如图1所示。

图1 项目主要任务

3.1 项目准备

首先教师针对同一项目根据由易到难的原则设计出难易程度不同的项目，编写项目任务说明书。在任务书中尽量减少说明性文字，增加启发式问题并附带背景材料及参考文献，鼓励学生通过科技文献数据库查找相关文献支持完成项目所需的知识点和思路。本项目中需要引导学生对机场容量的影响因素、评估方法及优缺点进行参考文献查阅，掌握线性规划数学模型建立和MATLAB编程基本方法。首先由教师介绍项目任务和完成步骤；然后学生根据自身能力和特点进行自由分组，并推选项目负责人；最后，教师会明确本次实践项目的意义：一是综合运用理论课中所学的运筹学知识以及相关前导课程的知识完成任务说明书中的要求；二是学会团队合作、交流的工作方法；三是查阅参考文献方法；四是MATLAB建模及编程方法。

3.2 项目实施

1）首先，项目小组对项目进行分析，确定分工，制定完成项目的步骤、方法。

如本文提出的实践项目——基于容量约束的进离场航班流量管理，学生首先对机场容量进行评估。在对机场容量影响因素及评估方法总结的基础之上，分析教师提供的基础数据，设计基于历史统计数据的机场运行情况表示方法，通过EXEL或者MATLAB编程实现机场容量评估。

其次，根据教师提供的基本思路，对该项目的进离场航班流量管理建立线性规划模型。在这一阶段，学生主要运用理论课程学习的整数规划模型建立方法对该项目建立数学模型。然而该项目基于滚动时域的整数规划模型，较理论课例子不完全一致，是在其基础上的提升和应用化改进，此过程考察学生对基础知识的掌握程度和举一反三的能力。

最后，在学生建立数学模型后，引导学生使用计算机辅助手段求解。在这一阶段，学生会查阅大量有关MATLAB编程的相关书籍，自行设计算法框架、流程和数据表达方式并对计算结果进行分析和总结。

在整个项目的完成过程中学生不仅会运用到教师在理论授课过程中讲解的知识点，并且会结合交通运输专业（空管方向）及相关前导课程的知识，从而实现理论和实践的结合及课程间的知识融合，使知识点内化为能力，培养学生的整体工程意识。

2）撰写项目报告及分组公开答辩，这一过程中学生对各自的项目进行总结与展示相关成果。在报告中要清楚的描述项目分工、实践步骤、遇到问题及解决方法、成果及参考资料。并且在完成总结报告后进行公开的答辩，接收教师、同学的提问。该过程不仅可以锻炼学生撰写报告的能力，并且可以提高学生口头表达和临场演说能力，为日后在工作岗位上完成相关科研项目提供先期准备。

3.3 项目评估

主要从分工合理性（10%）、资料查阅的正确性和全面性（10%）、机场容量评估方法正确与否（20%）、模型建立正确与否（40%）、总结报告及答辩的准确性和全面性（20%）五个方面对项目进行评价。教师对每一个项目的完成情况进行归纳总结，针对每一个项目完成过程中学生出现的问题，分析其原因并给出解决问题的建议，在项目实施的每一个步骤和过程中提出进一步的思考，引导学生课后继续思考和研究相关问题。并且对与该项目相关的知识点进行回顾，加深学生对这一知识点的理解，实现感性认识到理性认识的飞跃。

4.结束语

本文针对《空中交通系统优化与管理》课程的特点，提出以工程能力为培养目标的基于项目的教学方法，在教学过程中贯彻“以项目为中心、以问题为导向”引导学生自主学习的教学模式，并给出了具体可行的操作方案。学生在项目实践的过程中体会到了团队协作的工作模式，学生综合分析及解决问题的能力、团队合作能力、主动独立思考能力及语言表达思辨等能力得到提升。这一教学模式对任课教师的讲授课程、科学研究及引导组织能力提出更高要求，因此需要教师不断掌握一线岗位上遇到的实际问题，并总结升华为实践项目的能力，并能够引导学生完成实践项目的综合能力。过去的“教书匠”转变成为教育教学的实践者、研究者，这种教学模式有助于教师专业水平的提高和发展。

参考文献：

[1]吴鸣， 熊光晶. 以工程能力培养为导向的工程教育改革研究[J]. 理工高教研究， 2010， （3）： 54-58.

[2]陈艳， 魏星， 李志梅. CDIO 工学教学模式在数据库应用技术教学中的应用[J]. 教育探索， 2013， （3）： 136-137.

[3]郭兆正， 尹作友， 于鹏. 典型案例教学法在单片机教学中的应用探索[J]. 渤海大学学报（自然科学版）， 2013， （3）： 64-66.

[4]顾学雍. 联结理论与实践的CDIO——清华大学创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. 建构主义学习理论指导下的项目教学法初探[J]. 中国大学教学， 2011， （2）： 56-58.

[6]赵文平. 工作过程导向课程实施中教师的角色定位[J]. 职业技术教育， 2013， （1）： 30-33.