基于OBE的“系统工程原理及应用”课程教学改革及实践

［摘 要］ 伴随我国民用航空产业的快速发展，针对当前航空器适航领域对系统工程专业人才的迫切需求，从行业出发，分析“系统工程原理及应用”课程教学目标，明确当前课程存在的问题，开展改革探索与实践，增加思政元素，面向新技术发展调整教学内容，结合国产大飞机适航形成多点案例教学，优化混合教学方式，使学生能够形成系统化思维，掌握相关的理论与方法，实现与大飞机研制的深度融合，紧跟技术前沿发展，拓宽学术视野。最后，通过对学生学业进程跟踪调研，表明相关改革探索为学术研究奠定良好的基础，可以有效支撑对我国急需的高素质高层级适航技术人才的培养。

［关键词］ 系统工程；成果导向教育；适航；案例教学；混合教学模式

［基金项目］ 2022年度中国交通教育研究会教育科学研究课题“基于成果导向的《系统工程原理及应用》课程改革探索与探索”（JT2022YB236）

［作者简介］ 马 赞（1984—），男，天津人，硕士，中国民航大学安全科学与工程学院副研究员，硕士生导师，主要从事民机系统工程和安全性评估研究；田 毅（1983—），男，天津人，硕士，中国民航大学安全科学与工程学院副研究员，主要从事民机系统工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）38-0061-04 ［收稿日期］ 2023-04-20

引言

随着客观世界中物质、能量和信息的不断丰富，各事物之间相互联系增强，出现了大量的跨学科、跨专业、跨机构的“大工程”，系统工程思想与原理也变得愈发重要，尤其体现在大型运输类民用航空器及发动机研制中。安全性是民用客机研制的生命线，航空器适航是安全性保障，其基于系统工程思想与方法而实现。为顺应我国航空工业的发展，为行业培养拥有正确价值取向、具备创新能力与时代担当，以及拥有适航基础理论知识和工程实践能力的高素质高层级技术人才，我校建立航空器适航审定工程的研究生专业，并设置专业基础课“系统工程原理及应用”。然而，行业的发展及其高安全性对课程的教学内容及教学方法提出了更高的要求［1］。在我国大飞机研制的关键阶段，如何面向成果导向建设课程，高效输出国家急需的适航人才，是亟待解决的问题。

张华明［2］分析当前我国系统工程原理与方法课程教学中普遍存在的问题。雷洪涛［3］以“系统工程原理”课程为例，基于授课对象特征，探索了混合式教学模式及方法。朱权洁等［4］和刘树峰［5］分别从矿山、农业等行业出发，探索“系统工程”课程内容及方法改革方案。同时，田宏等［6］将安全性评估技术与系统工程结合，探索“安全系统工程”课程教学内容和教学方式改革。然而，以上均尚未与我国大飞机研制的紧迫需求结合并给出具体指导。

因此，本文针对当前我国航空器适航领域对系统工程专业人才的迫切需求，从行业出发，分析“系统工程原理及应用”课程教学目标，明确课程存在的问题，并分别从课程思政、理论与实践结合、紧跟前沿技术发展、混合教学方式等方面综合提出基于成果导向的改革思路及方法，并通过效果评估证明其有效性。

一、把握行业发展需求，明确教学目标

中国民航大学是民航局隶属的综合类航空院校，在国产民机快速发展的关键时期，面对当前国际环境，承载“国之重器”的建设者和接班人培养的重任。

第一，应结合课程，加强对学生的思政教育，培养其正确的价值取向和时代担当。

第二，大型客机研制是典型的大工程，必须依赖科学的系统工程方法论作为指导来保障不同学科和组织间的协同，才可能研制出安全可靠的航空器产品。为此，国际适航当局已一致认可了SAE ARP 4754A、ARP4761、RTCADO-178C、RTCADO-254等标准来规范航空器的研制过程，从而减少设计错误，提高安全性水平。这些标准是型号研制的基本规则，是从业人员的必修课，也是系统工程思想在航空领域的典型应用。因此，加强对系统工程相关概念的深刻理解，培养系统化思维，掌握方法论及其应用，熟悉规范的民机研制流程体系是学生高效参与民机研制工作的前提条件和基础。

第三，型号研制中同样需对系统进行建模分析、权衡比对、指标综合评价、系统预测及决策等，需要采用相应的系统工程方法加以解决。因此，应加强学生对相关理论和方法的学习掌握，并结合实践，通过案例教学提高应用能力。

第四，随着我国提出“中国制造2025”“工业4.0”等新兴产业发展战略，系统工程研究和应用的范围和规模逐渐扩大，且不断涌现出新理论和热点研究问题［3］。尤其是近年来，人工智能作为下一代工业革命的主要方向，已经得到航空工业的高度关注，在积极推进机器学习等技术在机载端应用。传统的基于系统工程的研制流程方法已经无法保证其安全性，必须结合不确定性理论和韧性理论研究，探索人工智能安全性保证方法。因此，教学应紧跟时代发展，不断把新的研究理论与方法融入教学内容，便于学生掌握新的知识，提高创新能力。

二、当前课程分析

当前“系统工程原理及应用”课程与国内与其他高校类同，重点讲授系统建模、系统预测、系统分析、系统评价、系统决策等理论方法。与教学目标相比，仍存在以下不足：（1）教育部要求充分挖掘各类课程的思想政治资源，发挥好育人作用。“系统工程原理及应用”课程中蕴含丰富的思政元素，目前尚未进行系统性的挖掘，亟待与专业内容深度融合。（2）“系统工程原理及应用”是科学与管理、工程技术等相结合的跨学科综合型课程。目前其仅对理论方法进行讲解，忽略了管理及工程技术部分，造成片面理解，无法实现课程与航空器研制实践的有效结合。（3）目前课程仍仅对传统经典方法进行讲解，没能紧跟时代技术发展，缺乏前沿性。（4）当前，航空器适航审定工程专业主要分为航空发动机、飞机结构与材料和机载系统及设备等三个方向。各方向的学生知识结构及基础差异较大，并且系统工程知识繁杂、抽象，不易理解。仅通过讲授的模式，无法调动学生学习的兴趣及主动性，课堂学习效率低。

三、基于成果导向的课程改革探索

针对以上教学目标，开展“系统工程原理及应用”课程改革的探索与实践，增加思政元素、面向新工科调整教学内容，结合国产大飞机适航形成多点案例教学，优化混合教学方式，保证高质量教学，使学生能够掌握相关的理论与方法，更重要的是通过实践能力的锻炼，强化学生解决实际工程问题的综合能力。

1.课程思政教学探索。系统工程原理及应用中包含丰富的思政元素。从应用对象角度，讲好我国大飞机、大火箭、北斗等工程研制故事。突出钱学森等老一辈科研工作者如何在技术基础落后的情况下，充分利用系统工程思想，建造出我国第一枚导弹；弘扬北斗精神，鼓励学生迎难而上、敢打硬仗、接续奋斗。从科学技术角度，重点讲授钱学森系统工程思想及其在重点型号中的应用。通过切克兰德“调查学习”、物理—事理—人理（WSR）等社会系统工程方法论的讲授，教导学生作为社会系统中的一分子，要积极发挥作用及体现价值。从理论与实践结合的角度，以中国商用飞机有限责任公司（简称中国商飞）为例，阐述系统工程建设现状及长期和短期规划，分析并行工程在C919项目中的应用情况及利害关系。

2.理论与实践结合的探索。结合适航专业特点，突出适航安全与系统工程原理的结合。以大飞机研制为对象，分析其复杂性及系统属性，分享FAA、波音、空客、中国商飞等国际主要制造商的系统工程定义及观点。结合方法论，讲解当前国际适航当局普遍认可的民机研制流程规范及项目管理，使学生对民机研制有整体性的理解。民机机载系统研制过程规范见图1。

在原有理论课程的基础上，增加民机系统工程过程及管理模块对民机系统工程过程、需求工程、系统安全性评估、研制保证及等级分配、质量保证及过程保证，对构型管理、系统工程的建设与运用等内容进行补充说明，并通过开放性问答引导学生深入思考，突出说明构建自上而下的系统工程过程对确保型号安全性的重要意义。厘清型号研制中对利益相关方需要、场景、功能、需求、设计、架构、实现、验证、确认等关键概念的理解，及其相互之间的关系。

此外，研制流程中需求捕获、确认及验证、架构设计、安全性评估等活动，需要采用系统建模、分析、评价、预测及决策等理论方法解决具体问题。结合科研成果，对各部分内容设计案例，提高学生对具体理论方法的理解及在工程中的应用能力。例如：以机载综合模块化航电系统等为对象，参照解析结构模型的思路，学会用形式化方法表示复杂系统，并进行失效传递链路的分析。或基于QFD对飞机级功能及需求进行分解。基于回归分析预测方法，构建机载EWIS链路可靠性预计模型等。

3.紧跟前沿技术发展的探索。人工智能可信性安全性问题已经成为阻碍其在机载系统中应用的“卡脖子”问题。考虑到人工智能技术是传统系统工程原理中回归分析、贝叶斯决策等“黑盒”系统工程方法的进一步延伸和发展。因此，在课程原有讲解基础上，增加相关算法简要介绍，引导学生开启人工智能研究的“大门”。例如，在《系统预测》章节中，介绍神经网络算法等基本原理。在《系统决策》章节中，在原有传统决策树和贝叶斯定理的基础上，说明人工智能环境下的应用和改进。同时，结合科研成果，介绍国际适航当局对人工智能技术适航审定要求及方法发展现状。

4.混合教学方式探索。为充分调动学生的学习兴趣及主动性，探索混合教学方式。在教师讲授之余，采取案例教学、翻转课堂、专家讲座等教学方式。对于案例教学方式，一方面，让学生通过简单案例对系统工程方法进行应用。例如，在讲授系统功能和需求分析时，可让学生以自行车为对象进行相关分析。另一方面，通过教师讲解相关理论在航空业的具体应用案例，激发学生兴趣，加强理解。对于不断涌现出的大量新理论和新方法，须充分调动学生的积极性，通过翻转课堂的形式，由学生自主研究与相互交流，将枯燥的理论内容映射到个人的学习、科研工作与生活问题中。例如，在授课内容基础上，拓展如下相关研究方向，每名学生选择一个题目，并录制相关内容的学习分享视频。这样既可以考查学生对系统工程知识的掌握情况，又可以扩展其知识面，锻炼表达能力，提高综合素质。将学生的视频进行分享，高效学习更多的前沿系统工程方法，为后续研究工作提供了便利。此外，利用课余时间，邀请工业部门或适航审定系统专家举办讲座，加深学生对民机系统工程过程的理解，同时也能清楚意识到其中功能、需求等看似抽象的概念在型号研制过程中的重要性。自主研究方向清单见表1。

四、实施效果评估

结合以上教学改革探索，对2022年授课及相关学生后续研究情况进行调研、统计与分析。16名学生中有8人在开题报告中采用了课堂所讲授或自主研究方向清单中的系统工程方法对相关领域进行研究；5名学生在开题报告中准确将自身研究内容与民机研制流程规范建立了对应关系。因此，可发现通过以上课程改革探索，首先充分调动了学生的兴趣和学习动力，课堂效果良好。其次，使学生充分理解了系统工程思想、概念、方法论及具体方法，充分扩展学生知识范围，培养学术素养，提高围绕航空器适航前沿技术开展研究的能力，为其后续的研究提供了良好的支撑。最后，使学生体验和熟悉了民机研制的过程，为后续相关工作奠定基础。

结语

本文从民用航空器适航领域需求出发，分析“系统工程原理及应用”课程教学目标，明确当前课程存在的问题，分别从课程思政、理论与实践结合、紧跟前沿技术发展、混合教学方式等方面出发，提出基于成果导向的改革思路及方法，并结合具体实施情况证明相关探索的有效性。

参考文献

［1］孙淑光.OBE理念下的《导航原理与系统》线上教学方法探讨［J］.中国教育信息化，2021（14）：57-61.

［2］张华明.“系统工程原理与方法”课程教学研究［J］.信息系统工程，2013（11）：139-140.

［3］雷洪涛.授课对象特征导向的混合式教学模式设计研究［J］.高等教育研究学报，2019，42（1）：56-63.

［4］朱权洁，刘晓云，赵启峰，等.基于全过程管理的矿业系统工程课程教学改革与实践［J］.高教学刊，2021，7（27）：131-136.

［5］刘树峰.基于系统工程理论的农业机械教学理念及设计方法探索［J］.冶金管理，2021（15）：181-182.

［6］田宏，王天明.基于OBE的《安全系统工程》课程教学改革及实践［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