1. 智慧空管人才培养的背景与意义
以大数据、物联网、云计算和机器学习为核心的人工智能时代即将到来，“人工智能 + 民航”是中国民航面对智慧民航蓬勃发展的历史契机。通过利用新一代信息技术，实现机场、空管、航空公司、联检单位、政府监管等单位的信息共享、协同决策、流程整合，将显著提升了民航运行效率、旅客服务水平以及安全保障水平，为实现民航强国梦奠定了坚实基础。智慧民航将集交通运输、计算机、电子信息、自动化等多种技术为一体，是民航局“十四五”发展规划的重点工作方向 [1]。
智慧空管是智慧民航的重要组成之一。根据信息产业部等相关部委的一份调查表明，智慧空管人才大部分均是计算机、自动化或电气专业毕业人员，而拥有空管背景的计算机、自动化或电气专业人才极其稀少，这制约着我国智慧空管的研发能力、标准体系建设、产业配套和国际化能力等 [2] [3]。虽然我国智慧空管在主要产品领域取得了部分突破，但是学科交叉融合不够深入问题限制了我国智慧空管领域的进一步发展 [4]。因此，现行交通运输人才培养教育体系无法适应面向新型智慧空管的新工科工程人才培养要求，不能满足传统空管和社会转型升级发展的需要，亟需开展多学科交叉融合的“人工智能 + 空管”人才培养模式探索与实践。通过前期对中国工程教育现状分析研究与实践，发现当前交通运输专业在培养智慧空管人才方面比较薄弱，主要存在五大亟需解决的问题，如图1所示，具体如下 [5] [6] [7] [8]：
1) 缺乏专门的多学科融合人才培养机构
以往，交通运输专业主要培养空域规划与运营类人才，缺乏融合人工智能的智慧空管人才培养新型机构和管理机制，亟待跨院系整合计算机、自动化和通讯信息技术等学科和专业。
2) 缺乏多学科融合的课程体系和配套实践教学平台
既有课程体系主要基于传统民航特色单学科，在跨界融合人工智能方面比较薄弱，尤其智慧空管侧重培养学生具备行业背景的软硬件研发能力，现有传统交通运输或计算机类专业无法兼顾同时培养学生具备行业背景和技术能力。
3) 缺乏多学科融合的教学模式
现行的交通运输类侧重空管理论和技能的教授和灌输，而智慧民航需要培养学生如何运用软硬件知识和工作研发民航信息平台。在有限课时情况下，需要引导学生加强自身学习，主动利用各种课外创新创业活动，以项目导向促进课程学习。
4) 缺乏多学科融合的教学科研团队
交通运输、计算机和自动化等几个学科差异比较大，亟待建立多学科融合科研教学团队，通过系列培训和学术交流，传统交通运输类教师具有人工智能思维，计算机类教师具有交通运输背景，为培养新工科背景下智慧空管多学科交叉人才打下坚实的基础。
5) 缺乏匹配教学成效能的质量监控与评价体系
围绕如何培养智慧空管的多学科交叉人才能力教学成效，构建与完善多元评价标准和质量监控体系，从智慧空管产品的需求分析设计、实现与测试、运行维护出发，有效评估课程理论和实践教学对学生的多学科交叉综合能力达成效果的影响。
6) 缺乏匹配行业特色的智慧空管专业集群
为了突出学校的空管特色，打造智慧空域环境、智慧管制、智慧运控、智慧机场调度等专业集群，实现“人工智能 + 空管”多方面、多层次的更新与创新。
Figure 1. Problems existing in the current air traffic control personnel training system
图1. 现行空管人才培养体系存在的问题
针对上述问题，以民航大学交通运输“双一流”专业建设为契机，围绕未来智慧空管发展趋势对多学科交叉创新型工程人才的巨大需求，将OBE-CDIO教育理念贯穿于智慧空管专门人才培养的全过程，打破固有学科领域界限，构建以学生为中心的新工科课程体系设置，采取个性化指导、定制学习、协同育人的线上线下混合教学模式，从传统的“以教师传授知识为主”转向“以学生主动学习知识”，跨学院、跨学科、校企合作整合师资团队、实践与创新体系，以真实的专业领域工程问题(大数据驱动的智能化需求)为依托，将多学科交叉与智慧空管需求的研究结合起来，让学生在主动学习真实项目过程中建立和完善多学科交叉知识结构，从而培养学生具备空管背景的人工智能思维、基础知识和工程实践能力，如图2所示。
Figure 2. Construction of intelligent air traffic management personnel training mode
图2. 智慧空管人才培养模式建设
2. 基于OBE-CDIO的智慧空管跨学科交融人才培养组织机构
为了推动人工智能时代下交通运输建设在人才培养和科学研究方面主动对接智慧空管类战略性新兴产业，亟待跨学院和学科整合交通运输、计算机、自动化、通信等学科和专业 [1]，围绕智慧空管的数据采集、传输、处理与控制流程，将OBE-CDIO工程教育先进理念贯穿人才培养的全过程，以智慧空管产品的设计研发和运行维护全周期为载体，让学生主动学习如何将实践项目贯穿于若干相关联的多学科交叉课程，同时兼顾培养学生的基础知识、工程应用、创新思维、团队沟通等综合能力。
围绕打造智慧空管人才培养的OBE-CDIO模式，根据相关职业岗位群和岗位技能包要求，建立“以关键科学问题为导向”的管理模式，以软硬件设计开发在民航领域应用为专业重点教学目标，打造智慧民航运行环境、智慧管制、智慧运控、智慧机场运行等专业方向课程组，建立以项目为纽带的理论与实践结合、知识与技能融合、技术与职业道德相长的新课程体系和实践教学新体系，鼓励教师创新教学方法，形成多元化考核方法，形成能力本位的教学模式与培养机制，提高教学水平与教学效果。
综述所述，亟待建立和完善与OBE-CDIO模式匹配的多学科融合智慧空管人才委员会，组织机构构架如图3所示，主要包括战略计划委员会、基础学科委员会、交叉学科委员会，每个委员会由主任负责制，下设一或多个智慧空管方向课程组，实施产学研协同教育模式，通过跨学院、学科多个单位整合资源和实行联动，为新工科多学科交叉背景下智慧空管人才培养提供组织保障。
3. 基于OBE-CDIO的智慧空管课程体系和教学模式
3.1. 智慧空管的内涵、概念和特征
为了揭示智能计算和大数据的内涵和特征对民航运输业的变革影响，研究智慧空管所涉及的多学科、方法和理论体系之间的内在联系，围绕学科和专业布局贴近产业需求为目标，构建融合交通运输、计算机、自动化和通信多学科和专业的新工科智慧空管人才培养三维模型 [1]，如图4所示。以具体智慧空管的产业人才需求为导向，根据智慧空管方向对相关岗位的技能和知识要求，以智慧空管交通软硬件为重点教学方向，围绕真实项目开发和运行维护过程，以系统的观念优化整合不同学科和专业课程群的教学内容，以知识点的基本概念和运用为点，某课程的若干知识点内容为线，相关联的课程群为面，依托真实项目将相关课程和知识点串联起来，给学生呈现出的是具有科学性、应用性、系统性的课程体系，注重培养该专业学生的工程创新实践动手能力。
Figure 3. Organizational structure of intelligent air traffic management personnel training in the context of multidisciplinary new engineering
图3. 多学科交叉新工科背景下智慧空管人才培养组织机构构架
Figure 4. 3d model of talent training for intelligent air traffic control
图4. 智慧空管的人才培养三维模型
3.2. 跨学科的可重构模块化课程体系研究
根据智慧民航行业对相关岗位的技能要求，围绕智慧空管的数据采集、传输、处理与控制流程 [2] [3]，以软硬件开发为主线，从纵横向多维视角整合交通运输、计算机、自动化和通信专业和学科课程，确立专业基础课程、主干课程和方向选修课程，构建不同智慧空管方向的课程组，如图5和图6所示。通过一个真实开发项目，将某智慧空管方向的不同学科和专业中多门相关课程知识点串接起来，分析各个课程以及其所涉及的知识点之间的衔接关系，据此整合课程组的教学内容，避免课程之间的重复内容，并增加不足的知识点。在此基础上，开展面向模块化课程的智慧空管产品研发与维护理论与实践教学，突破按照传统单学科(交通运输或人工智能)的智慧民航背景知识结构不完备缺陷，增强了学生对“人工智能+ 民航”多学科融合工程规律的认知，提升学生解决复杂智慧空管工程问题能力。
Figure 5. Interdisciplinary course architecture of smart Civil Aviation
图5. 智慧民航跨学科课程体系构架
Figure 6. Core curriculum of intelligent air traffic control interdisciplinary backbone curriculum
图6. 智慧空管核心课程群跨学科主干课程
3.3. 多学科交叉融合的智慧空管人才培养教学模式研究
针对培养智慧空管人才的“知识、能力、素质”特征，基于OBE-CDIO构建“学生为中心”的教学模式，通过征集企业、教师预研课题等实际工程项目，以项目为主线串联不同学科和专业的理论和实践课程知识点，引导学生主动完成高质量的智慧空管项目，据此有机融合人工智能和民航学科专业主干课程。
基于线上线下的混合式教学模式，加强学生和老师之间的了解和互动，根据学生的能力特点，为每个学生自动生成个性化的学习内容和形式，安排不同任务，通过团队合作和任务分工，落实到每个子项目和每个人应该完成的任务，同时更有利于提升后续的毕业设计的培养效果。由上可知，通过“项目–课程–毕业设计”路径，可以培养高素质的智慧空管高级复合型工程技术人才。
4. 基于OBE-CDIO的智慧空管教学团队和创新实践教学平台
4.1. 组建智慧空管教学团队
依托民航大学空中交通管理学院1个国家、3个省级空管方向重点实验室，整合面向智慧民航的交通运输类集群式课程组，凝练智慧民航环境、智慧空管、智慧运控和智慧机场运行四个课程组中的共性和特色方向，形成一批多学科融合教学团队 [1]，如图7所示。
Figure 7. Architecture of intelligent air traffic control multidisciplinary teaching team
图7. 智慧空管多学科交叉教学团队构架
围绕综合培养学生的能力、素质、思维和文化，教师需要将OBE-CDIO理念融入课堂教学设计及课堂管理，以“双师型”严格要求自己，鼓励不同学科教师去一线智慧空管运行单位挂职锻炼，不仅教会学生单一知识和技能的原理和运用，而且重点培养学生融会贯通运用多个知识点在智慧空管产品的规划、设计、研发和运行维护的全生命周期过程。在实际教学过程中，不同学科的教师围绕同一个智慧空管方向主题，需要认真准备课堂教学，包括：课前教学设计、课堂过程管理，教学成效反思，并开展线上线下混合式教学探索；同时，通过微信加强与学生之间交流、答疑与督促，让学生主动地按照预计进度学习和掌握理论和实践工程知识。通过上述过程，让学生毕业要求达到与工程认证的标准保持一致，缩短学校与社会的距离。
4.2. 智慧空管创新实践教学平台搭建
为了突出培养学生的创新工程能力，基于OBE-CDIO模式，打造实际工程项目驱动的课内课外创新实践教学平台 [4] [5] [6] [7]，如图8所示，围绕C、D、I、O四阶段，将教与学的思路和过程贯穿智慧空管产品的研发与运行生命周期各个环节，让学生系统地掌握智慧空管软硬件产品开发及运行过程，包括现状分析与需求提炼、系统设计与实现、运行维护等相关内容等。具体包括两个层次：
Figure 8. Project-driven OBE-CDIO practical teaching mode
图8. 项目驱动的OBE-CDIO实践教学模式
第一，课内实践环节。探索校企资源共享模式，构建与智慧空管方向课程组相匹配的实验教学平台，其包括若干个典型真实项目，其中：将一个真实完整项目分解为若干大、中和小的众多模块，小模块适于单个知识点的训练和巩固，大和中模块通常是多个知识点的综合实验。围绕“工程师进课堂围绕项目讲工程、学生进企业参与项目练技能”的实训新机制，使学生在扎实掌握民航、计算机、自动化和通讯知识和技术的基础上，通过C和D阶段分析不同知识点组合和拓展对真实项目的作用和成效，以及I和O阶段的具体不同情形实操和效果评估，掌握如何协作将它们运用到解决实际智慧空管方向核心技术难点和问题，从而训练学生参与、熟练和掌握企业和社会环境下智慧民航真实项目的控制流程、沟通协调和团队管理。同时，以获得技能资质认证为教学目标，进一步强化智慧空管专门人才的实际动手能力，激发学生的学习兴趣和动力。
第二，课外实践环节。为了进一步提高智慧空管人才的综合能力，以大学生创新训练项目、学科竞赛活动为载体，建立交通科技、计算机、物联网、数学建模等多个活动平台，引导不同年级的学生开展多层次、有特色的大学生课外学科竞赛和训练活动。引入选题、设计、验收和评价的教学各环节，建立明确的智慧空管作品的目标、思路和操作流程。在C和D阶段，鼓励学生自主学习相关知识、查阅文献，熟悉智慧空管作品的用户需求、运行环境和技术前沿，提出改善方案。在I和O阶段，不断对智慧空管作品进行评估、改善、调整，形成一个反复提炼，持续改进提升的过程，最终让产品达到实际应用。组织上突出一个“面”字，激发学生对人工智能、交通运输类和智慧空管类活动的兴趣，提升参与率。同时，实施中强调一个“序”字，循“序”渐进，安排不同年级和能力水平的学生参加不同类型和层次的竞赛活动，以竞赛促进学习，在竞赛中培养、锻炼和提升学生的综合能力。
5. 基于OBE-CDIO的多学科融合能力达成的质量监控与评价体系
在整合上述智慧空管方向的理论和实践模块化课程体系基础上，围绕智慧空管人才的知识、能力培养达成目标，基于OBE-CDIO理念建立多学科交叉融合的质量监控与评价体系 [1] [7] [8]，以实际不同智慧空管方向的工程项目为线索，将多个学科的若干个课程和知识点串联，根据培养目标对每门课程的素质、知识、能力点达成等指标的要求差异，采用可量化的评分表，如表1所示，将不同学生针对若干课程知识点或完整项目的完成程度映射到考核评分表中，评价其达成情况。
显然地，将OBE-CDIO融入质量监控与评价中，可以定量地分析不同学科的教学环节与某智慧空管方向能力培养之间的内在关系，为逆向反推持续改进和完善考核和教学方法设计打下了坚实的基础。以学习成效为人才培养的最终目标，如果学生的实际能力与期望偏差较大，通过“内环滚动、持续优化”方式，不断完善或改革教学内容、方式和考评体系等，从而全面培养和锻炼学生的综合工程创新能力。
Table 1. Matching relationship between knowledge point teaching and ability
表1. 课程知识点教学对能力达成匹配关系
6. 结论
围绕民航大学交通运输一流专业建设，根据未来智慧空管的发展趋势对人才培养的目标定位，探索基于OBE-CDIO的新工科多学科交叉融合背景下的智慧空管人才培养模式改革，打破固有学科领域界限，构建以学生为中心的新工科课程体系，采取个性指导、定制学习、协同育人的线上线下混合教学模式，从传统的“以教师教授知识为主”转向“让学生主动学习知识”，主要开展工作如下：
1) 提出基于OBE-CDIO的智慧空管人才培养组织机构，可为人工智能 + 其他学科的跨学科和专业组织结构模式提供借鉴。
2) 在揭示智慧空管的内涵、本质特征基础上，探索新工科多学科交叉背景下的智慧空管人才培养模式改革，基于OBE-CDIO，引入真实项目驱动，打造与培养目标匹配的跨学科课程体系、教学模式、教学团队和实践创新平台等，培养学生的多学科交叉综合创新工程能力。
3) 围绕智慧空管人才的知识、能力培养达成培养目标，基于OBE-CDIO理念建立多学科交叉融合的质量监控与评价体系，为人工智能 + 其他学科的新工科工程能力达成评价和考核提供参考。