維修工程類專業(yè)智能檢測與診斷課程組工程實踐教學模式研究

金洋+宋建潼+陳聰

（1.中國民航大學 航空工程學院，天津，300300；2.東北大學渾南校區(qū) 計算機科學與工程學院，遼寧沈陽，110169）

摘 要：維修工程類專業(yè)以培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才為目標，對工程實踐能力具有較高的要求，智能檢測與診斷作為維修工程類專業(yè)重要的組成之一，研究能夠有效提高工程實踐能力的教學模式具有重要的意義。傳統(tǒng)的教學模式中由于教學資源組織模式存在融合度低的問題，導致理論教學和實驗教學無法滿足工程實踐的需求。針對這個問題，本文從教學資源的組織模式入手，提出以課程組為單位，以解決工程問題為切入點，以綜合性實驗平臺為支撐的教學模式。該教學模式以提高學生的主觀能動性為目標，不僅能夠滿足傳統(tǒng)的先理論教學、再實際應(yīng)用的教學過程，還能夠滿足以問題為主導的知識發(fā)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：維修工程 教學資源的組織模式 教育教學模式

一、引言

中國民航大學的維修工程類專業(yè)主要包括飛行器制造工程和飛行器動力工程專業(yè)，以強化“厚基礎(chǔ)、重實踐、求創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)特色作為專業(yè)建設(shè)的總體思路，力求將理論研究成果逐步應(yīng)用于教學實踐，著力提高工程教育質(zhì)量，建立民航特色鮮明的、面向民航行業(yè)需求的應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)體系。為了實現(xiàn)這樣的培養(yǎng)目標以及更好地實施“卓越工程師培養(yǎng)計劃”以及“CDIO工程教育模式”，維修工程類專業(yè)對工程實踐教育模式進行了探索。

然而，這些研究在教學過程中進行實際應(yīng)用時的效果總存在一些不足，主要體現(xiàn)在：

（1）理論教學過程中，盡管通過引入大量案例，仍然無法使學生有更加直觀的認識；

（2）實驗教學以原理展示為主，學生很難與工程實踐聯(lián)系起來；

（3）實習實踐模塊相對獨立，導致理論教學和實踐教學脫節(jié)。

智能檢測與診斷課程組作為民航維修工程類專業(yè)重要的專業(yè)課之一，有著很強的工程應(yīng)用背景。然而，由于上述問題的存在，導致該課程組的教學效果與工程實踐的需求有一定的差距。課程組在對教學過程進行深入剖析后，發(fā)現(xiàn)導致上述問題的根本原因在于教學資源（理論教學資源和實驗教學資源）在組織上存在融合度不高的問題，在前期進行了初步研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了綜合實驗教學平臺，并對相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教學模式進行了研究。

本文是在前期研究基礎(chǔ)上的進一步深化，以實驗教學平臺為基礎(chǔ)，提出了維修工程類專業(yè)的教學資源組織模式，并在智能檢測與診斷課程組中進行了實踐。

二、工程實踐教學平臺對教學資源的組織模式

工程實踐教學模式的創(chuàng)新是現(xiàn)有教學資源以新的優(yōu)化目標重新組織的過程，需要將理論教學與實驗、實踐教學有效地融合在一起，然而由于目前用于評價的教學效果的指標無法體現(xiàn)出理論教學與實驗教學之間的關(guān)聯(lián)性，導致在工程實踐教學中存在理論與實驗脫節(jié)的現(xiàn)象，影響工程實踐教學效果。

為了解決這個問題，本文提出了以實踐過程中的理論與實驗的融合度為指標的教學效果評價。該指標的關(guān)鍵在于：

（1） 課程組內(nèi)所學理論方法在解決實踐中所設(shè)置問題的比例；

（2） 實驗方案中對所應(yīng)用的理論方法的表現(xiàn)效果。

需要指出的是，以該指標為評價方法的實踐課程與以案例為基礎(chǔ)的課程之間的不同點在于：首先，以案例為基礎(chǔ)的課程更偏向于理論教學，是理論教學的一種擴展，而本文提出的實踐教學重在融合，將理論知識與實驗和實踐方案的設(shè)計之間建立關(guān)系；其次案例教學的側(cè)重點單一，這帶來的好處是知識點相對集中，而不足之處是教學過程中很難建立起與在實踐中涉及到的其他知識點之間的聯(lián)系，整體性差。

綜上所述，以傳統(tǒng)的教學效果評價指標為指導的教學模式，由于其不能從實踐過程的整體性出發(fā)，在教學資源的組織上存在局部分布不平衡的現(xiàn)象，而本文提出的實踐過程中的理論與實驗的融合度指標能夠有效地將理論教學資源、實驗教學資源乃至實踐教學資源整合成一個整體，其關(guān)鍵在于：

（1）在理論教學中，能夠給出明確的目標和工程背景，避免“學而無用”；

（2）在實驗教學中，既能夠暴露理論教學中存在的問題，又能夠體現(xiàn)理論教學的效果；

（3）在實踐教學中，既能夠保證教學過程的完整性，又能夠?qū)ο乱惠喌摹袄碚?實驗學”的教學循環(huán)提出新的問題。

下面分別從對理論教學資源、實驗教學資源以及實踐教學資源的組織方式進行介紹。

（一）理論教學資源的組織

理論課教學資源中最重要的教材。傳統(tǒng)的教材內(nèi)容的組織以課為中心，其中內(nèi)容的組織邏輯以理論知識點之間的依賴關(guān)系為基礎(chǔ)，習題及考核方式以理論知識點為主。這樣的教材建設(shè)方案，其優(yōu)點是能夠較好地將理論知識進行分解，理論體系完整。但是，在實踐教學完整性需求的背景下，傳統(tǒng)的教材建設(shè)方案顯然無法將理論內(nèi)容與實驗以及工程實踐內(nèi)容做到完整的融合。

為了解決這個問題，本文提出了新的教材建設(shè)方案，它的特點是：

（1）將工程實踐需求為切入點，以提問式提出問題，以分解問題作為分析手段，以方案設(shè)計作為知識輸出途徑；

（2）注重知識點之間的聯(lián)系，不僅在于對解決同一類問題的不同知識點之間的橫向比較，更注重在解決一個工程實踐問題時不同階段之間的比較；

（3）注重教與學之間關(guān)系的分配，教學過程由原來的講授為主變成了引導為主，而學習的過程則由以被動地接受變成了主動地尋找解決問題的方案。

從上面三個特點可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的實踐教學過程是以解決問題為核心的逆向教學過程，它從最終的目標出發(fā)，反向求解，力求模擬這些理論知識產(chǎn)生的過程。

（二）實驗教學資源的組織

本文提出的實踐教學方案中，實踐教學資源是一個“工具”，在教學過程中，這些工具被用來發(fā)現(xiàn)理論知識，與傳統(tǒng)的實驗教學的不同之處主要表現(xiàn)在：

（1）目的不同。傳統(tǒng)的實驗教學以驗證和演示為目的，本文提出的實驗教學以發(fā)現(xiàn)規(guī)律為目的。

（2）過程不同。傳統(tǒng)的實驗教學過程中，實驗過程是在已知確定結(jié)果的條件下設(shè)計的方案，本文提出的實驗教學過程是以確定的問題為目標的條件下設(shè)計的實驗方案，而在實施過程中并不知道實驗的結(jié)果能否解決這個問題。

（3）出發(fā)點不同。傳統(tǒng)的實驗教學過程，是要學生更加深入地理解實驗的結(jié)果，而本文提出的實驗教學過程則是要學生更加深入地理解實驗過程本身對挖掘客觀規(guī)律的作用。

綜上，為了實現(xiàn)這一目標，首要的問題就是如何提供一個實驗平臺，而不僅僅是一個為確定實驗開發(fā)的實驗系統(tǒng)。這一平臺需要具有較強的擴展性、較大的靈活性。本文根據(jù)智能檢測與診斷課程組的課程安排、知識點分布以及在工程實踐中需要承擔的任務(wù)，在以往工作基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的工具系統(tǒng)，為實踐教學任務(wù)提供更好的實驗環(huán)境。

三、智能檢測與診斷課程組工程實踐教學模式研究

（一）教學資源的整合研究

智能檢測與診斷課程組作為中國民航大學飛行器制造工程專業(yè)教學模塊的重要組成部分，主要包括一下課程：飛機機型、飛機可靠性工程、飛機故障診斷技術(shù)以及研究生培養(yǎng)方案中的人工智能及其應(yīng)用的基礎(chǔ)部分，前序課程包括飛機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)以及相關(guān)的數(shù)學課程。

課程組的工程實踐教學模式的研究主要包括兩部分：

（1）知識點重新梳理

智能檢測與診斷課程組教學的目的包括兩部分：一是針對飛機關(guān)鍵系統(tǒng)的異常檢測以及故障診斷任務(wù)，講授信號的采集、處理以及分析等理論和技術(shù)；二是針對飛機結(jié)構(gòu)的維修任務(wù)，為獲取維修決策所需的特征而講授相應(yīng)的知識提取理論和技術(shù)。這兩部分的核心內(nèi)容是如何對采集到的信號進行分析和處理的理論和技術(shù)。由于這些理論和技術(shù)貫穿著從信號被采集到之后的整個信息流傳遞過程，因此本文對課程組知識點的梳理邏輯以飛機的全壽命周期中涉及到的特征類型以及相應(yīng)的提取和處理技術(shù)為主要邏輯，將各個課程的知識點進行分解如下：

A 飛機機型：將飛機系統(tǒng)分為電子和機械兩部分，結(jié)合前序飛機系統(tǒng)原理課程，在介紹實際機型中完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及功能基礎(chǔ)上，以主要系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)分析以及關(guān)鍵故障和表型形式進行總結(jié)，為后續(xù)課程提供支撐；

B 飛機可靠性工程：將飛機全壽命周期的可靠性分析任務(wù)分解為可靠性數(shù)據(jù)獲取、可靠性模型建立以及基于統(tǒng)計特征的分析方法；

C 飛機故障診斷技術(shù)：以飛機中的故障信息流傳播路徑為邏輯主線，將知識點分解為故障信號的采集、機載系統(tǒng)對故障信息的智能處理方法、人工排故過程的優(yōu)化以及維修決策制定中涉及到的優(yōu)化理論和方法等；

D 人工智能及其應(yīng)用：該課程根據(jù)具體的應(yīng)用任務(wù)和所處理的信息類型，將方法分解到其他課程中的相關(guān)知識點模塊中。

通過對課程組內(nèi)各門課程中的知識點按照共同的工程應(yīng)用背景為主線進行分解，既可以將各門課程的知識點進行有效的融合，更重要的是能夠為以工程應(yīng)用為背景的實踐教學提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用支持。

（2）實驗教學工具平臺的開發(fā)

實驗教學平臺是所有實驗教學子系統(tǒng)的集成，而每一個子系統(tǒng)針對特定的知識點或模塊，為該知識點的獲取、驗證以及演示提供工具。值得注意的是，本文將知識點的獲取引入到實驗系統(tǒng)中的一部分，并將其作為重要的一個環(huán)節(jié)，正如前文所述，工程實踐教學以解決工程問題為切入點，在解決問題的過程中盡可能地讓學生自主地獲取和總結(jié)知識點。

為了實現(xiàn)這個目的，在前面的研究中，一個具有擴展性的實驗教學平臺被開發(fā)出來。本文在該平臺基礎(chǔ)上開發(fā)了兩個通用的實驗?zāi)K，即基于可靠性數(shù)據(jù)的計算模塊以及基于物理結(jié)構(gòu)和診斷規(guī)則的推理模塊，既可在學習理論知識之前根據(jù)自己對系統(tǒng)的理解建立模型進行前期探索性研究，也可以在學習理論知識之后進行自主實驗，驗證所學理論知識的正確性。

在該實驗平臺的支撐下，智能檢測與診斷課程組可以對虛擬實驗進行集成，在對已有實驗資源進行整合的基礎(chǔ)上，為解決工程實踐問題提供越來越完整的工具，為課程組的實踐教學提供支持。

（二）教學組織方式研究

本文所提出的實踐教學模式，其關(guān)鍵在于發(fā)揮學生的主觀能動性，即讓學生能夠在解決問題的實踐中發(fā)現(xiàn)并學習知識，又能夠讓學生在學習之后提高解決問題的能力。然而，學生在自主解決問題時存在很多困難，主要包括：

（1）為了滿足課程組中教學內(nèi)容的合理性，工程問題的提出也是一個至關(guān)重要的問題；

（2）解決工程實際問題所需的知識往往不是單純出現(xiàn)在課本中，需要查找更多的資料，這可能導致很多無效的工作時間產(chǎn)生；

（3）實際工程問題較為復雜，需要多人合作對問題進行分解后進行求解；

（4）合理的評價和考核方式在維持這一教學模式中會起到重要作用，而傳統(tǒng)的以課堂作業(yè)以及考試為主的評價和考核方式難以滿足這一需求。

為了解決這些關(guān)鍵問題，本文以開發(fā)的綜合性實驗平臺為基礎(chǔ)，（1）建立案例庫，并將案例根據(jù)故障信息流等邏輯主線進行分解，形成“工程問題”數(shù)據(jù)庫，保證工程實踐教學模式中對知識點的安排有據(jù)可依；（2）由教師對解決問題的思路進行引導，以遞歸的方式不斷縮小問題集合，最終得到合理的解決方案；（3）形成獨立的分組模式以及組內(nèi)角色的輪換機制，從而保證每個人對知識掌握的完整性；（4）以解決方案的合理性、獨立性、創(chuàng)新性以及結(jié)果的正確性和時間分配的合理性為原則進行評價，從而更加準確地對學生的學習過程和結(jié)果進行考核。

四、結(jié)論

本文針對維修工程類專業(yè)的性質(zhì)，以及智能檢測與診斷課程組對教學模式的特殊需求展開研究。文中所提出的教學模式創(chuàng)新地提出以課程組為整體安排教學內(nèi)容，并提出了以問題出發(fā)，在建立的綜合實驗平臺的基礎(chǔ)上讓學生在教師的引導下主動地挖掘知識。這樣的教學過程與傳統(tǒng)教學模式中的案例教學、課程設(shè)計過程存在的最主要的區(qū)別是學生能夠利用已有的知識去探索未知的信息，而并非單純地利用學過的知識解決特定的問題。

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作者簡介：金洋（1984.01-），講師，博士，主要研究方向：飛行器智能診斷。