維修工程類專業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 計算機科學與工程學院，遼寧沈陽，110169）

摘 要：維修工程類專業以培養高素質的應用型人才為目標，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，不僅能夠滿足傳統的先理論教學、再實際應用的教學過程，還能夠滿足以問題為主導的知識發現過程。

關鍵詞：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主要包括飛行器制造工程和飛行器動力工程專業，以強化“厚基礎、重實踐、求創新”的人才培養特色作為專業建設的總體思路，力求將理論研究成果逐步應用于教學實踐，著力提高工程教育質量，建立民航特色鮮明的、面向民航行業需求的應用型本科人才培養體系。為了實現這樣的培養目標以及更好地實施“卓越工程師培養計劃”以及“CDIO工程教育模式”，維修工程類專業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用時的效果總存在一些不足，主要體現在：

（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。

智能檢測與診斷課程組作為民航維修工程類專業重要的專業課之一，有著很強的工程應用背景。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，發現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上，構建了綜合實驗教學平臺，并對相應的網絡教學模式進行了研究。

本文是在前期研究基礎上的進一步深化，以實驗教學平臺為基礎，提出了維修工程類專業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新是現有教學資源以新的優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出理論教學與實驗教學之間的關聯性，導致在工程實踐教學中存在理論與實驗脫節的現象，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。該指標的關鍵在于：

（1） 課程組內所學理論方法在解決實踐中所設置問題的比例；

（2） 實驗方案中對所應用的理論方法的表現效果。

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的課程之間的不同點在于：首先，以案例為基礎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計之間建立關系；其次案例教學的側重點單一，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系，整體性差。

綜上所述，以傳統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，在教學資源的組織上存在局部分布不平衡的現象，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，又能夠對下一輪的“理論+實驗學”的教學循環提出新的問題。

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。傳統的教材內容的組織以課為中心，其中內容的組織邏輯以理論知識點之間的依賴關系為基礎，習題及考核方式以理論知識點為主。這樣的教材建設方案，其優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，傳統的教材建設方案顯然無法將理論內容與實驗以及工程實踐內容做到完整的融合。

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，以方案設計作為知識輸出途徑；

（2）注重知識點之間的聯系，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現，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，反向求解，力求模擬這些理論知識產生的過程。

（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，這些工具被用來發現理論知識，與傳統的實驗教學的不同之處主要表現在：

（1）目的不同。傳統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現規律為目的。

（2）過程不同。傳統的實驗教學過程中，實驗過程是在已知確定結果的條件下設計的方案，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計的實驗方案，而在實施過程中并不知道實驗的結果能否解決這個問題。

（3）出發點不同。傳統的實驗教學過程，是要學生更加深入地理解實驗的結果，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律的作用。

綜上，為了實現這一目標，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的實驗系統。這一平臺需要具有較強的擴展性、較大的靈活性。本文根據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，在以往工作基礎上開發了相應的工具系統，為實踐教學任務提供更好的實驗環境。

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、飛機故障診斷技術以及研究生培養方案中的人工智能及其應用的基礎部分，前序課程包括飛機結構與系統以及相關的數學課程。

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：一是針對飛機關鍵系統的異常檢測以及故障診斷任務，講授信號的采集、處理以及分析等理論和技術；二是針對飛機結構的維修任務，為獲取維修決策所需的特征而講授相應的知識提取理論和技術。這兩部分的核心內容是如何對采集到的信號進行分析和處理的理論和技術。由于這些理論和技術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的提取和處理技術為主要邏輯，將各個課程的知識點進行分解如下：

A 飛機機型：將飛機系統分為電子和機械兩部分，結合前序飛機系統原理課程，在介紹實際機型中完整的系統結構以及功能基礎上，以主要系統的薄弱環節分析以及關鍵故障和表型形式進行總結，為后續課程提供支撐；

B 飛機可靠性工程：將飛機全壽命周期的可靠性分析任務分解為可靠性數據獲取、可靠性模型建立以及基于統計特征的分析方法；

C 飛機故障診斷技術：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、機載系統對故障信息的智能處理方法、人工排故過程的優化以及維修決策制定中涉及到的優化理論和方法等；

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

通過對課程組內各門課程中的知識點按照共同的工程應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用為背景的實踐教學提供理論基礎和應用支持。

（2）實驗教學工具平臺的開發

實驗教學平臺是所有實驗教學子系統的集成，而每一個子系統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中的一部分，并將其作為重要的一個環節，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知識點。

為了實現這個目的，在前面的研究中，一個具有擴展性的實驗教學平臺被開發出來。本文在該平臺基礎上開發了兩個通用的實驗模塊，即基于可靠性數據的計算模塊以及基于物理結構和診斷規則的推理模塊，既可在學習理論知識之前根據自己對系統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，其關鍵在于發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現并學習知識，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容的合理性，工程問題的提出也是一個至關重要的問題；

（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，而傳統的以課堂作業以及考試為主的評價和考核方式難以滿足這一需求。

為了解決這些關鍵問題，本文以開發的綜合性實驗平臺為基礎，（1）建立案例庫，并將案例根據故障信息流等邏輯主線進行分解，形成“工程問題”數據庫，保證工程實踐教學模式中對知識點的安排有據可依；（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、創新性以及結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果進行考核。

四、結論

本文針對維修工程類專業的性質，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新地提出以課程組為整體安排教學內容，并提出了以問題出發，在建立的綜合實驗平臺的基礎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教學模式中的案例教學、課程設計過程存在的最主要的區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。