維修工程類專業(yè)智能檢測與診斷課程組工程實踐教學(xué)模式研究

金洋+宋建潼+陳聰

（1.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津，300300；2.東北大學(xué)渾南校區(qū) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)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(biāo)，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(xué)模式具有重要的意義。傳統(tǒng)的教學(xué)模式中由于教學(xué)資源組織模式存在融合度低的問題，導(dǎo)致理論教學(xué)和實驗教學(xué)無法滿足工程實踐的需求。針對這個問題，本文從教學(xué)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(xué)模式。該教學(xué)模式以提高學(xué)生的主觀能動性為目標(biāo)，不僅能夠滿足傳統(tǒng)的先理論教學(xué)、再實際應(yīng)用的教學(xué)過程，還能夠滿足以問題為主導(dǎo)的知識發(fā)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：維修工程 教學(xué)資源的組織模式 教育教學(xué)模式

一、引言

中國民航大學(xué)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(qiáng)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(xué)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(biāo)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(jìn)行了探索。

然而，這些研究在教學(xué)過程中進(jìn)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(xué)過程中，盡管通過引入大量案例，仍然無法使學(xué)生有更加直觀的認(rèn)識；

（2）實驗教學(xué)以原理展示為主，學(xué)生很難與工程實踐聯(lián)系起來；

（3）實習(xí)實踐模塊相對獨立，導(dǎo)致理論教學(xué)和實踐教學(xué)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(qiáng)的工程應(yīng)用背景。然而，由于上述問題的存在，導(dǎo)致該課程組的教學(xué)效果與工程實踐的需求有一定的差距。課程組在對教學(xué)過程進(jìn)行深入剖析后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致上述問題的根本原因在于教學(xué)資源（理論教學(xué)資源和實驗教學(xué)資源）在組織上存在融合度不高的問題，在前期進(jìn)行了初步研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了綜合實驗教學(xué)平臺，并對相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式進(jìn)行了研究。

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

二、工程實踐教學(xué)平臺對教學(xué)資源的組織模式

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

（1） 課程組內(nèi)所學(xué)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(biāo)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(xué)，是理論教學(xué)的一種擴(kuò)展，而本文提出的實踐教學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)效果評價指標(biāo)為指導(dǎo)的教學(xué)模式，由于其不能從實踐過程的整體性出發(fā)，在教學(xué)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(biāo)能夠有效地將理論教學(xué)資源、實驗教學(xué)資源乃至實踐教學(xué)資源整合成一個整體，其關(guān)鍵在于：

（1）在理論教學(xué)中，能夠給出明確的目標(biāo)和工程背景，避免“學(xué)而無用”；

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

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

下面分別從對理論教學(xué)資源、實驗教學(xué)資源以及實踐教學(xué)資源的組織方式進(jìn)行介紹。

（一）理論教學(xué)資源的組織

理論課教學(xué)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(xí)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(jìn)行分解，理論體系完整。但是，在實踐教學(xué)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(xué)之間關(guān)系的分配，教學(xué)過程由原來的講授為主變成了引導(dǎo)為主，而學(xué)習(xí)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(xué)過程是以解決問題為核心的逆向教學(xué)過程，它從最終的目標(biāo)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(xué)資源的組織

本文提出的實踐教學(xué)方案中，實踐教學(xué)資源是一個“工具”，在教學(xué)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(xué)的不同之處主要表現(xiàn)在：

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

（2）過程不同。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)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(xué)過程是以確定的問題為目標(biāo)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(xué)過程，是要學(xué)生更加深入地理解實驗的結(jié)果，而本文提出的實驗教學(xué)過程則是要學(xué)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(biāo)，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(qiáng)的擴(kuò)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(dān)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(xué)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(xué)模式研究

（一）教學(xué)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(xué)飛行器制造工程專業(yè)教學(xué)模塊的重要組成部分，主要包括一下課程：飛機(jī)機(jī)型、飛機(jī)可靠性工程、飛機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)以及相關(guān)的數(shù)學(xué)課程。

課程組的工程實踐教學(xué)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(xué)的目的包括兩部分：一是針對飛機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)行分解如下：

A 飛機(jī)機(jī)型：將飛機(jī)系統(tǒng)分為電子和機(jī)械兩部分，結(jié)合前序飛機(jī)系統(tǒng)原理課程，在介紹實際機(jī)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(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)課程提供支撐；

B 飛機(jī)可靠性工程：將飛機(jī)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(jī)故障診斷技術(shù)：以飛機(jī)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(jī)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(jìn)行分解，既可以將各門課程的知識點進(jìn)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(xué)提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用支持。

（2）實驗教學(xué)工具平臺的開發(fā)

實驗教學(xué)平臺是所有實驗教學(xué)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(xué)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(xué)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(kuò)展性的實驗教學(xué)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(xué)習(xí)理論知識之前根據(jù)自己對系統(tǒng)的理解建立模型進(jìn)行前期探索性研究，也可以在學(xué)習(xí)理論知識之后進(jìn)行自主實驗，驗證所學(xué)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(jìn)行集成，在對已有實驗資源進(jìn)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(xué)提供支持。

（二）教學(xué)組織方式研究

本文所提出的實踐教學(xué)模式，其關(guān)鍵在于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，即讓學(xué)生能夠在解決問題的實踐中發(fā)現(xiàn)并學(xué)習(xí)知識，又能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之后提高解決問題的能力。然而，學(xué)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(xué)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(dǎo)致很多無效的工作時間產(chǎn)生；

（3）實際工程問題較為復(fù)雜，需要多人合作對問題進(jìn)行分解后進(jìn)行求解；

（4）合理的評價和考核方式在維持這一教學(xué)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(jìn)行分解，形成“工程問題”數(shù)據(jù)庫，保證工程實踐教學(xué)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(jìn)行引導(dǎo)，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(jī)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(jìn)行評價，從而更加準(zhǔn)確地對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和結(jié)果進(jìn)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(xué)模式的特殊需求展開研究。文中所提出的教學(xué)模式創(chuàng)新地提出以課程組為整體安排教學(xué)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(xué)生在教師的引導(dǎo)下主動地挖掘知識。這樣的教學(xué)過程與傳統(tǒng)教學(xué)模式中的案例教學(xué)、課程設(shè)計過程存在的最主要的區(qū)別是學(xué)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(xué)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。