维修工程类专业智能检测与诊断课程组工程实践教学模式研究

金洋+宋建潼+陈聪

（1.中国民航大学 航空工程学院，天津，300300；2.东北大学浑南校区 计算机科学与工程学院，辽宁沈阳，110169）

摘 要：维修工程类专业以培养高素质的应用型人才为目标，对工程实践能力具有较高的要求，智能检测与诊断作为维修工程类专业重要的组成之一，研究能够有效提高工程实践能力的教学模式具有重要的意义。传统的教学模式中由于教学资源组织模式存在融合度低的问题，导致理论教学和实验教学无法满足工程实践的需求。针对这个问题，本文从教学资源的组织模式入手，提出以课程组为单位，以解决工程问题为切入点，以综合性实验平台为支撑的教学模式。该教学模式以提高学生的主观能动性为目标，不仅能够满足传统的先理论教学、再实际应用的教学过程，还能够满足以问题为主导的知识发现过程。

关键词：维修工程 教学资源的组织模式 教育教学模式

一、引言

中国民航大学的维修工程类专业主要包括飞行器制造工程和飞行器动力工程专业，以强化“厚基础、重实践、求创新”的人才培养特色作为专业建设的总体思路，力求将理论研究成果逐步应用于教学实践，着力提高工程教育质量，建立民航特色鲜明的、面向民航行业需求的应用型本科人才培养体系。为了实现这样的培养目标以及更好地实施“卓越工程师培养计划”以及“CDIO工程教育模式”，维修工程类专业对工程实践教育模式进行了探索。

然而，这些研究在教学过程中进行实际应用时的效果总存在一些不足，主要体现在：

（1）理论教学过程中，尽管通过引入大量案例，仍然无法使学生有更加直观的认识；

（2）实验教学以原理展示为主，学生很难与工程实践联系起来；

（3）实习实践模块相对独立，导致理论教学和实践教学脱节。

智能检测与诊断课程组作为民航维修工程类专业重要的专业课之一，有着很强的工程应用背景。然而，由于上述问题的存在，导致该课程组的教学效果与工程实践的需求有一定的差距。课程组在对教学过程进行深入剖析后，发现导致上述问题的根本原因在于教学资源（理论教学资源和实验教学资源）在组织上存在融合度不高的问题，在前期进行了初步研究的基础上，构建了综合实验教学平台，并对相应的网络教学模式进行了研究。

本文是在前期研究基础上的进一步深化，以实验教学平台为基础，提出了维修工程类专业的教学资源组织模式，并在智能检测与诊断课程组中进行了实践。

二、工程实践教学平台对教学资源的组织模式

工程实践教学模式的创新是现有教学资源以新的优化目标重新组织的过程，需要将理论教学与实验、实践教学有效地融合在一起，然而由于目前用于评价的教学效果的指标无法体现出理论教学与实验教学之间的关联性，导致在工程实践教学中存在理论与实验脱节的现象，影响工程实践教学效果。

为了解决这个问题，本文提出了以实践过程中的理论与实验的融合度为指标的教学效果评价。该指标的关键在于：

（1） 课程组内所学理论方法在解决实践中所设置问题的比例；

（2） 实验方案中对所应用的理论方法的表现效果。

需要指出的是，以该指标为评价方法的实践课程与以案例为基础的课程之间的不同点在于：首先，以案例为基础的课程更偏向于理论教学，是理论教学的一种扩展，而本文提出的实践教学重在融合，将理论知识与实验和实践方案的设计之间建立关系；其次案例教学的侧重点单一，这带来的好处是知识点相对集中，而不足之處是教学过程中很难建立起与在实践中涉及到的其他知识点之间的联系，整体性差。

综上所述，以传统的教学效果评价指标为指导的教学模式，由于其不能从实践过程的整体性出发，在教学资源的组织上存在局部分布不平衡的现象，而本文提出的实践过程中的理论与实验的融合度指标能够有效地将理论教学资源、实验教学资源乃至实践教学资源整合成一个整体，其关键在于：

（1）在理论教学中，能够给出明确的目标和工程背景，避免“学而无用”；

（2）在实验教学中，既能够暴露理论教学中存在的问题，又能够体现理论教学的效果；

（3）在实践教学中，既能够保证教学过程的完整性，又能够对下一轮的“理论+实验学”的教学循环提出新的问题。

下面分别从对理论教学资源、实验教学资源以及实践教学资源的组织方式进行介绍。

（一）理论教学资源的组织

理论课教学资源中最重要的教材。传统的教材内容的组织以课为中心，其中内容的组织逻辑以理论知识点之间的依赖关系为基础，习题及考核方式以理论知识点为主。这样的教材建设方案，其优点是能够较好地将理论知识进行分解，理论体系完整。但是，在实践教学完整性需求的背景下，传统的教材建设方案显然无法将理论内容与实验以及工程实践内容做到完整的融合。

为了解决这个问题，本文提出了新的教材建设方案，它的特点是：

（1）将工程实践需求为切入点，以提问式提出问题，以分解问题作为分析手段，以方案设计作为知识输出途径；

（2）注重知识点之间的联系，不仅在于对解决同一类问题的不同知识点之间的横向比较，更注重在解决一个工程实践问题时不同阶段之间的比较；

（3）注重教与学之间关系的分配，教学过程由原来的讲授为主变成了引导为主，而学习的过程则由以被动地接受变成了主动地寻找解决问题的方案。

从上面三个特点可以发现，本文提出的实践教学过程是以解决问题为核心的逆向教学过程，它从最终的目标出发，反向求解，力求模拟这些理论知识产生的过程。

（二）实验教学资源的组织

本文提出的实践教学方案中，实践教学资源是一个“工具”，在教学过程中，这些工具被用来发现理论知识，与传统的实验教学的不同之处主要表现在：

（1）目的不同。传统的实验教学以验证和演示为目的，本文提出的实验教学以发现规律为目的。

（2）过程不同。传统的实验教学过程中，实验过程是在已知确定结果的条件下设计的方案，本文提出的实验教学过程是以确定的问题为目标的条件下设计的实验方案，而在实施过程中并不知道实验的结果能否解决这个问题。

（3）出发点不同。传统的实验教学过程，是要学生更加深入地理解实验的结果，而本文提出的实验教学过程则是要学生更加深入地理解实验过程本身对挖掘客观规律的作用。

综上，为了实现这一目标，首要的问题就是如何提供一个实验平台，而不仅仅是一个为确定实验开发的实验系统。这一平台需要具有较强的扩展性、较大的灵活性。本文根据智能检测与诊断课程组的课程安排、知识点分布以及在工程实践中需要承担的任务，在以往工作基础上开发了相应的工具系统，为实践教学任务提供更好的实验环境。

三、智能检测与诊断课程组工程实践教学模式研究

（一）教学资源的整合研究

智能检测与诊断课程组作为中国民航大学飞行器制造工程专业教学模块的重要组成部分，主要包括一下课程：飞机机型、飞机可靠性工程、飞机故障诊断技术以及研究生培养方案中的人工智能及其应用的基础部分，前序课程包括飞机结构与系统以及相关的数学课程。

课程组的工程实践教学模式的研究主要包括两部分：

（1）知识点重新梳理

智能检测与诊断课程组教学的目的包括两部分：一是针对飞机关键系统的异常检测以及故障诊断任务，讲授信号的采集、处理以及分析等理论和技术；二是针对飞机结构的维修任务，为获取维修决策所需的特征而讲授相应的知识提取理论和技术。这两部分的核心内容是如何对采集到的信号进行分析和处理的理论和技术。由于这些理论和技术贯穿着从信号被采集到之后的整个信息流传递过程，因此本文对课程组知识点的梳理逻辑以飞机的全寿命周期中涉及到的特征类型以及相应的提取和处理技术为主要逻辑，将各个课程的知识点进行分解如下：

A 飞机机型：将飞机系统分为电子和机械两部分，结合前序飞机系统原理课程，在介绍实际机型中完整的系统结构以及功能基础上，以主要系统的薄弱环节分析以及关键故障和表型形式进行总结，为后续课程提供支撑；

B 飞机可靠性工程：将飞机全寿命周期的可靠性分析任务分解为可靠性数据获取、可靠性模型建立以及基于统计特征的分析方法；

C 飞机故障诊断技术：以飞机中的故障信息流传播路径为逻辑主线，将知识点分解为故障信号的采集、机载系统对故障信息的智能处理方法、人工排故过程的优化以及维修决策制定中涉及到的优化理论和方法等；

D 人工智能及其应用：该课程根据具体的应用任务和所处理的信息类型，将方法分解到其他课程中的相关知识点模块中。

通过对课程组内各门课程中的知识点按照共同的工程应用背景为主线进行分解，既可以将各门课程的知识点进行有效的融合，更重要的是能够为以工程应用为背景的实践教学提供理论基础和应用支持。

（2）实验教学工具平台的开发

实验教学平台是所有实验教学子系统的集成，而每一个子系统针对特定的知识点或模块，为该知识点的获取、验证以及演示提供工具。值得注意的是，本文将知识点的获取引入到实验系统中的一部分，并将其作为重要的一个环节，正如前文所述，工程实践教学以解决工程问题为切入点，在解决问题的过程中尽可能地让学生自主地获取和总结知识点。

为了实现这个目的，在前面的研究中，一个具有扩展性的实验教学平台被开发出来。本文在该平台基础上开发了两个通用的实验模块，即基于可靠性数据的计算模块以及基于物理结构和诊断规则的推理模块，既可在学习理论知识之前根据自己对系统的理解建立模型进行前期探索性研究，也可以在学习理论知识之后进行自主实验，验证所学理论知识的正确性。

在该实验平台的支撑下，智能检测与诊断课程组可以对虚拟实验进行集成，在对已有实验资源进行整合的基础上，为解决工程实践问题提供越来越完整的工具，为课程组的实践教学提供支持。

（二）教学组织方式研究

本文所提出的实践教学模式，其关键在于发挥学生的主观能动性，即让学生能够在解决问题的实践中发现并学习知识，又能够让学生在学习之后提高解决问题的能力。然而，学生在自主解决问题时存在很多困难，主要包括：

（1）为了满足课程组中教学内容的合理性，工程问题的提出也是一个至关重要的问题；

（2）解決工程实际问题所需的知识往往不是单纯出现在课本中，需要查找更多的资料，这可能导致很多无效的工作时间产生；

（3）实际工程问题较为复杂，需要多人合作对问题进行分解后进行求解；

（4）合理的评价和考核方式在维持这一教学模式中会起到重要作用，而传统的以课堂作业以及考试为主的评价和考核方式难以满足这一需求。

为了解决这些关键问题，本文以开发的综合性实验平台为基础，（1）建立案例库，并将案例根据故障信息流等逻辑主线进行分解，形成“工程问题”数据库，保证工程实践教学模式中对知识点的安排有据可依；（2）由教师对解决问题的思路进行引导，以递归的方式不断缩小问题集合，最终得到合理的解决方案；（3）形成独立的分组模式以及组内角色的轮换机制，从而保证每个人对知识掌握的完整性；（4）以解决方案的合理性、独立性、创新性以及结果的正确性和时间分配的合理性为原则进行评价，从而更加准确地对学生的学习过程和结果进行考核。

四、结论

本文针对维修工程类专业的性质，以及智能检测与诊断课程组对教学模式的特殊需求展开研究。文中所提出的教学模式创新地提出以课程组为整体安排教学内容，并提出了以问题出发，在建立的综合实验平台的基础上让学生在教师的引导下主动地挖掘知识。这样的教学过程与传统教学模式中的案例教学、课程设计过程存在的最主要的区别是学生能够利用已有的知识去探索未知的信息，而并非单纯地利用学过的知识解决特定的问题。

参考文献

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[5]金洋，陈聪.基于网络实验平台的实验教学模式研究[J].新教育时代电子杂志：教师版，2016（14）.

作者简介：金洋（1984.01-），讲师，博士，主要研究方向：飞行器智能诊断。