以能力培養(yǎng)為主導(dǎo)的民航工程類課程教學改革探究
——以“飛機故障診斷技術(shù)”課為例

一、課程定位及特點

“飛機故障診斷技術(shù)”是面向航空工程學院本科生開設(shè)的核心主干課程。“飛機故障診斷技術(shù)”以培養(yǎng)民航維修高級工程師為目標，講解了飛機故障診斷基本概念及相關(guān)理論，著重介紹了飛機故障診斷和狀態(tài)監(jiān)控的方法和技術(shù)，在注重理論深度的基礎(chǔ)上，與機務(wù)維修行業(yè)的實際相結(jié)合，培養(yǎng)學生對于飛機故障診斷的工程分析能力。目前選用兵器工業(yè)出版社的《飛機故障診斷與監(jiān)控技術(shù)》為教材。

“飛機故障診斷技術(shù)”課程于本科四年級上學期開設(shè)，具有很強的理論性、綜合性和工程性。課程內(nèi)容具有一定的理論深度，介紹的多種診斷理論及方法在研究領(lǐng)域發(fā)展較為成熟，分支眾多，體系完整，在實際工程應(yīng)用中具有一定先進性。課程知識點涉及的知識學科較為廣泛，有計算數(shù)學、數(shù)理邏輯、概率論、數(shù)理統(tǒng)計、電路、力學等基礎(chǔ)理論，也涵蓋了如液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、飛行操縱系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、指示和告警系統(tǒng)等飛機系統(tǒng)方面的專業(yè)知識，對知識點的理解與應(yīng)用需要綜合多學科的知識。課程面向飛機故障診斷與視情維修的實際，強調(diào)診斷理論與方法在工程實際中的應(yīng)用，以培養(yǎng)學生工程化思維和工程化能力。

通過“飛機故障診斷技術(shù)”課程的學習，能夠使學生理解飛機故障查找、分析、診斷和排除遵循的基本思路和原則，掌握飛機故障診斷和狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)所需的基礎(chǔ)理論和基本方法，并能夠結(jié)合工程實際加以靈活運用。

二、課程當前存在問題剖析

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，我國從制造大國走向制造強國需要高水平的工程人力資源保障。我國已于2013年6月加入了《華盛頓協(xié)議》，這標志著工程教育體系進入國際工程教育聯(lián)盟，工程教育專業(yè)認證是我國高等工程教育界面臨的機遇和挑戰(zhàn)。新的時代對高等工程教育提出了更高的要求，高等工程教育必須與時俱進深化改革。

現(xiàn)對“飛機故障診斷技術(shù)”課程存在的問題進行剖析。

1.理論內(nèi)容與工程實際結(jié)合較少。“飛機故障診斷技術(shù)”課程介紹了飛機故障診斷相關(guān)的基本概念及基本理論，并以此為基礎(chǔ)，介紹了故障診斷和狀態(tài)監(jiān)控的經(jīng)典方法和相關(guān)技術(shù)。依據(jù)課程文件進行統(tǒng)計，從知識點分布來看，“飛機故障診斷技術(shù)”課程涉及知識點94個，具體分析如圖1-2所示。

圖1 理論知識和方法技術(shù)的比重圖

由圖1可知，“飛機故障診斷技術(shù)”課程理論知識點共計40個；方法技術(shù)類型的知識點共計54個。

圖2 知識點與工程實際結(jié)合的比重圖

由圖2可知，與工程實際結(jié)合的知識點僅有20個，其余知識點沒有工程實際支持，大多以對方法技術(shù)的原理講授和驗證為主，與工程實際結(jié)合的內(nèi)容較少。

可見，當前“飛機故障診斷技術(shù)”課程理論內(nèi)容與工程實際結(jié)合較少。究其原因，大致有如下幾點：

（1）授課重理論，少應(yīng)用。由于當前課程中，部分理論方法有一定深度，在教學計劃中將教學重點放在了概念、原理的闡述上，對于運用所學的原理解決工程應(yīng)用中實際問題的訓練少，使得學生難以學以致用。

（2）沒有實踐課時。“飛機故障診斷技術(shù)”課程的課時分配為36學時，全部為理論學時，未設(shè)置專門的實踐課時。在理論課時中加入大量的工程實踐環(huán)節(jié)，將會影響正常的教學進度，這使得理論與實際的結(jié)合在時間上不能夠得到保證。

（3）知識更新落后，先進性不足。近年來，飛機故障診斷技術(shù)發(fā)展迅速，一些新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如南航的飛機遠程故障診斷、東航與GE合作的基于大數(shù)據(jù)的遠程診斷解決方案等，都是行業(yè)認可并積極探索使用的技術(shù)方法，而在“飛機故障診斷技術(shù)”課程并未介紹。因此，課程在工程實踐的先進性和引領(lǐng)性方面是有所欠缺的。

由于課程在工程實際結(jié)合方面的不足，使得學生分析問題解決問題的能力不足，在考試中也有明顯表現(xiàn)。表1（P56）為2016—2017學年度飛行器動力工程專業(yè)學生試卷成績細分表，其中對工程應(yīng)用結(jié)合類題目進行了標注，學生普遍得分較低。

表1 2016—2017學年度飛行器動力工程專業(yè)學生試卷成績細分表

2.教學手段單一、考核方式單一。依據(jù)課程文件進行統(tǒng)計，從授課方式來看，“飛機故障診斷技術(shù)”課程94個知識點，36個學時，不同授課方式所占學時的比重如圖3所示。

圖3 不同授課方式所占學時比重圖

由圖3可以看出，“飛機故障診斷技術(shù)”課程中大部分內(nèi)容以講授為主，共計27學時，部分教學內(nèi)容以案例分析與討論、實例講解、實例練習、視頻演示等教學方式進行授課，教學手段明顯較為單一。

課程考核方式為閉卷筆試、題庫出題。課程最終成績由平時成績和期末考試卷面成績按學校規(guī)定的比例構(gòu)成。平時考核的成績占總評成績的15%，期末考試的成績占總評成績的85%。課程的考核方式也較為單一。

單一的教學和考核方式在一定程度上影響了學生的學習效果，主要表現(xiàn)在如下幾方面：

（1）難以激發(fā)學生的學習興趣。單一的教學手段使得學生獲取知識較為被動，學習過程參與度較低，難以激發(fā)學生的學習興趣。

3.不同專業(yè)授課針對性差。“飛機故障診斷技術(shù)”面向飛行器制造工程、飛行器動力工程兩個專業(yè)開設(shè)，由于不同專業(yè)的培養(yǎng)方案的不同、課程性質(zhì)的差異，使得教學情景有明顯不同，這就要求課程的講授具有針對性，而當前的課程內(nèi)容并不具備。

（1）培養(yǎng)方案的不同。對于“飛機故障診斷技術(shù)”這門綜合性較強的課程，學生原有的知識和能力對于新知識的學習有較大影響。飛行器制造工程、飛行器動力工程兩個專業(yè)的培養(yǎng)方案各不相同，前續(xù)課程的設(shè)置有所差異。如飛行器制造工程專業(yè)學生設(shè)有飛機結(jié)構(gòu)與強度、飛機液壓與燃油系統(tǒng)、飛機空調(diào)與機艙設(shè)備、飛機操縱與起落架等必修課程，對飛機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的構(gòu)造、原理進行了詳細的學習。飛行器動力工程專業(yè)學生設(shè)有航空發(fā)動機構(gòu)造、航空發(fā)動機原理、航空發(fā)動機控制基礎(chǔ)、發(fā)動機機隊管理等專業(yè)課程，對發(fā)動機的知識學習更加深入。可見前序知識對本門課程的支持是存在差異的，這將直接影響學生的學習效果，因此在教學設(shè)計過程中應(yīng)有所彌補。

（2）課程性質(zhì)的差異。“飛機故障診斷技術(shù)”課程對飛行器制造工程、飛行器動力工程兩個專業(yè)的課程性質(zhì)不同。對于飛行器制造工程專業(yè)，課程為必修課；對于飛行器動力工程專業(yè)，課程為選修課。課程性質(zhì)不同使得選課人數(shù)有明顯不同，如表2所示。

表2 飛行器制造工程、飛行器動力工程專業(yè)選課人數(shù)

由表2可知，飛行器制造工程專業(yè)每班學生人數(shù)有六七十人；飛行器動力工程專業(yè)每班學生人數(shù)往往二三十人。班型的不同也要求教學設(shè)計有相應(yīng)的改變。

三、課程建設(shè)措施

1.加強理論在解決行業(yè)典型工程問題中的應(yīng)用。隨著高等工程教育改革的深化，“實踐應(yīng)用是工程專業(yè)的根本”已成為當今國際高等工程教育界的普遍共識。“飛機故障診斷技術(shù)”是具有理論深度和工程背景的課程，為加深學生對知識的理解，提高學生對知識的工程應(yīng)用能力，應(yīng)理論與實踐并重、知識與工程實際相結(jié)合，教學中加強理論在解決行業(yè)典型工程問題中的應(yīng)用。

當前“飛機故障診斷技術(shù)”課程理論知識部分較為完整，但理論的工程應(yīng)用部分較為薄弱。因此，課程組通過調(diào)研，依據(jù)當前業(yè)界研究熱點及實際問題，凝練了與教學內(nèi)容相關(guān)的典型工程問題，作為重要環(huán)節(jié)融入教學過程，以供學生進行工程分析和理論應(yīng)用實踐。

凝練的主要典型工程問題：

酒評：這個混合了多個產(chǎn)區(qū)精華混釀的赤霞珠，在全新的美國橡木桶中陳年20個月。2014年份有部分來自Wrattonbully這個葡萄園，是當年舒伯特時期所沒有出現(xiàn)過的葡萄園，這意味著奔富的釀酒團隊仍在不斷地創(chuàng)新和探索，想要追尋更加完美和優(yōu)質(zhì)的佳釀，一直在追尋更好。

（1）根據(jù)當前業(yè)界研究熱點，凝練典型工程問題。大數(shù)據(jù)毫無疑問是當前比較熱的一個研究領(lǐng)域，數(shù)據(jù)變成重要資源，這不僅意味著海量、多樣、快速的數(shù)據(jù)處理和技術(shù)創(chuàng)新，更為重要的是如何利用好數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中挖掘出知識。

民航飛機在每天的運營過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這其中就含有與飛機健康狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如何利用這些數(shù)據(jù)去對飛機進行健康管理正成為當今行業(yè)的研究熱點。例如南航自主研發(fā)了飛機遠程診斷實時跟蹤系統(tǒng)，東航則與GE合作開展基于大數(shù)據(jù)的飛機發(fā)動機故障診斷。

“飛機故障診斷技術(shù)”課程組認為應(yīng)當緊跟行業(yè)前沿，將業(yè)界利用大數(shù)據(jù)進行故障診斷的模式引入課程，提煉相關(guān)工程問題對學生進行訓練。目前開展的主要工作有：收集海量的飛機QAR數(shù)據(jù)。前期通過調(diào)研，收集了5T的QAR數(shù)據(jù)，設(shè)計了訓練題目。目前設(shè)計的訓練題目主要有兩類，一類是趨勢分析類，一類是參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性分析。

（2）基于歷史維修數(shù)據(jù)，凝練典型工程問題，將經(jīng)典故障診斷方法與實際問題結(jié)合起來。課程組通過調(diào)研獲取某機隊的歷史故障數(shù)據(jù)，篩選出典型故障（多發(fā)故障），提煉工程問題，通過對題目的設(shè)計形成教學案例，訓練學生運用所學的診斷方法，依據(jù)數(shù)據(jù)信息進行量化分析，得到診斷模型，并通過數(shù)據(jù)量的增加對模型進行改進優(yōu)化。

（3）根據(jù)典型特色故障，凝練相應(yīng)的工程問題。

例如由于柳絮造成的空調(diào)系統(tǒng)故障問題的提煉。這個問題一方面是困擾機務(wù)維修界的季節(jié)性多發(fā)性故障，另一方面柳絮問題也是天津春季的一個特色。這個問題非常接地氣兒，極大地引發(fā)學生的學習興趣。針對此問題，課程組收集了大量空客A320型飛機空調(diào)組件參數(shù)與散熱器堵塞程度數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的設(shè)計，訓練學生利用課程所學方法建立相應(yīng)模型去預(yù)測散熱器堵塞情況，并提出合理的更換散熱器時間。

隨著課程改革的深入，將會有更多與工程相結(jié)合的實例應(yīng)用到教學當中。

典型工程問題的凝練可以很好地將理論與行業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來，在提高學生參與度、激發(fā)學生學習興趣的同時，注重工程應(yīng)用。具體實施過程：在相關(guān)的理論方法講授完畢后，將工程問題及支持數(shù)據(jù)以工作包的形式發(fā)放給每個學生分組（三五人一組）。每個學生分組的工程問題或數(shù)據(jù)內(nèi)容有所不同。學生利用課下時間，分析工程問題和數(shù)據(jù)信息，收集查閱相關(guān)資料，設(shè)計相應(yīng)的分析步驟、所用方法及可能的優(yōu)化改進需求，形成設(shè)計報告，提交給老師進行指導(dǎo)評閱。設(shè)計方案通過后，綜合運用各種理論方法，適當改進優(yōu)化，得出分析結(jié)論，最終形成研究報告，提交作為評分依據(jù)。

典型工程問題的凝練，使每個學生完整地參與了工程問題分析解決的整個過程，是鍛煉學生工程思維和工程能力的有效教學手段。由于具體實施大多利用學生的課余時間，對學生的自覺性要求較高，同時教師應(yīng)加強對學生的工作進度和工作質(zhì)量的管理。此外，對于較大班型的班級，由于學生分組數(shù)量較多，教師指導(dǎo)工作量較大，對教師的管理能力和責任心提出了較高的要求。

2.設(shè)計與開發(fā)課內(nèi)實驗。課內(nèi)實驗?zāi)軌蛟诶碚摻虒W的同時，注重知識的應(yīng)用性，從而加深對知識的理解和認識。

課內(nèi)實驗設(shè)計需對課程內(nèi)容進行模塊化劃分，每一模塊對應(yīng)一個課內(nèi)實驗，依據(jù)對知識點的要求設(shè)定實驗?zāi)繕耍M而細化具體的實驗要求、步驟及所需軟硬件支持。課內(nèi)實驗與課程教學緊密聯(lián)系，在教學課時中統(tǒng)一完成。學生通過對不同實驗案例的分析、計算和操作，獨立完成實驗，并提交實驗報告。課內(nèi)實驗中每個學生獨立完成實驗內(nèi)容，有助于提高學生的獨立思考能力。

本人作為項目負責人依托我校的教育教學改革研究課題，設(shè)計完成了故障樹分析課內(nèi)實驗，并開發(fā)了相應(yīng)的故障樹分析智能教學平臺，該平臺將應(yīng)用于2016版培養(yǎng)方案中。故障樹分析方法的部分理論教學與課內(nèi)實驗將于虛擬維修實驗室（40臺機位）進行。在理論講授的同時，設(shè)置具體故障實例，讓學生利用教學平臺進行故障分析、故障樹建立及故障的定性定量分析。

此外，課程組將基于虛擬儀器的無損檢測課內(nèi)實驗和智能診斷課內(nèi)實驗列入計劃，將陸續(xù)開始建設(shè)；相應(yīng)的實驗平臺的設(shè)計也將同步開展。

3.注重差異化教學。

（1）面對不同專業(yè)學生的差異化教學。奧蘇伯爾認為：學生是否能吸取到新的信息與學生認知結(jié)構(gòu)中已有的有關(guān)概念和經(jīng)驗有很大關(guān)系。“飛機故障診斷技術(shù)”課程面向兩個不同專業(yè)開設(shè)，分別是飛制和飛動。由于前續(xù)課程設(shè)置的差異，學生的知識體系和認知結(jié)構(gòu)有所不同。飛制學生在飛機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)方面專業(yè)知識比較扎實，而飛動學生則對發(fā)動機方面的知識比較擅長。因此在教學案例的選擇上要有所區(qū)別，例如在給飛制學生授課時案例可以選取空調(diào)系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等典型故障進行分析討論，而飛動學生可以列舉發(fā)動機啟動系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等典型故障進行分析討論。同樣，在健康診斷方面，飛制學生可以選取空調(diào)、氧氣系統(tǒng)作為遠程診斷案例，對飛動學生則可以選取發(fā)動機性能監(jiān)控作為案例進行討論分析。通過選取與學生專業(yè)更加對口的案例進行講授，一方面學生理解起來更加容易，另一方面這樣的案例也更容易引起學生的興趣。

（2）由于班型不同的差異化教學。班型的不同要求教師在授課方式上要有所不同。例如在進行案例分享的時候，人數(shù)在20人左右的班型，可以直接在課內(nèi)采用討論式教學，而人數(shù)在70人左右的班型，為了保證更多的學生參與進來，則需要提前對學生進行分組，并將討論的內(nèi)容提前發(fā)給學生，在下次課程再進行討論。

4.考核配套。“飛機故障診斷技術(shù)”課程以理論基礎(chǔ)和實踐能力并重為課程目標，因此考核方式應(yīng)與之匹配。結(jié)合日常考勤、課內(nèi)實驗、課內(nèi)作業(yè)、筆試考試等多種形式，對學生學習效果進行考核。具體考核方式如表3所示。

表3 課程考核方式

5.師資與知識更新。隨著時代的發(fā)展和社會、經(jīng)濟、技術(shù)的不斷進步，專業(yè)在發(fā)展，知識在更新，教師的專業(yè)知識素養(yǎng)和課程教學也要與時俱進，不斷深化和發(fā)展。

“飛機故障診斷技術(shù)”是極具工程背景的課程，任課教師應(yīng)具有相應(yīng)的工程素養(yǎng)。學校一貫重視與一線企業(yè)的交流，支持教師到企業(yè)掛職鍛煉，更好地了解工程實際對課程的需求，發(fā)現(xiàn)工程問題并提煉出理論問題，融入到課程教學當中。近期學校與南方航空合作申請的民航維修工程中心也將為教師的工程能力提升帶來新的契機。

課程教學以工程實際應(yīng)用為導(dǎo)向，不斷更新民用航空領(lǐng)域的新趨勢、新技術(shù)、新方法，如南航的飛機遠程故障診斷、東航與GE合作的基于大數(shù)據(jù)的遠程診斷解決方案等，使課程內(nèi)容緊貼行業(yè)前沿，這樣，既能提高學生的學習興趣，又潛移默化地提升學生的學習能力和知識面。同時，科學規(guī)劃，合理取舍，將最新的學術(shù)成果及時、合理地應(yīng)用到教學活動中去，開闊學生視野，打開思路，保持對學術(shù)前沿的敏感度。

對于“飛機故障診斷技術(shù)”這樣一門在理論和實踐方面均有較高要求的課程，應(yīng)不斷深化教學改革，加強與工程實踐的結(jié)合力，實現(xiàn)理論和實踐并重；豐富教學手段和方法，引入項目化教學、課內(nèi)實驗，并做好軟硬件的支持和保障；同時，分析不同的專業(yè)的實際情況，做到授課內(nèi)容和方式有針對性；此外，注重知識更新，做到教學內(nèi)容緊跟飛機機型的變更以及飛機維護和修理技術(shù)的發(fā)展；不斷提高教師的教學能力和工程實踐能力，才能切實提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)出行業(yè)認可度高的學生。

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