工程測試與信息處理課程挑戰性教學實踐

柴 凱，劉樹勇，李 婧

海軍工程大學，湖北武漢 430033

“工程測試與信息處理”是全球工科院校開設的一門重要的基礎課程，是船舶動力工程、機械設計制造及其自動化專業學科基礎模塊的主干課程，旨在為后續課程如自動控制、機械設備狀態監測與故障診斷內容的學習，以及所從事的技術工作如信號測試、傳感器設計、計量校準工作打下堅實的基礎。在學習過程中，需要綜合應用諸如數學、物理學、電工學、力學、控制工程及計算機技術等多學科的理論，并且力求理論與實踐的有機結合。

但在傳統的教學過程中，學生對傳感器原理、信號分析處理等知識的“灌輸”感到枯燥、遠離實際。為了提高工程測試與信息處理課堂教學的有效性，根據教育家維果斯基“最近發展區”理論，設計了“工程測試與信息處理”課程的挑戰性教學模式。

1 挑戰性教學理論

挑戰性學習的主旨是激發自我，調動潛能，克服困難，享受成功，即“痛并快樂著”。通過激發學生學習興趣，促進學員積極思考，提高課堂實效，培養學生挑戰“不可能”問題的勇氣和自信。

維果斯基“最近發展區”理論認為，學生的發展有兩種水平：一種是學生現有的水平，即獨立活動時所能達到的解決問題的水平；另一種是學生可能的發展水平，也就是通過教學所獲得的潛力。兩者之間的差異為最近發展區。教學應該著眼于學生的最近發展區，為學生提供帶有一定難度的內容，調動學生的積極性，發揮其潛能，超越其最近發展區而達到下一發展階段的水平，然后在此基礎上進行下一個發展區的開發。

挑戰性教學是高等院校教學研究的熱點。孫宏斌的研究表明由于課程集自主性、開放性、研究性、技巧性、綜合性和趣味性為一體，能夠吸引大量學生參與，甚至超過本校范圍，學生能沉浸其中；而對于跨學科問題，能夠激發學生組團作戰，集智攻關[1]。李宗慧以案例分析的形式對探究性學習中的挑戰性進行分析，強調教學過程中要處理好學生學習主動性和教師指導的適時性、問題意識培養與知識講解、信息收集與處理信息的能力、學會學習與教會學習等問題[2]。趙必華運用結構方程模型，研究學習結果影響因素；教學中，提高學業挑戰性是不可忽視的重要環節，建議學校應建構全方位生師互動系統，提升學生的學業挑戰性，促進學生學業發展，提高教育質量[3]。吳桂翎研究國內外不同類型大學的教學特點，認為挑戰性是所有大學的重要特征[4]。

2 挑戰性教學實踐

2.1 挑戰性問題的設計

挑戰性問題應具有前沿性、綜合性和開放性，具有合適的挑戰度[5]。根據這一標準，結合工程實際情況，工程測試與信息處理課程中傳感器講授部分設計的挑戰性問題如下：船舶在航行訓練過程中，舵機液壓系統出現滲油故障，將導致船舶的操縱性受到嚴重影響。為了能夠避免故障繼續惡化，影響任務的實施，應用所學知識設計一種能夠對滲油故障進行檢測報警的方案，從而在早期能夠發現并盡早修復故障。教學組織實施分為如下五步：全班分成5 組，每組7 人；小組提交設計方案；自評；分組答辯，小組互評；老師點評。

挑戰度分析：因為在工程實際中，設備大量泄漏可以直接目視檢查出來。但小滲漏很不容易早期發現。小洞不補，大洞二尺五。這類故障可能導致大的泄漏。另一方面，小滲漏可能預示著接頭松動或者油液中有污染顆粒導致精密偶件磨損，最終將影響控制系統工作和設備運行的安全性。小滲漏難以監測是船舶動力系統操作管理人員的共識。這是一個挑戰性較大的問題，需要開動腦筋，精誠團結，通力合作，科學制訂方案。

2.2 解決方案設計

第一小組的方案是利用所學的知識設計了一種電容式傳感器。工作原理是當滲透的液壓油流入到電容中，會使電容傳感器的介電常數發生變化，從而電容發生變化。加工一個檢測電容變化的報警電路，可以監測這個滲漏故障。答辯問題一：小泄漏時，電容兩個極板間油液滲透速度慢，影響監測的實時性，如何解決呢？第一組同學經過仔細研究后，創造性地提出了兩個加強措施：一是在上極板上面加工小的滲透孔，使油液能夠順暢流入板內；二是采用吸油性能好的材料作為電容的電介質。答辯問題二：如何提高檢測系統靈敏度？第一組提出采用具有蝴蝶效應的混沌電路，在輸入發生小的變化時，就會由于混沌效應，產生大的輸出，實現弱信號檢測。這是一個非常具有挑戰性的答辯，從這個答辯中，可以看到學生將理論應用于實際的能力非常強，也具有很寬廣的知識面和較強信息檢索能力。給出的方案也超出了傳統的“教材知識”。

第二小組的方案是采用紅外監測。其工作原理是根據普朗克定律，當溫度大于絕對零度時，物體會輻射紅外，溫度不同輻射的能量不同，輻射的波長也不同。由于滲漏故障發生時，設備上的溫度不同，被監測部位的紅外特征必然不同，因此可以檢測出滲漏。特別是，當液壓系統工作一段時間后，油液的溫度會升高，泄漏出來后，將導致紅外特征發生明顯改變。做一個紅外監測電路即可。答辯問題：該方案需要考慮距離、表面粗糙度、材料輻射率、其他熱源的影響。小組回答：已經考慮了這些因素，實際加工中需要進行定量分析和校準。

第三小組的方案是超聲波方法進行監測。在管路監測位置設計一個超聲波試塊和探頭，當沒有泄露時，超聲波和試塊之間有空氣層，超聲波不能夠透射進入試塊中，不會產生試塊底面回波信號。相反，如果泄漏故障發生了，油液將填充空氣間隙，探頭和試塊形成耦合，使得超聲波能夠進入試塊，則底面回波就會產生，因此可以監測到泄漏故障。答辯問題：試塊的安裝在實際工程中有一定的難度；如果泄漏量少，如何提高收集漏油裝置的有效性，確保監測系統的靈敏度。小組回答：可以設計引流裝置，將泄漏的油滴進行匯集，并將測試的信號進行遠程發送，或者在云端保存，形成船舶管網監測態勢圖。

第四小組的方案是固有頻率的監測方法。用吸油能力強且有一定彈性的松緊帶和質量塊組成一個振動系統。當泄漏時，由于泄漏的油液被線條吸收，其剛度和阻尼發生變化，因此，振動系統的固有頻率發生變化，只要監測系統的固有頻率，就可以知道系統是否漏油。答辯問題：是否需要設計一個脈沖激發裝置以及信號采集分析軟件，提取信號的頻率，識別系統固有頻率的變化。小組回答：設計了電磁式脈沖激發裝置，編寫特征頻率分析軟件。

第五小組的方案是光敏傳感器法。先使一束光透射過濾紙，如果設備泄漏油液，則它將被濾紙吸收，從而導致其透光性變差，可以在光敏傳感器輸出相應信號，比如用光敏電阻。這樣，通過光敏監測電路實現滲漏的監測。答辯問題：雖然當前光敏傳感器的技術非常成熟，設計過程中需要考慮溫度補償、外界入射光的干擾。小組回答：細節問題在加工制作過程中對軟件和硬件系統集成調試。

2.3 效果評價

針對提出的五種方案，從五個方面進行了評估，主要包括：設計是否具有創新性、團隊是否相互合作、是否閱讀了相關文獻并收集到有效信息、是否對課程基本知識掌握、是否解決了所提出的船舶動力工程實際問題等方面。各方案評價結果如表1 所示。

表1 各方案評估結果

對表1 中各項評價結果進行分析，可以清晰地看到各小組表現出很強的創新能力，能夠針對實際工程問題提出具有獨創性的方案，尤其第一小組成績突出，在每個子項目上都得到了A+的好成績。事實上，該組成員文獻閱讀量大，涉獵的知識面廣，搜索的信息新，如提到了混沌蝴蝶效應的應用、傳感器的弱信號檢測等都是國際上非常前沿的探索；在工程實現上，基于電容式傳感器的監測電路也可以方便地實現。紅外式監測方法和超聲波式監測方法在工程實現過程中比較復雜，紅外監測受外部溫度環境、反射等因素的影響，需要補償。超聲波探頭需要精心設計與設備匹配才能有效使用。測量固有頻率的監測方法在工程實現時，需要設計定時脈沖激勵裝置和頻率精密測量裝置，所有系統更為復雜。光敏式監測方法，通過透射光變弱的現象進行監測，但實際應用時，對小滲透介質的收集以及裝置的安裝都有一定的難度。盡管有許多不足，但教學實施過程中，激發了學生的學習興趣，要求學生改變“等靠要”的學習模式，再造了主動參與、集智攻關、適應信息時代要求的挑戰性學習流程。教學過程中還需要進一步改進的地方，例如采用多種方式激發群體學習。每個小組成員都有自己的特長，通過相互學習，討論加辯論，碰撞出思想的火花，從而會產生新的想法，找到靈感。教師可通過小組比賽、小組答辯、點評來激發群體學習的積極性；需要改革評價的方式。挑戰性教學的評價方式很多[6]，這里選擇了分項指標評價，仍然還有一些不足，比如：對學生情感的培養、價值塑造、動手能力等。

通過挑戰性教學嘗試，證實了“最近發展區”理論對“工程測試與信息處理”課程教學的重要指導意義，本質上體現了以學生為中心的教學理念。挑戰性問題的設置，著眼學生未來的發展前景，緊緊將工程測試與未來的信息技術發展結合在一起；同時考慮到問題的解決方案是學生自主討論、研究提出的，而不是老師“灌輸”的，通過這種問題導向，體現了以學生的學習為中心。實踐表明，通過設置真實的學習情境，可以極大地激發學生的學習興趣和挑戰熱情。因為這個問題是實船上確實存在待解決的問題，學生都渴望能夠應用所學的知識來破解難題；教學過程中發現學生具有很強的自覺性，能夠主動查找資料、主動提問，為了搞清一個知識點，不局限于請教授課老師，學會了走出課堂、實驗室、院系，甚至校門；能夠主動探索未知領域，如有些組在答辯過程中，認為自己方法不僅可以監測油料微量滲透，也可以監測水的微量滲透，還可以推廣到監測氣體的微漏。這些問題都是工程實際中的難題。

同時，挑戰性教學對教學團隊也提出了更高的要求，例如：挑戰性題目的設計，挑戰性學習課程的遴選、課程挑戰度的衡量、挑戰課程的推廣等；需要進一步豐富與工程測試相關課外活動，例如：設備健康監測俱樂部、智能故障診斷工作室，提高學生的實踐能力，為學生提供及時的、有價值的咨詢和服務。學生自主學習是十分重要的，但自主性不是天生的，而是由老師培養產生的，學生在學習過程中，老師如果在恰當的時間給予恰當的指導，就能使學生自主學習的能力更強。