以能力培养为主导的民航工程类课程教学改革探究——以“飞机故障诊断技术”课为例

一、课程定位及特点

“飞机故障诊断技术”是面向航空工程学院本科生开设的核心主干课程。“飞机故障诊断技术”以培养民航维修高级工程师为目标，讲解了飞机故障诊断基本概念及相关理论，着重介绍了飞机故障诊断和状态监控的方法和技术，在注重理论深度的基础上，与机务维修行业的实际相结合，培养学生对于飞机故障诊断的工程分析能力。目前选用兵器工业出版社的《飞机故障诊断与监控技术》为教材。

“飞机故障诊断技术”课程于本科四年级上学期开设，具有很强的理论性、综合性和工程性。课程内容具有一定的理论深度，介绍的多种诊断理论及方法在研究领域发展较为成熟，分支众多，体系完整，在实际工程应用中具有一定先进性。课程知识点涉及的知识学科较为广泛，有计算数学、数理逻辑、概率论、数理统计、电路、力学等基础理论，也涵盖了如液压系统、起落架系统、飞行操纵系统、空调系统、燃油系统、指示和告警系统等飞机系统方面的专业知识，对知识点的理解与应用需要综合多学科的知识。课程面向飞机故障诊断与视情维修的实际，强调诊断理论与方法在工程实际中的应用，以培养学生工程化思维和工程化能力。

通过“飞机故障诊断技术”课程的学习，能够使学生理解飞机故障查找、分析、诊断和排除遵循的基本思路和原则，掌握飞机故障诊断和状态监控技术所需的基础理论和基本方法，并能够结合工程实际加以灵活运用。

二、课程当前存在问题剖析

随着制造业的飞速发展，我国从制造大国走向制造强国需要高水平的工程人力资源保障。我国已于2013年6月加入了《华盛顿协议》，这标志着工程教育体系进入国际工程教育联盟，工程教育专业认证是我国高等工程教育界面临的机遇和挑战。新的时代对高等工程教育提出了更高的要求，高等工程教育必须与时俱进深化改革。

现对“飞机故障诊断技术”课程存在的问题进行剖析。

1.理论内容与工程实际结合较少。“飞机故障诊断技术”课程介绍了飞机故障诊断相关的基本概念及基本理论，并以此为基础，介绍了故障诊断和状态监控的经典方法和相关技术。依据课程文件进行统计，从知识点分布来看，“飞机故障诊断技术”课程涉及知识点94个，具体分析如图1-2所示。

图1 理论知识和方法技术的比重图

由图1可知，“飞机故障诊断技术”课程理论知识点共计40个；方法技术类型的知识点共计54个。

图2 知识点与工程实际结合的比重图

由图2可知，与工程实际结合的知识点仅有20个，其余知识点没有工程实际支持，大多以对方法技术的原理讲授和验证为主，与工程实际结合的内容较少。

可见，当前“飞机故障诊断技术”课程理论内容与工程实际结合较少。究其原因，大致有如下几点：

（1）授课重理论，少应用。由于当前课程中，部分理论方法有一定深度，在教学计划中将教学重点放在了概念、原理的阐述上，对于运用所学的原理解决工程应用中实际问题的训练少，使得学生难以学以致用。

（2）没有实践课时。“飞机故障诊断技术”课程的课时分配为36学时，全部为理论学时，未设置专门的实践课时。在理论课时中加入大量的工程实践环节，将会影响正常的教学进度，这使得理论与实际的结合在时间上不能够得到保证。

（3）知识更新落后，先进性不足。近年来，飞机故障诊断技术发展迅速，一些新方法、新技术不断涌现，如南航的飞机远程故障诊断、东航与GE合作的基于大数据的远程诊断解决方案等，都是行业认可并积极探索使用的技术方法，而在“飞机故障诊断技术”课程并未介绍。因此，课程在工程实践的先进性和引领性方面是有所欠缺的。

由于课程在工程实际结合方面的不足，使得学生分析问题解决问题的能力不足，在考试中也有明显表现。表1（P56）为2016—2017学年度飞行器动力工程专业学生试卷成绩细分表，其中对工程应用结合类题目进行了标注，学生普遍得分较低。

表1 2016—2017学年度飞行器动力工程专业学生试卷成绩细分表

2.教学手段单一、考核方式单一。依据课程文件进行统计，从授课方式来看，“飞机故障诊断技术”课程94个知识点，36个学时，不同授课方式所占学时的比重如图3所示。

图3 不同授课方式所占学时比重图

由图3可以看出，“飞机故障诊断技术”课程中大部分内容以讲授为主，共计27学时，部分教学内容以案例分析与讨论、实例讲解、实例练习、视频演示等教学方式进行授课，教学手段明显较为单一。

课程考核方式为闭卷笔试、题库出题。课程最终成绩由平时成绩和期末考试卷面成绩按学校规定的比例构成。平时考核的成绩占总评成绩的15%，期末考试的成绩占总评成绩的85%。课程的考核方式也较为单一。

单一的教学和考核方式在一定程度上影响了学生的学习效果，主要表现在如下几方面：

（1）难以激发学生的学习兴趣。单一的教学手段使得学生获取知识较为被动，学习过程参与度较低，难以激发学生的学习兴趣。

3.不同专业授课针对性差。“飞机故障诊断技术”面向飞行器制造工程、飞行器动力工程两个专业开设，由于不同专业的培养方案的不同、课程性质的差异，使得教学情景有明显不同，这就要求课程的讲授具有针对性，而当前的课程内容并不具备。

（1）培养方案的不同。对于“飞机故障诊断技术”这门综合性较强的课程，学生原有的知识和能力对于新知识的学习有较大影响。飞行器制造工程、飞行器动力工程两个专业的培养方案各不相同，前续课程的设置有所差异。如飞行器制造工程专业学生设有飞机结构与强度、飞机液压与燃油系统、飞机空调与机舱设备、飞机操纵与起落架等必修课程，对飞机结构与系统的构造、原理进行了详细的学习。飞行器动力工程专业学生设有航空发动机构造、航空发动机原理、航空发动机控制基础、发动机机队管理等专业课程，对发动机的知识学习更加深入。可见前序知识对本门课程的支持是存在差异的，这将直接影响学生的学习效果，因此在教学设计过程中应有所弥补。

（2）课程性质的差异。“飞机故障诊断技术”课程对飞行器制造工程、飞行器动力工程两个专业的课程性质不同。对于飞行器制造工程专业，课程为必修课；对于飞行器动力工程专业，课程为选修课。课程性质不同使得选课人数有明显不同，如表2所示。

表2 飞行器制造工程、飞行器动力工程专业选课人数

由表2可知，飞行器制造工程专业每班学生人数有六七十人；飞行器动力工程专业每班学生人数往往二三十人。班型的不同也要求教学设计有相应的改变。

三、课程建设措施

1.加强理论在解决行业典型工程问题中的应用。随着高等工程教育改革的深化，“实践应用是工程专业的根本”已成为当今国际高等工程教育界的普遍共识。“飞机故障诊断技术”是具有理论深度和工程背景的课程，为加深学生对知识的理解，提高学生对知识的工程应用能力，应理论与实践并重、知识与工程实际相结合，教学中加强理论在解决行业典型工程问题中的应用。

当前“飞机故障诊断技术”课程理论知识部分较为完整，但理论的工程应用部分较为薄弱。因此，课程组通过调研，依据当前业界研究热点及实际问题，凝练了与教学内容相关的典型工程问题，作为重要环节融入教学过程，以供学生进行工程分析和理论应用实践。

凝练的主要典型工程问题：

酒评：这个混合了多个产区精华混酿的赤霞珠，在全新的美国橡木桶中陈年20个月。2014年份有部分来自Wrattonbully这个葡萄园，是当年舒伯特时期所没有出现过的葡萄园，这意味着奔富的酿酒团队仍在不断地创新和探索，想要追寻更加完美和优质的佳酿，一直在追寻更好。

（1）根据当前业界研究热点，凝练典型工程问题。大数据毫无疑问是当前比较热的一个研究领域，数据变成重要资源，这不仅意味着海量、多样、快速的数据处理和技术创新，更为重要的是如何利用好数据，从数据中挖掘出知识。

民航飞机在每天的运营过程中会产生大量的数据，这其中就含有与飞机健康状态相关的数据，如何利用这些数据去对飞机进行健康管理正成为当今行业的研究热点。例如南航自主研发了飞机远程诊断实时跟踪系统，东航则与GE合作开展基于大数据的飞机发动机故障诊断。

“飞机故障诊断技术”课程组认为应当紧跟行业前沿，将业界利用大数据进行故障诊断的模式引入课程，提炼相关工程问题对学生进行训练。目前开展的主要工作有：收集海量的飞机QAR数据。前期通过调研，收集了5T的QAR数据，设计了训练题目。目前设计的训练题目主要有两类，一类是趋势分析类，一类是参数之间的关联性分析。

（2）基于历史维修数据，凝练典型工程问题，将经典故障诊断方法与实际问题结合起来。课程组通过调研获取某机队的历史故障数据，筛选出典型故障（多发故障），提炼工程问题，通过对题目的设计形成教学案例，训练学生运用所学的诊断方法，依据数据信息进行量化分析，得到诊断模型，并通过数据量的增加对模型进行改进优化。

（3）根据典型特色故障，凝练相应的工程问题。

例如由于柳絮造成的空调系统故障问题的提炼。这个问题一方面是困扰机务维修界的季节性多发性故障，另一方面柳絮问题也是天津春季的一个特色。这个问题非常接地气儿，极大地引发学生的学习兴趣。针对此问题，课程组收集了大量空客A320型飞机空调组件参数与散热器堵塞程度数据，通过相应的设计，训练学生利用课程所学方法建立相应模型去预测散热器堵塞情况，并提出合理的更换散热器时间。

随着课程改革的深入，将会有更多与工程相结合的实例应用到教学当中。

典型工程问题的凝练可以很好地将理论与行业应用结合起来，在提高学生参与度、激发学生学习兴趣的同时，注重工程应用。具体实施过程：在相关的理论方法讲授完毕后，将工程问题及支持数据以工作包的形式发放给每个学生分组（三五人一组）。每个学生分组的工程问题或数据内容有所不同。学生利用课下时间，分析工程问题和数据信息，收集查阅相关资料，设计相应的分析步骤、所用方法及可能的优化改进需求，形成设计报告，提交给老师进行指导评阅。设计方案通过后，综合运用各种理论方法，适当改进优化，得出分析结论，最终形成研究报告，提交作为评分依据。

典型工程问题的凝练，使每个学生完整地参与了工程问题分析解决的整个过程，是锻炼学生工程思维和工程能力的有效教学手段。由于具体实施大多利用学生的课余时间，对学生的自觉性要求较高，同时教师应加强对学生的工作进度和工作质量的管理。此外，对于较大班型的班级，由于学生分组数量较多，教师指导工作量较大，对教师的管理能力和责任心提出了较高的要求。

2.设计与开发课内实验。课内实验能够在理论教学的同时，注重知识的应用性，从而加深对知识的理解和认识。

课内实验设计需对课程内容进行模块化划分，每一模块对应一个课内实验，依据对知识点的要求设定实验目标，进而细化具体的实验要求、步骤及所需软硬件支持。课内实验与课程教学紧密联系，在教学课时中统一完成。学生通过对不同实验案例的分析、计算和操作，独立完成实验，并提交实验报告。课内实验中每个学生独立完成实验内容，有助于提高学生的独立思考能力。

本人作为项目负责人依托我校的教育教学改革研究课题，设计完成了故障树分析课内实验，并开发了相应的故障树分析智能教学平台，该平台将应用于2016版培养方案中。故障树分析方法的部分理论教学与课内实验将于虚拟维修实验室（40台机位）进行。在理论讲授的同时，设置具体故障实例，让学生利用教学平台进行故障分析、故障树建立及故障的定性定量分析。

此外，课程组将基于虚拟仪器的无损检测课内实验和智能诊断课内实验列入计划，将陆续开始建设；相应的实验平台的设计也将同步开展。

3.注重差异化教学。

（1）面对不同专业学生的差异化教学。奥苏伯尔认为：学生是否能吸取到新的信息与学生认知结构中已有的有关概念和经验有很大关系。“飞机故障诊断技术”课程面向两个不同专业开设，分别是飞制和飞动。由于前续课程设置的差异，学生的知识体系和认知结构有所不同。飞制学生在飞机结构与系统方面专业知识比较扎实，而飞动学生则对发动机方面的知识比较擅长。因此在教学案例的选择上要有所区别，例如在给飞制学生授课时案例可以选取空调系统、氧气系统、起落架系统等典型故障进行分析讨论，而飞动学生可以列举发动机启动系统、点火系统等典型故障进行分析讨论。同样，在健康诊断方面，飞制学生可以选取空调、氧气系统作为远程诊断案例，对飞动学生则可以选取发动机性能监控作为案例进行讨论分析。通过选取与学生专业更加对口的案例进行讲授，一方面学生理解起来更加容易，另一方面这样的案例也更容易引起学生的兴趣。

（2）由于班型不同的差异化教学。班型的不同要求教师在授课方式上要有所不同。例如在进行案例分享的时候，人数在20人左右的班型，可以直接在课内采用讨论式教学，而人数在70人左右的班型，为了保证更多的学生参与进来，则需要提前对学生进行分组，并将讨论的内容提前发给学生，在下次课程再进行讨论。

4.考核配套。“飞机故障诊断技术”课程以理论基础和实践能力并重为课程目标，因此考核方式应与之匹配。结合日常考勤、课内实验、课内作业、笔试考试等多种形式，对学生学习效果进行考核。具体考核方式如表3所示。

表3 课程考核方式

5.师资与知识更新。随着时代的发展和社会、经济、技术的不断进步，专业在发展，知识在更新，教师的专业知识素养和课程教学也要与时俱进，不断深化和发展。

“飞机故障诊断技术”是极具工程背景的课程，任课教师应具有相应的工程素养。学校一贯重视与一线企业的交流，支持教师到企业挂职锻炼，更好地了解工程实际对课程的需求，发现工程问题并提炼出理论问题，融入到课程教学当中。近期学校与南方航空合作申请的民航维修工程中心也将为教师的工程能力提升带来新的契机。

课程教学以工程实际应用为导向，不断更新民用航空领域的新趋势、新技术、新方法，如南航的飞机远程故障诊断、东航与GE合作的基于大数据的远程诊断解决方案等，使课程内容紧贴行业前沿，这样，既能提高学生的学习兴趣，又潜移默化地提升学生的学习能力和知识面。同时，科学规划，合理取舍，将最新的学术成果及时、合理地应用到教学活动中去，开阔学生视野，打开思路，保持对学术前沿的敏感度。

对于“飞机故障诊断技术”这样一门在理论和实践方面均有较高要求的课程，应不断深化教学改革，加强与工程实践的结合力，实现理论和实践并重；丰富教学手段和方法，引入项目化教学、课内实验，并做好软硬件的支持和保障；同时，分析不同的专业的实际情况，做到授课内容和方式有针对性；此外，注重知识更新，做到教学内容紧跟飞机机型的变更以及飞机维护和修理技术的发展；不断提高教师的教学能力和工程实践能力，才能切实提高教学质量，培养出行业认可度高的学生。

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