工程测试与信息处理课程挑战性教学实践

柴 凯，刘树勇，李 婧

海军工程大学，湖北武汉 430033

“工程测试与信息处理”是全球工科院校开设的一门重要的基础课程，是船舶动力工程、机械设计制造及其自动化专业学科基础模块的主干课程，旨在为后续课程如自动控制、机械设备状态监测与故障诊断内容的学习，以及所从事的技术工作如信号测试、传感器设计、计量校准工作打下坚实的基础。在学习过程中，需要综合应用诸如数学、物理学、电工学、力学、控制工程及计算机技术等多学科的理论，并且力求理论与实践的有机结合。

但在传统的教学过程中，学生对传感器原理、信号分析处理等知识的“灌输”感到枯燥、远离实际。为了提高工程测试与信息处理课堂教学的有效性，根据教育家维果斯基“最近发展区”理论，设计了“工程测试与信息处理”课程的挑战性教学模式。

1 挑战性教学理论

挑战性学习的主旨是激发自我，调动潜能，克服困难，享受成功，即“痛并快乐着”。通过激发学生学习兴趣，促进学员积极思考，提高课堂实效，培养学生挑战“不可能”问题的勇气和自信。

维果斯基“最近发展区”理论认为，学生的发展有两种水平：一种是学生现有的水平，即独立活动时所能达到的解决问题的水平；另一种是学生可能的发展水平，也就是通过教学所获得的潜力。两者之间的差异为最近发展区。教学应该着眼于学生的最近发展区，为学生提供带有一定难度的内容，调动学生的积极性，发挥其潜能，超越其最近发展区而达到下一发展阶段的水平，然后在此基础上进行下一个发展区的开发。

挑战性教学是高等院校教学研究的热点。孙宏斌的研究表明由于课程集自主性、开放性、研究性、技巧性、综合性和趣味性为一体，能够吸引大量学生参与，甚至超过本校范围，学生能沉浸其中；而对于跨学科问题，能够激发学生组团作战，集智攻关[1]。李宗慧以案例分析的形式对探究性学习中的挑战性进行分析，强调教学过程中要处理好学生学习主动性和教师指导的适时性、问题意识培养与知识讲解、信息收集与处理信息的能力、学会学习与教会学习等问题[2]。赵必华运用结构方程模型，研究学习结果影响因素；教学中，提高学业挑战性是不可忽视的重要环节，建议学校应建构全方位生师互动系统，提升学生的学业挑战性，促进学生学业发展，提高教育质量[3]。吴桂翎研究国内外不同类型大学的教学特点，认为挑战性是所有大学的重要特征[4]。

2 挑战性教学实践

2.1 挑战性问题的设计

挑战性问题应具有前沿性、综合性和开放性，具有合适的挑战度[5]。根据这一标准，结合工程实际情况，工程测试与信息处理课程中传感器讲授部分设计的挑战性问题如下：船舶在航行训练过程中，舵机液压系统出现渗油故障，将导致船舶的操纵性受到严重影响。为了能够避免故障继续恶化，影响任务的实施，应用所学知识设计一种能够对渗油故障进行检测报警的方案，从而在早期能够发现并尽早修复故障。教学组织实施分为如下五步：全班分成5 组，每组7 人；小组提交设计方案；自评；分组答辩，小组互评；老师点评。

挑战度分析：因为在工程实际中，设备大量泄漏可以直接目视检查出来。但小渗漏很不容易早期发现。小洞不补，大洞二尺五。这类故障可能导致大的泄漏。另一方面，小渗漏可能预示着接头松动或者油液中有污染颗粒导致精密偶件磨损，最终将影响控制系统工作和设备运行的安全性。小渗漏难以监测是船舶动力系统操作管理人员的共识。这是一个挑战性较大的问题，需要开动脑筋，精诚团结，通力合作，科学制订方案。

2.2 解决方案设计

第一小组的方案是利用所学的知识设计了一种电容式传感器。工作原理是当渗透的液压油流入到电容中，会使电容传感器的介电常数发生变化，从而电容发生变化。加工一个检测电容变化的报警电路，可以监测这个渗漏故障。答辩问题一：小泄漏时，电容两个极板间油液渗透速度慢，影响监测的实时性，如何解决呢？第一组同学经过仔细研究后，创造性地提出了两个加强措施：一是在上极板上面加工小的渗透孔，使油液能够顺畅流入板内；二是采用吸油性能好的材料作为电容的电介质。答辩问题二：如何提高检测系统灵敏度？第一组提出采用具有蝴蝶效应的混沌电路，在输入发生小的变化时，就会由于混沌效应，产生大的输出，实现弱信号检测。这是一个非常具有挑战性的答辩，从这个答辩中，可以看到学生将理论应用于实际的能力非常强，也具有很宽广的知识面和较强信息检索能力。给出的方案也超出了传统的“教材知识”。

第二小组的方案是采用红外监测。其工作原理是根据普朗克定律，当温度大于绝对零度时，物体会辐射红外，温度不同辐射的能量不同，辐射的波长也不同。由于渗漏故障发生时，设备上的温度不同，被监测部位的红外特征必然不同，因此可以检测出渗漏。特别是，当液压系统工作一段时间后，油液的温度会升高，泄漏出来后，将导致红外特征发生明显改变。做一个红外监测电路即可。答辩问题：该方案需要考虑距离、表面粗糙度、材料辐射率、其他热源的影响。小组回答：已经考虑了这些因素，实际加工中需要进行定量分析和校准。

第三小组的方案是超声波方法进行监测。在管路监测位置设计一个超声波试块和探头，当没有泄露时，超声波和试块之间有空气层，超声波不能够透射进入试块中，不会产生试块底面回波信号。相反，如果泄漏故障发生了，油液将填充空气间隙，探头和试块形成耦合，使得超声波能够进入试块，则底面回波就会产生，因此可以监测到泄漏故障。答辩问题：试块的安装在实际工程中有一定的难度；如果泄漏量少，如何提高收集漏油装置的有效性，确保监测系统的灵敏度。小组回答：可以设计引流装置，将泄漏的油滴进行汇集，并将测试的信号进行远程发送，或者在云端保存，形成船舶管网监测态势图。

第四小组的方案是固有频率的监测方法。用吸油能力强且有一定弹性的松紧带和质量块组成一个振动系统。当泄漏时，由于泄漏的油液被线条吸收，其刚度和阻尼发生变化，因此，振动系统的固有频率发生变化，只要监测系统的固有频率，就可以知道系统是否漏油。答辩问题：是否需要设计一个脉冲激发装置以及信号采集分析软件，提取信号的频率，识别系统固有频率的变化。小组回答：设计了电磁式脉冲激发装置，编写特征频率分析软件。

第五小组的方案是光敏传感器法。先使一束光透射过滤纸，如果设备泄漏油液，则它将被滤纸吸收，从而导致其透光性变差，可以在光敏传感器输出相应信号，比如用光敏电阻。这样，通过光敏监测电路实现渗漏的监测。答辩问题：虽然当前光敏传感器的技术非常成熟，设计过程中需要考虑温度补偿、外界入射光的干扰。小组回答：细节问题在加工制作过程中对软件和硬件系统集成调试。

2.3 效果评价

针对提出的五种方案，从五个方面进行了评估，主要包括：设计是否具有创新性、团队是否相互合作、是否阅读了相关文献并收集到有效信息、是否对课程基本知识掌握、是否解决了所提出的船舶动力工程实际问题等方面。各方案评价结果如表1 所示。

表1 各方案评估结果

对表1 中各项评价结果进行分析，可以清晰地看到各小组表现出很强的创新能力，能够针对实际工程问题提出具有独创性的方案，尤其第一小组成绩突出，在每个子项目上都得到了A+的好成绩。事实上，该组成员文献阅读量大，涉猎的知识面广，搜索的信息新，如提到了混沌蝴蝶效应的应用、传感器的弱信号检测等都是国际上非常前沿的探索；在工程实现上，基于电容式传感器的监测电路也可以方便地实现。红外式监测方法和超声波式监测方法在工程实现过程中比较复杂，红外监测受外部温度环境、反射等因素的影响，需要补偿。超声波探头需要精心设计与设备匹配才能有效使用。测量固有频率的监测方法在工程实现时，需要设计定时脉冲激励装置和频率精密测量装置，所有系统更为复杂。光敏式监测方法，通过透射光变弱的现象进行监测，但实际应用时，对小渗透介质的收集以及装置的安装都有一定的难度。尽管有许多不足，但教学实施过程中，激发了学生的学习兴趣，要求学生改变“等靠要”的学习模式，再造了主动参与、集智攻关、适应信息时代要求的挑战性学习流程。教学过程中还需要进一步改进的地方，例如采用多种方式激发群体学习。每个小组成员都有自己的特长，通过相互学习，讨论加辩论，碰撞出思想的火花，从而会产生新的想法，找到灵感。教师可通过小组比赛、小组答辩、点评来激发群体学习的积极性；需要改革评价的方式。挑战性教学的评价方式很多[6]，这里选择了分项指标评价，仍然还有一些不足，比如：对学生情感的培养、价值塑造、动手能力等。

通过挑战性教学尝试，证实了“最近发展区”理论对“工程测试与信息处理”课程教学的重要指导意义，本质上体现了以学生为中心的教学理念。挑战性问题的设置，着眼学生未来的发展前景，紧紧将工程测试与未来的信息技术发展结合在一起；同时考虑到问题的解决方案是学生自主讨论、研究提出的，而不是老师“灌输”的，通过这种问题导向，体现了以学生的学习为中心。实践表明，通过设置真实的学习情境，可以极大地激发学生的学习兴趣和挑战热情。因为这个问题是实船上确实存在待解决的问题，学生都渴望能够应用所学的知识来破解难题；教学过程中发现学生具有很强的自觉性，能够主动查找资料、主动提问，为了搞清一个知识点，不局限于请教授课老师，学会了走出课堂、实验室、院系，甚至校门；能够主动探索未知领域，如有些组在答辩过程中，认为自己方法不仅可以监测油料微量渗透，也可以监测水的微量渗透，还可以推广到监测气体的微漏。这些问题都是工程实际中的难题。

同时，挑战性教学对教学团队也提出了更高的要求，例如：挑战性题目的设计，挑战性学习课程的遴选、课程挑战度的衡量、挑战课程的推广等；需要进一步丰富与工程测试相关课外活动，例如：设备健康监测俱乐部、智能故障诊断工作室，提高学生的实践能力，为学生提供及时的、有价值的咨询和服务。学生自主学习是十分重要的，但自主性不是天生的，而是由老师培养产生的，学生在学习过程中，老师如果在恰当的时间给予恰当的指导，就能使学生自主学习的能力更强。