工程測試與信息處理課程挑戰(zhàn)性教學(xué)實踐

2023-12-02 14:54劉樹勇

船舶職業(yè)教育 2023年6期

柴凱，劉樹勇，李婧

海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033

“工程測試與信息處理”是全球工科院校開設(shè)的一門重要的基礎(chǔ)課程，是船舶動力工程、機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學(xué)科基礎(chǔ)模塊的主干課程，旨在為后續(xù)課程如自動控制、機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷內(nèi)容的學(xué)習(xí)，以及所從事的技術(shù)工作如信號測試、傳感器設(shè)計、計量校準(zhǔn)工作打下堅實的基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)過程中，需要綜合應(yīng)用諸如數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電工學(xué)、力學(xué)、控制工程及計算機技術(shù)等多學(xué)科的理論，并且力求理論與實踐的有機結(jié)合。

但在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，學(xué)生對傳感器原理、信號分析處理等知識的“灌輸”感到枯燥、遠(yuǎn)離實際。為了提高工程測試與信息處理課堂教學(xué)的有效性，根據(jù)教育家維果斯基“最近發(fā)展區(qū)”理論，設(shè)計了“工程測試與信息處理”課程的挑戰(zhàn)性教學(xué)模式。

1 挑戰(zhàn)性教學(xué)理論

挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)的主旨是激發(fā)自我，調(diào)動潛能，克服困難，享受成功，即“痛并快樂著”。通過激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)員積極思考，提高課堂實效，培養(yǎng)學(xué)生挑戰(zhàn)“不可能”問題的勇氣和自信。

維果斯基“最近發(fā)展區(qū)”理論認(rèn)為，學(xué)生的發(fā)展有兩種水平：一種是學(xué)生現(xiàn)有的水平，即獨立活動時所能達(dá)到的解決問題的水平；另一種是學(xué)生可能的發(fā)展水平，也就是通過教學(xué)所獲得的潛力。兩者之間的差異為最近發(fā)展區(qū)。教學(xué)應(yīng)該著眼于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，為學(xué)生提供帶有一定難度的內(nèi)容，調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)揮其潛能，超越其最近發(fā)展區(qū)而達(dá)到下一發(fā)展階段的水平，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一個發(fā)展區(qū)的開發(fā)。

挑戰(zhàn)性教學(xué)是高等院校教學(xué)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(xué)生參與，甚至超過本校范圍，學(xué)生能沉浸其中；而對于跨學(xué)科問題，能夠激發(fā)學(xué)生組團(tuán)作戰(zhàn)，集智攻關(guān)[1]。李宗慧以案例分析的形式對探究性學(xué)習(xí)中的挑戰(zhàn)性進(jìn)行分析，強調(diào)教學(xué)過程中要處理好學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和教師指導(dǎo)的適時性、問題意識培養(yǎng)與知識講解、信息收集與處理信息的能力、學(xué)會學(xué)習(xí)與教會學(xué)習(xí)等問題[2]。趙必華運用結(jié)構(gòu)方程模型，研究學(xué)習(xí)結(jié)果影響因素；教學(xué)中，提高學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)性是不可忽視的重要環(huán)節(jié)，建議學(xué)校應(yīng)建構(gòu)全方位生師互動系統(tǒng)，提升學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)性，促進(jìn)學(xué)生學(xué)業(yè)發(fā)展，提高教育質(zhì)量[3]。吳桂翎研究國內(nèi)外不同類型大學(xué)的教學(xué)特點，認(rèn)為挑戰(zhàn)性是所有大學(xué)的重要特征[4]。

2 挑戰(zhàn)性教學(xué)實踐

2.1 挑戰(zhàn)性問題的設(shè)計

挑戰(zhàn)性問題應(yīng)具有前沿性、綜合性和開放性，具有合適的挑戰(zhàn)度[5]。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)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(shè)計的挑戰(zhàn)性問題如下：船舶在航行訓(xùn)練過程中，舵機液壓系統(tǒng)出現(xiàn)滲油故障，將導(dǎo)致船舶的操縱性受到嚴(yán)重影響。為了能夠避免故障繼續(xù)惡化，影響任務(wù)的實施，應(yīng)用所學(xué)知識設(shè)計一種能夠?qū)B油故障進(jìn)行檢測報警的方案，從而在早期能夠發(fā)現(xiàn)并盡早修復(fù)故障。教學(xué)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(shè)計方案；自評；分組答辯，小組互評；老師點評。

挑戰(zhàn)度分析：因為在工程實際中，設(shè)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(fā)現(xiàn)。小洞不補，大洞二尺五。這類故障可能導(dǎo)致大的泄漏。另一方面，小滲漏可能預(yù)示著接頭松動或者油液中有污染顆粒導(dǎo)致精密偶件磨損，最終將影響控制系統(tǒng)工作和設(shè)備運行的安全性。小滲漏難以監(jiān)測是船舶動力系統(tǒng)操作管理人員的共識。這是一個挑戰(zhàn)性較大的問題，需要開動腦筋，精誠團(tuán)結(jié)，通力合作，科學(xué)制訂方案。

2.2 解決方案設(shè)計

第一小組的方案是利用所學(xué)的知識設(shè)計了一種電容式傳感器。工作原理是當(dāng)滲透的液壓油流入到電容中，會使電容傳感器的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而電容發(fā)生變化。加工一個檢測電容變化的報警電路，可以監(jiān)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(jiān)測的實時性，如何解決呢？第一組同學(xué)經(jīng)過仔細(xì)研究后，創(chuàng)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(nèi)；二是采用吸油性能好的材料作為電容的電介質(zhì)。答辯問題二：如何提高檢測系統(tǒng)靈敏度？第一組提出采用具有蝴蝶效應(yīng)的混沌電路，在輸入發(fā)生小的變化時，就會由于混沌效應(yīng)，產(chǎn)生大的輸出，實現(xiàn)弱信號檢測。這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的答辯，從這個答辯中，可以看到學(xué)生將理論應(yīng)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(tǒng)的“教材知識”。

第二小組的方案是采用紅外監(jiān)測。其工作原理是根據(jù)普朗克定律，當(dāng)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(fā)生時，設(shè)備上的溫度不同，被監(jiān)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(dāng)液壓系統(tǒng)工作一段時間后，油液的溫度會升高，泄漏出來后，將導(dǎo)致紅外特征發(fā)生明顯改變。做一個紅外監(jiān)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(jīng)考慮了這些因素，實際加工中需要進(jìn)行定量分析和校準(zhǔn)。

第三小組的方案是超聲波方法進(jìn)行監(jiān)測。在管路監(jiān)測位置設(shè)計一個超聲波試塊和探頭，當(dāng)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(jìn)入試塊中，不會產(chǎn)生試塊底面回波信號。相反，如果泄漏故障發(fā)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(jìn)入試塊，則底面回波就會產(chǎn)生，因此可以監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度。小組回答：可以設(shè)計引流裝置，將泄漏的油滴進(jìn)行匯集，并將測試的信號進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送，或者在云端保存，形成船舶管網(wǎng)監(jiān)測態(tài)勢圖。

第四小組的方案是固有頻率的監(jiān)測方法。用吸油能力強且有一定彈性的松緊帶和質(zhì)量塊組成一個振動系統(tǒng)。當(dāng)泄漏時，由于泄漏的油液被線條吸收，其剛度和阻尼發(fā)生變化，因此，振動系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化，只要監(jiān)測系統(tǒng)的固有頻率，就可以知道系統(tǒng)是否漏油。答辯問題：是否需要設(shè)計一個脈沖激發(fā)裝置以及信號采集分析軟件，提取信號的頻率，識別系統(tǒng)固有頻率的變化。小組回答：設(shè)計了電磁式脈沖激發(fā)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(shè)備泄漏油液，則它將被濾紙吸收，從而導(dǎo)致其透光性變差，可以在光敏傳感器輸出相應(yīng)信號，比如用光敏電阻。這樣，通過光敏監(jiān)測電路實現(xiàn)滲漏的監(jiān)測。答辯問題：雖然當(dāng)前光敏傳感器的技術(shù)非常成熟，設(shè)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(xì)節(jié)問題在加工制作過程中對軟件和硬件系統(tǒng)集成調(diào)試。

2.3 效果評價

針對提出的五種方案，從五個方面進(jìn)行了評估，主要包括：設(shè)計是否具有創(chuàng)新性、團(tuán)隊是否相互合作、是否閱讀了相關(guān)文獻(xiàn)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(jié)果如表1 所示。

表1 各方案評估結(jié)果

對表1 中各項評價結(jié)果進(jìn)行分析，可以清晰地看到各小組表現(xiàn)出很強的創(chuàng)新能力，能夠針對實際工程問題提出具有獨創(chuàng)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(xiàn)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(yīng)的應(yīng)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(xiàn)上，基于電容式傳感器的監(jiān)測電路也可以方便地實現(xiàn)。紅外式監(jiān)測方法和超聲波式監(jiān)測方法在工程實現(xiàn)過程中比較復(fù)雜，紅外監(jiān)測受外部溫度環(huán)境、反射等因素的影響，需要補償。超聲波探頭需要精心設(shè)計與設(shè)備匹配才能有效使用。測量固有頻率的監(jiān)測方法在工程實現(xiàn)時，需要設(shè)計定時脈沖激勵裝置和頻率精密測量裝置，所有系統(tǒng)更為復(fù)雜。光敏式監(jiān)測方法，通過透射光變?nèi)醯默F(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測，但實際應(yīng)用時，對小滲透介質(zhì)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(xué)實施過程中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，要求學(xué)生改變“等靠要”的學(xué)習(xí)模式，再造了主動參與、集智攻關(guān)、適應(yīng)信息時代要求的挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)流程。教學(xué)過程中還需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，例如采用多種方式激發(fā)群體學(xué)習(xí)。每個小組成員都有自己的特長，通過相互學(xué)習(xí)，討論加辯論，碰撞出思想的火花，從而會產(chǎn)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(fā)群體學(xué)習(xí)的積極性；需要改革評價的方式。挑戰(zhàn)性教學(xué)的評價方式很多[6]，這里選擇了分項指標(biāo)評價，仍然還有一些不足，比如：對學(xué)生情感的培養(yǎng)、價值塑造、動手能力等。

通過挑戰(zhàn)性教學(xué)嘗試，證實了“最近發(fā)展區(qū)”理論對“工程測試與信息處理”課程教學(xué)的重要指導(dǎo)意義，本質(zhì)上體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。挑戰(zhàn)性問題的設(shè)置，著眼學(xué)生未來的發(fā)展前景，緊緊將工程測試與未來的信息技術(shù)發(fā)展結(jié)合在一起；同時考慮到問題的解決方案是學(xué)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(dǎo)向，體現(xiàn)了以學(xué)生的學(xué)習(xí)為中心。實踐表明，通過設(shè)置真實的學(xué)習(xí)情境，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和挑戰(zhàn)熱情。因為這個問題是實船上確實存在待解決的問題，學(xué)生都渴望能夠應(yīng)用所學(xué)的知識來破解難題；教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)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(xué)會了走出課堂、實驗室、院系，甚至校門；能夠主動探索未知領(lǐng)域，如有些組在答辯過程中，認(rèn)為自己方法不僅可以監(jiān)測油料微量滲透，也可以監(jiān)測水的微量滲透，還可以推廣到監(jiān)測氣體的微漏。這些問題都是工程實際中的難題。