武志瑋　劉鑫　陳琦

摘要：在機場道面的教學(xué)過程中，出于對機場運行安全的考慮，學(xué)生往往不能到現(xiàn)場進行道面檢測，實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)欠缺。為此，提出新的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生研發(fā)了一種機場道面檢測埋地傳感器組件，并應(yīng)用該組件進行道面檢測試驗，分析機場道面狀況及其力學(xué)性能參數(shù)的變化，從而對道面的整體性能進行評價。實踐證明，通過埋地傳感器的研發(fā)及應(yīng)用，學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新及實踐應(yīng)用能力得到提升。在新的教學(xué)模式下，通過問題導(dǎo)向的方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，引導(dǎo)學(xué)生解決問題，理論與實踐相結(jié)合，大大提高學(xué)生的操作應(yīng)用能力，有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；機場道面；實時監(jiān)控；埋地傳感器

中圖分類號：U34162 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2015）04011604

近年來，隨著中國民航事業(yè)的高速發(fā)展，國家對民航人才的需求日益增大，作為民航特色院校，承載著培養(yǎng)民航技術(shù)相關(guān)人才的重任，而機場跑道作為機場的重要組成部分，直接影響飛機的起降安全。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，民航客機事故的高發(fā)期主要集中在起飛、開始爬升和進場著陸階段，近年發(fā)生的民航客機事故多與道面性能劣化有關(guān)。由于民航客機事故直接影響機場的安全運營和旅客的生命安全，所以一直以來備受機場管理部門的關(guān)注。凌建明[1]等人總結(jié)建立了機場道面評價體系，為中國機場道面管理系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。通過對道面進行定期的檢測實現(xiàn)對道面的評價，但是無法實現(xiàn)對道面性能的實時動態(tài)監(jiān)控。對此，研發(fā)一種機場道面檢測用埋地傳感器組件，從道面性能監(jiān)測入手，長期采集和記錄表征道面性能的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，進而深入分析機場道面狀況和力學(xué)性能，為預(yù)測機場道面性能變化趨勢、提升機場道面養(yǎng)護水平和降低機場道面運行管理風(fēng)險提供有力支撐，具有重要的理論意義與實踐意義。

作為機場工程方面的專業(yè)人才，必須加大創(chuàng)新能力及實踐能力的培養(yǎng)[2]，因此，熟練掌握機場道面知識及其檢測手段十分必要，然而在實際

的教學(xué)中，基于對機場安全性及檢測技術(shù)復(fù)雜性的考慮，學(xué)生往往不能進行實地的現(xiàn)場道面檢測，在實際教學(xué)過程中，多以圖片的形式展示道面檢測的儀器及現(xiàn)場的檢測過程，學(xué)生只有感性認識缺乏實踐應(yīng)用能力，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中也比較吃力。這種強調(diào)知識獲取忽視操作應(yīng)用能力的教學(xué)方式不利于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)[3]。因此，基于上述問題，提出新的教學(xué)模式，通過問題導(dǎo)向的方法，針對機場道面檢測的問題，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，由學(xué)生提供解決問題的思路，通過與教師展開討論分析，提出可行方案并付諸于實踐。對于應(yīng)用環(huán)節(jié)，教師指導(dǎo)學(xué)生利用埋地傳感器組件分別進行室內(nèi)室外道面檢測試驗，采集和記錄表征道面性能的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，分析機場道面狀況和力學(xué)性能，從而對道面整體性能作出評價。結(jié)合試驗研究和理論分析的最新成果，通過技術(shù)創(chuàng)新和實踐應(yīng)用相結(jié)合的方法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有益于創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)[4]。

在此新的教學(xué)模式下，研發(fā)了埋地傳感器道面檢測技術(shù)，設(shè)計了埋地傳感器并申請了專利[5-7]，然后對不同類型的物體所引起的道面板振動展開了研究。

一、儀器創(chuàng)新與試驗?zāi)Ｊ礁母?/p>

埋地傳感器組件的設(shè)計、制作和加工的在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨立完成，其設(shè)計圖見圖1。

整個測試系統(tǒng)由埋地傳感器、數(shù)據(jù)采集終端和電源組成。其中，埋地傳感器包括柱狀外殼、溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器、多個限位、下部固定底座和上部可拆卸蓋板，埋地傳感器通過同軸電纜及電源線與設(shè)置于機場道面外側(cè)草面區(qū)的數(shù)據(jù)采集終端和電源連接。溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器和多個限位器以可拆卸的方式間隔設(shè)置在柱狀外殼的表面四周。柱狀外殼的底面固定在測點下部固定底座的表面上。上部可拆卸蓋板以可拆卸的方式設(shè)置于柱狀外殼頂面上。

在后期進行的室內(nèi)外實驗中，為體現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的主體作用，采用如下試驗?zāi)Ｊ健?/p>

（一）尋找科學(xué)的試驗方法

進行機場跑道測試最困難之處在于不能影響機場的正常運營，在試驗方法設(shè)計上必須考慮合理的埋置手段。因此，在跑道測試上選擇在道面鉆孔設(shè)置埋地傳感器，在跑道兩側(cè)土面區(qū)選擇將傳感器埋置于土面下，從而避免了對飛行器安全的影響，保證了試驗方法的科學(xué)性和可應(yīng)用性。

（二）尋找高效的試驗分組

在試驗中，1位學(xué)生負責(zé)現(xiàn)場總協(xié)調(diào)，觀察周邊環(huán)境及過往車輛，1位學(xué)生負責(zé)記錄數(shù)據(jù)，1位學(xué)生負責(zé)控制采集設(shè)備。試驗在同一場地分兩組同時進行，數(shù)據(jù)結(jié)果相互對比驗證，保證了實驗結(jié)果的可靠性。

（三）設(shè)計合理的試驗流程

在試驗流程設(shè)計方面，首先進行傳感器的埋設(shè)和系統(tǒng)調(diào)試，然后施加相應(yīng)級別的實驗荷載，記錄隨機通過的車輛荷載，記錄荷載作用下埋地傳感器所得到的振動信號。

（四）總結(jié)可靠的試驗結(jié)論

實驗數(shù)據(jù)的分析由兩名應(yīng)屆畢業(yè)生負責(zé)完成，首先對實驗采集的振動曲線進行合理的截取，然后對截取的數(shù)據(jù)進行小波變換，提取數(shù)據(jù)的特征值，并對該特征值進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，從而計算道面承載力、評價道面結(jié)構(gòu)性功能指標(biāo)。

二、試驗情況

（一）室內(nèi)實驗

為了探索動荷載在不同區(qū)域的變化規(guī)律和不同級別動荷載對道面板不同區(qū)域的影響，還進行了室內(nèi)模型實驗。

在一塊長400 cm、寬為50 cm、厚為12 cm的普通混凝土板中預(yù)留5個直徑為10 cm、高為12 cm的圓形孔洞，其底座墊有鋼板，對混凝土板施加落錘重力。

根據(jù)所預(yù)留的孔洞來設(shè)置加速度傳感器，每個孔布置一個，共五個，并將加速度傳感器引出的線與信號采集器連接，通過裝有信息采集系統(tǒng)的電腦和信號采集器與無線路由器形成局域網(wǎng)連接，即可從電腦中獲得該預(yù)留孔道面板振動時的加速度信號。

通過落錘（1.54kg）在h=30、60、90、120、150、180 cm高度下自由落體對如圖2所示的沖擊區(qū)施加作用，從而實現(xiàn)不同級別的動荷載對道面板的施加激勵。具體的加載區(qū)域布置及實驗過程如圖2所示。

圖2 預(yù)留孔道面板振動測試試驗示意圖

（二）室外場地試驗

由于室內(nèi)模擬的局限性和特殊性，項目組在室外選擇了一段公路進行模擬測試，考察振動所帶來的影響。

某公路的每塊道面板長為400 cm、寬為300 cm、厚為20 cm的普通混凝土板，測區(qū)對應(yīng)位置公路上設(shè)有減速帶，路上時有各種不同類型的機動車輛通過。在公路減速帶對應(yīng)的路肩邊的土區(qū)用挖土工具開挖比埋地傳感器大的孔洞及引線槽，為保護加速度傳感器，將其用塑料袋包裹好后置于所挖的孔洞中，引線沿引線槽與信號采集器連接（見圖3）。通過裝有信息采集系統(tǒng)的電腦、信號采集器與無線路由器形成局域網(wǎng)連接，即可從電腦中獲得機動車輛通過該公路及其減速帶引起路肩土區(qū)振動的加速度信號。

圖3 公路現(xiàn)場傳感器的布置

由于不同車型對路面產(chǎn)生的振動不同，因此不同重量的車型表示對道面施加不同級別的激勵。具體布置形式見圖4示意圖。

圖4 某公路路肩位置振動測試試驗示意圖

三、試驗教學(xué)效果分析

通過在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目開展教學(xué)研究改革，在實踐中摸索和總結(jié)規(guī)律，探索理論結(jié)合試驗的教學(xué)模式，得到了如下有益經(jīng)驗，可以用于完善實驗教學(xué)體系，豐富實驗設(shè)備來源，提升實驗室開放水平，提高畢業(yè)生的動手能力，增強畢業(yè)生就業(yè)競爭力。

一是，將科研成果引入試驗教學(xué)，為學(xué)生提供試驗開放平臺，提升了實驗室建設(shè)的行業(yè)特色。

將具有理論深度科研成果分階段、有步驟地利用大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、科技立項和畢業(yè)設(shè)計等與學(xué)生交流互動的機會，在學(xué)生力所能及的范圍內(nèi)逐步引入。既培養(yǎng)了學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新能力，又鍛煉了學(xué)生的動手能力和實踐能力。讓更多的學(xué)生參與科技項目研究，甚至讓部分大一新生剛?cè)胄ｉT就接觸專業(yè)試驗，通過潛移默化，將感性認識慢慢在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中轉(zhuǎn)化為理性認識。

二是，在試驗教學(xué)中產(chǎn)生新的科研成果，體現(xiàn)了實驗室立足教學(xué)、重視科研、服務(wù)社會的綜合能力。通過開發(fā)試驗教學(xué)平臺，學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)中接觸到了更新、更廣、更專業(yè)的內(nèi)容，對所學(xué)專業(yè)的理解更加深入，同時結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容對所做試驗有了不同層次的、更深入的認識，也提出了很多創(chuàng)新性的想法。既實現(xiàn)了該教學(xué)平臺的升級改造，也對改進后的平臺做進一步研究，產(chǎn)生了一批具有理論性和科學(xué)性的成果。

三是，探索本科生提前接觸科研、在壓力中成長的“混合”教育模式，為實驗室建設(shè)找到新方向。

通過該項目的探索，讓本科生介入到申請人的科研項目中并獨立承擔(dān)重要研究任務(wù)，提前接受研究生階段的培養(yǎng)，在“研究生培養(yǎng)目標(biāo)+本科生教育模式”的“混合”培養(yǎng)下實現(xiàn)快速成長成才。如2014屆的一位畢業(yè)生，經(jīng)過參與項目研究后，對其所承擔(dān)的研究課題有了深入的理解，發(fā)表了核心期刊論文1篇，一般期刊論文1篇，EI檢索中文期刊錄用待刊1篇，獲得實用新型專利1項，并最終在畢業(yè)階段選擇留校深造，目前在研究生班成績名列前茅。

“混合”教育模式實踐初步取得了令人滿意的效果，目前，正準備進行更深入的相關(guān)實驗建設(shè)方法研究。

四、結(jié)語

通過機場道面檢測埋地傳感器技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，提出一種新的教學(xué)方法。通過問題導(dǎo)向的方法，提出問題，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，發(fā)揮學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力，提出解決方案，并應(yīng)用于實踐。在提出方案的過程中，學(xué)生通過研究場道工程、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、材料力學(xué)、計算機編程等課程相關(guān)知識，提出創(chuàng)造性方案，充分發(fā)揮了其技術(shù)創(chuàng)新的能力；在方案應(yīng)用的過程中，傳感器布設(shè)、信息采集、數(shù)據(jù)處理及計算機編程等都需要扎實的專業(yè)知識背景，而將這些知識加以應(yīng)用大大提高了學(xué)生理論與實踐結(jié)合的能力；在參與試驗的整個過程，學(xué)生需要動手操作，重復(fù)試驗過程，較好地鍛煉了學(xué)生的實踐操作能力。

機場道面檢測埋地傳感器組件的研發(fā)及應(yīng)用作為一個啟示，給予很多思考空間，在實際的教學(xué)過程中，教師往往會遇到諸多的問題，通過改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提出新的教學(xué)模式，以問題作為向?qū)?，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮其創(chuàng)新能力及實踐應(yīng)用能力，大大提高教學(xué)效果，更有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。參考文獻：

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