以能力為導(dǎo)向的案例教學(xué)法在課程教學(xué)中的實踐與探索

柳文林等

[摘要]《機(jī)械故障診斷學(xué)》是航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生的一門重要課程，具有很強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性。論述了案例教學(xué)法在本門課程教學(xué)中的組織和實施步驟、列舉了典型教學(xué)案例。實踐表明通過案例教學(xué)法的運用，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)員分析問題、解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞]案例教學(xué)法 機(jī)械故障診斷 課程教學(xué) 實踐

案例教學(xué)法之前多用于法學(xué)、工商管理等課程，但因其可以更為貼近實際的將理論與實際聯(lián)系在一起們，目前正被越來越多的運用在不同領(lǐng)域、不同專業(yè)的教育人員培訓(xùn)中去。案例教學(xué)的主體是學(xué)員，其教學(xué)目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)員自主的進(jìn)行學(xué)習(xí)、研究，快速提高解決實際問題的能力，來更好的挖掘?qū)W員潛力，培養(yǎng)學(xué)員的能力。

《機(jī)械故障診斷學(xué)》這門課程的內(nèi)容主要包括機(jī)械故障及其診斷的基本理論，故障診斷的信號分析與處理技術(shù)，機(jī)械故障的振動診斷方法、油液分析技術(shù)、無損檢測技術(shù)等。該課程與機(jī)械裝備維護(hù)保障聯(lián)系十分緊密，因此非常適合使用案例教學(xué)法進(jìn)行課堂教學(xué)。

一、教學(xué)案例選取與方案設(shè)計

《機(jī)械故障診斷學(xué)》中講到的機(jī)械故障及故障診斷方法在機(jī)械裝備的日常維護(hù)保障中十分常見。本課程中，教員先對與故障診斷相關(guān)的基本理論進(jìn)行講解，然后提出多種實際故障案例來進(jìn)行案例教學(xué)，目的是使學(xué)員能將故障診斷的理論方法運用到實踐中去。

（一）案例的選取

為了使教學(xué)案例具有針對性、實用性，案例的選取須緊緊圍繞機(jī)械裝備常見故障案例進(jìn)行選擇。雖然《機(jī)械故障診斷學(xué)》教材中列舉了很多機(jī)械故障與診斷的實例，但是與本專業(yè)方面研究的機(jī)械裝備實際故障結(jié)合不緊密，案例信息不完善，實用價值不高。所以，在選擇案例時應(yīng)選擇典型的、與本專業(yè)機(jī)械裝備聯(lián)系緊密的、涉及知識面較廣的機(jī)械故障實例作為教學(xué)案例，進(jìn)而使學(xué)員從多角度、多層面、全范圍的對知識進(jìn)行學(xué)習(xí)和應(yīng)用。

通過調(diào)研、查閱資料，本課程選取了典型航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子碰摩故障診斷案例、典型飛機(jī)油液分析與故障診斷案例、基于故障樹的飛機(jī)起落架故障案例、航空發(fā)動機(jī)喘振故障診斷案例等幾個模塊案例。

（一）教學(xué)案例方案設(shè)計

以典型航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的碰摩故障診斷案例為例，來介紹一下教學(xué)方案的設(shè)計情況。

教學(xué)實施共分4個步驟完成。

（1）提供典型航空發(fā)動機(jī)使用維護(hù)信息及故障歷史數(shù)據(jù)，由學(xué)員分析主要故障模式、確定主要診斷目標(biāo)定位。

（2）學(xué)員根據(jù)系統(tǒng)原理與構(gòu)造，研究確定采樣參數(shù)。按照確定的采樣周期，通過實際和實驗采集相關(guān)的故障信號。

（3）介紹相應(yīng)的信號分析處理方法，提供發(fā)動機(jī)正常工作狀態(tài)下的相關(guān)指標(biāo)基準(zhǔn)。

（4）以收集處理的特征信號為依據(jù)，結(jié)合發(fā)動機(jī)的實際工作狀態(tài)，由學(xué)員總結(jié)、提出發(fā)動機(jī)碰摩故障的機(jī)理、特征、危害后果等。

二、案例教學(xué)組織與實施

此階段的任務(wù)是組織學(xué)員進(jìn)行資料搜集，查閱此類故障的詳細(xì)資料，開展討論，進(jìn)行指導(dǎo)與點評。

（一）任務(wù)布置

每3-4名學(xué)員分成一組，要求其到圖書館、網(wǎng)上搜集有關(guān)航空發(fā)動機(jī)故障診斷及發(fā)動機(jī)特征信號處理的相關(guān)資料，讓不同小組選擇不同的方法對發(fā)動機(jī)相關(guān)特征信號進(jìn)行處理，并在此基礎(chǔ)上展開討論，比較不同方案的優(yōu)劣，得出結(jié)論，并制作幻燈片進(jìn)行匯報，最后形成論文上交。

對匯報的具體內(nèi)容要求如下：（1）介紹故障機(jī)理和研究方法；（2）對案例分析過程進(jìn)行具體匯報；（3）給出分析結(jié)果，總結(jié)研究收獲。

（二）研討交流

開展研究討論是案例教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是“以學(xué)員為主體”的教學(xué)思想的重要體現(xiàn)。以下是本課程案例教學(xué)中兩組學(xué)員的學(xué)習(xí)成果。

第一組：根據(jù)不同的能量保持率采用主成分分析提取轉(zhuǎn)子故障頻譜特征，并結(jié)合支持向量機(jī)方法來判斷發(fā)動機(jī)的故障類型。

碰摩故障樣本不易獲取，該組針對這一航空發(fā)動機(jī)實際運行過程中的問題，提出基于正常工作狀態(tài)時的樣本，采用主成分分析和支持向量機(jī)的故障檢測方法。該方法首先對正常工作狀態(tài)的頻譜進(jìn)行歸一化，對歸一化的樣本集進(jìn)行主成分分析直接提取出低維特征。運用支持向量機(jī)方法對正常工作狀態(tài)的樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，獲取正常工作狀態(tài)的域邊界，并建立轉(zhuǎn)靜碰摩檢測判據(jù)，基于轉(zhuǎn)靜檢測判據(jù)判別出碰摩故障是否發(fā)生，同時也可根據(jù)判據(jù)值與閾值的差別大小來判別碰摩故障的嚴(yán)重程度。本組案例借鑒的主成分分析和支持向量機(jī)的方法是針對航空發(fā)動機(jī)的碰摩故障進(jìn)行的，對于其他類型故障檢測和診斷也可采用本方法。

第二組：運用快速傅立葉變換FFT對振動信號進(jìn)行處理，依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對發(fā)動機(jī)故障類型進(jìn)行判別。

將獲得的發(fā)動機(jī)正常工作狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本和故障數(shù)據(jù)樣本特征信號進(jìn)行FFT變換，將在特征不明顯的時域轉(zhuǎn)化為較容易提取特征的頻域中，從而提取出發(fā)動機(jī)正常工作時的特征信號作為訓(xùn)練樣本輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中去進(jìn)行訓(xùn)練，得出訓(xùn)練樣本，再將一組已知特征信號輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行判別。

（三）總結(jié)講評

教員在提供案例之后，給予學(xué)員一定的引導(dǎo)，在小組研究討論后，重點進(jìn)行點評和總結(jié)，評價和總結(jié)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果，對學(xué)員的參與度、專研精神、學(xué)習(xí)技巧等各個方面進(jìn)行講評。

通過案例教學(xué)可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)員的表現(xiàn)十分突出，各有千秋：第一組運用方法新穎，創(chuàng)新點多；第二組方法簡便快捷，容易理解，思路清晰。兩個小組學(xué)員都很好的掌握了其所運用的方法，達(dá)到了一定的學(xué)術(shù)水平?？偠灾?，在本次案例教學(xué)中，學(xué)員都能找準(zhǔn)自己的位置，找到適用的方法，去解決相關(guān)的問題。兩個小組各有所長，其方法得到了相互印證與補充。

三、結(jié)論

在將案例式教學(xué)運用到《機(jī)械故障診斷學(xué)》的教學(xué)改革過程中可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)員學(xué)習(xí)的主觀能動性一旦被激發(fā)，再輔以“分組競爭、團(tuán)隊合作”，能夠更加充分的激發(fā)學(xué)員潛能，提升學(xué)員能力。

在實施案例教學(xué)法時，要善于引導(dǎo)，牢牢把握教員為主導(dǎo)、學(xué)員為主體的宗旨，要采用多種教學(xué)手段營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性。案例式教學(xué)法不僅僅適用于《機(jī)械故障診斷學(xué)》課程，對其他研究生專業(yè)課程也同樣適用。

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（作者單位：1.海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系 山東 煙臺，2.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊 山東煙臺）