《機械故障診斷學》的教學改革研究

王昊+吳懋亮+王化更

摘要：針對現(xiàn)有機械故障診斷學的研究生教學過程的不足，提出了教學改革的思路。從補充講解基礎(chǔ)環(huán)節(jié)入手，強調(diào)學生講課環(huán)節(jié)、強化討論環(huán)節(jié)，特別是增強和工程實際相結(jié)合的教學，最后增加實驗教學環(huán)節(jié)等方面進行教學改革。期待可以顯著提高本課程教學質(zhì)量和效果，并能在學生的工作中真正發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：故障診斷；教學改革；工程實踐；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0122-02

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機械設備的故障診斷技術(shù)日益得到重視，已經(jīng)成為保障生產(chǎn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和提高產(chǎn)品質(zhì)量的不可或缺的重要手段及關(guān)鍵技術(shù)。目前，機械故障診斷在電力、化工、冶金、機械等大型企業(yè)得到了十分廣泛的應用。此外，在現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)中，如：柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)等，故障診斷技術(shù)也具有相同的重要性。機械故障診斷學作為學習故障診斷技術(shù)的專門課程，是近年來發(fā)展迅速的一門實踐性、綜合性、多學科交叉的學科。就學科本質(zhì)而言，是屬于動態(tài)系統(tǒng)辨識的研究范疇；就工程特點而言，是研究機械設備運行狀態(tài)的科學。

在很多高校，機械故障診斷學已經(jīng)成為機械工程、儀器儀表和能源動力等學科專業(yè)研究生培養(yǎng)體系中一門重要的選修課程，有些高校甚至還把該課程列為必修課程。我校近幾年作為選修課開設了這門課程，但在該課程的教學過程中，主要還是從理論來到理論去，在理論聯(lián)系實際方面還有許多工作要做。為了提高學生對該課程在工程實踐中應用的認識，并提高教學質(zhì)量和效果。我們提出了新的教學改革思路，主要包括是增加學生講解環(huán)節(jié)、討論環(huán)節(jié)、與工程實踐相結(jié)合及實驗教學等環(huán)節(jié)，并且對課程的考核方式也進行了改革。期望這些教學改革可以顯著提高這門課程的教學效果，使得其在研究生的就業(yè)及工作中能夠真正的發(fā)揮作用。

一、機械故障診斷學教學現(xiàn)狀

目前，在機械故障診斷學的教學過程中，存在不少問題，其中的主要問題如下。

1.內(nèi)容廣泛。機械故障診斷學是多學科綜合的課程，與數(shù)學、信號處理、傳感器、人工智能等學科關(guān)系密切。本課程主要包括：信號檢測、動態(tài)系統(tǒng)分析、故障診斷的人工智能方法、故障診斷的工程應用等，知識面非常寬廣。因此，理論性非常強，我們以前講授這門課程的時候，也都是特別注重理論，所以教學效果還有待提高。

2.學生基礎(chǔ)薄弱。機械故障診斷學是為動力機械與工程專業(yè)的研究生開設的一門專業(yè)選修課，但是學生以前本科所學專業(yè)基本上都是熱能工程或機械制造及其自動化專業(yè)。對于在故障診斷中占有重要地位的振動基礎(chǔ)、傳感器等的基礎(chǔ)知識幾乎都不具備。因此，從一開始，學生在聽課的時候就感覺非常難，例如對于時域中的時間序列模型預測及頻譜分析中各種頻域概念很難理解。此外，有不少同學還沒有接觸過Matlab軟件，或者說對此軟件還是一知半解，課程后面的一些作業(yè)都很難完成。

3.與工程實際結(jié)合不緊密。以前在教學過程中，我們主要強調(diào)理論知識的講解，和工程實際的結(jié)合不是非常緊密。因此，很多理論知識，即使學生學習過了，也不知道在工程實際中有什么用處。理論教學與工程實際仍然存在一定的距離。

4.缺少實驗教學環(huán)節(jié)。在以前的教學環(huán)節(jié)中，由于缺少實驗設備，沒有安排實驗教學環(huán)節(jié)。因此機械故障診斷總歸是紙上談兵。

5.考核方式單一。本課程一直以來都是采用大作業(yè)的形式進行考核，學生往往在交作業(yè)的前面幾天進行突擊，寫出來的報告要么是格式不符合要求，要么就是大段地抄襲參考文獻資料。

以上這些問題在機械故障診斷學課程的教學過程中，一直存在。因此，這也是我們在該課程的教學改革過程中，需要重點解決的問題也是亟待需要進行改變的現(xiàn)狀。

二、補充講解基礎(chǔ)環(huán)節(jié)

針對很多同學的故障診斷方面的基礎(chǔ)較薄弱的情況，在本課程的緒論課之后，安排了一二次課，用來講解與故障診斷直接相關(guān)的振動基礎(chǔ)、傳感器知識及Matlab仿真的一些基本知識。講解的內(nèi)容不要求非常全面，而是著重介紹一些基礎(chǔ)知識，特別是這些知識在故障診斷方面可能的應用，例如：振動中三類問題、頻響函數(shù)、振幅的幾種表現(xiàn)形式等。傳感器的基本知識。此外，對于在故障診斷仿真研究中具有重要地位的Matlab軟件中的Simulink及后面將要用到的若干工具箱的應用進行了一定的介紹。通對這些基礎(chǔ)知識的補充，同學們對于后面碰到的內(nèi)容不會感覺太突兀，可以快速領(lǐng)會并且直接應用到后續(xù)的學習內(nèi)容中去。

三、增加學生講課環(huán)節(jié)

為了在教學過程中，充分調(diào)動學生的學習積極性，在這門課程中能夠做到學有所得，學有所用，我們專門安排了學生講課的環(huán)節(jié)。由于選這門課程的研究生人數(shù)不多，從操作上來說，是比較可行的。首先選取了重點內(nèi)容，例如：作為最重要的故障診斷基礎(chǔ)的時域分析和頻域分析；作為現(xiàn)代智能故障診斷代表的模糊診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡診斷方法、專家系統(tǒng)等。選取的內(nèi)容還可以根據(jù)學生的人數(shù)進行相應的調(diào)整。布置安排學生進行講課，給予學生充足的準備時間。現(xiàn)有的實踐表明，學生在教學過程中，體現(xiàn)了良好的積極性和主動性。大部分講課的學生都能夠做到充分準備，采用ppt形式或者板書的形式進行講解。而且他們在講解的過程中，還能夠查找相應的文獻資料，從而自己對所講的這部分內(nèi)容在故障診斷實踐中有了非常深刻的認識。實踐證明學生講課環(huán)節(jié)對于主講的學生可以起到非常好的作用，該學生對于這部分內(nèi)容的掌握非常扎實，大作業(yè)也絕大部分同學都是選擇與自己講過內(nèi)容想過的題目，來完成本課程的大作業(yè)。

四、增加討論環(huán)節(jié)

盡管學生講課環(huán)節(jié)，對于主講學生，可以充分發(fā)揮主觀能動性，并取得較好的學習效果。但是對沒有參加講課的學生，由于沒有認真準備，所以學習的效果比較有限。為此，我們在增加學生講課環(huán)節(jié)的同時，特意增加了討論環(huán)節(jié)，希望能夠彌補學生講課環(huán)節(jié)的不足。討論環(huán)節(jié)的內(nèi)容可以有兩種選擇：一種是在教師所講授內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提前安排每一位同學準備討論內(nèi)容。第二種在學生講課環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，對于某些非常重要的內(nèi)容，要求主講學生認真準備講課，而其他同學也要認真準備，并進行討論。在課程的教學過程中，可以在模糊診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡診斷方法及故障診斷實例教學部分等安排討論環(huán)節(jié)。實踐證明，討論環(huán)節(jié)可以很好地避免學生的學習惰性，經(jīng)過提前準備，學生對于一些需要討論的內(nèi)容可以掌握得比較扎實。而且這種討論環(huán)節(jié)可以在教學過程中經(jīng)常進行，從而不斷地敦促學生積極參與。endprint

五、增加與工程實踐相結(jié)合環(huán)節(jié)

由于本課程與工程實踐實際結(jié)合非常緊密，為了避免在課程的講授過程中，過于強調(diào)理論知識，從如下幾個方面增加了與工程實際相結(jié)合的教學活動。

1.在理論教學過程中，不斷將理論知識在工程實踐中的實際應用介紹給學生。在緒論的教學過程中就使用一個水輪機故障診斷系統(tǒng)引起學生的注意力和興趣，并且給學生簡單介紹Open Predictor故障診斷系統(tǒng)。例如在介紹故障樹診斷方法時，介紹了船舶碰撞故障樹的實例分析。

2.要求學生自己針對某一方面的內(nèi)容，查找具體的實例應用。例如在模糊診斷方法的學習過程，要求同學們介紹自己所查到的模糊診斷方法在實際工程實踐中的實例。

3.嘗試在教學環(huán)節(jié)中采用項目教學法，例如在故障診斷實例部分的內(nèi)容，教師可以對旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷系統(tǒng)、齒輪故障診斷、軸承故障診斷采用項目教學的方式進行講解和介紹。

六、添加實驗教學環(huán)節(jié)

盡管采取了多種措施對機械故障診斷學課程進行了教學改革，但是實驗教學環(huán)節(jié)還是必不可少。以前沒有開設課程實驗是由于缺少實驗設備。現(xiàn)在已經(jīng)具備了基本的故障診斷實驗設備，因此，為了加強理論聯(lián)系實際，我們在教學過程中添加了實驗教學環(huán)節(jié)。實驗內(nèi)容選擇旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中比較常見的齒輪故障診斷及軸承故障診斷。而且把實驗安排在課程相關(guān)教學內(nèi)容之后，希望學生能夠?qū)⒗碚撝R與實驗教學內(nèi)容相結(jié)合。實驗教學，使得學生對于故障診斷的整個過程，從布置傳感器、數(shù)據(jù)采集、信號處理、診斷分析、診斷報告等方面有個深刻的認識。這一點是其他教學過程學生所得不到的訓練。

七、考核方式多樣化

由于本課程以前的考核方式過于單一，僅僅依靠課程結(jié)束后學生所提交的大作業(yè)。由于這種大作業(yè)的形式較好，對于研究生綜合素質(zhì)的提高具有一定的作用。因此，在本課程的教學改革過程中，仍然繼續(xù)保留寫報告的大作業(yè)形式。但是，在教學改革中，將顯著提高大作業(yè)的要求，例如：對題目的要求有明顯限制、要求字數(shù)要求、參考文獻的篇目要求顯著提高。而且，特別鼓勵在大作業(yè)中加入針對具體問題所進行的故障診斷研究。大作業(yè)所占的比例要求，從原來的100%降為60%。除此之外，將學生在課堂表現(xiàn)、作業(yè)情況、講課環(huán)節(jié)、討論環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)等的表現(xiàn)納入本課程的評價體系中，這幾項所占分值比例為40%。結(jié)果表明，這樣對學生將會產(chǎn)生一定的壓力，從而在各個不同環(huán)節(jié)中都能夠積極投入，從而提高了教學效果和質(zhì)量。

八、結(jié)論

為了提高機械故障診斷學課程的教學質(zhì)量，對該課程提出了教學改革的思路。在總結(jié)了該課程的教學過程的不足的基礎(chǔ)上，為了解決以前教學過程中所存在的問題，制定了具體的教學改革措施。這些措施均為解決具體的問題而提出的，具有較高的可行性。

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