“機(jī)械故障診斷技術(shù)”課程教學(xué)改革研究

裴宏杰 王貴成 沈春根 王志 戴亞春

摘 要 針對(duì)當(dāng)前“機(jī)械故障診斷技術(shù)”課程的問題，提出了新的教改方案。該方案以課程為載體，以課堂和實(shí)驗(yàn)室為陣地，以工程應(yīng)用為根本，不斷地將機(jī)械故障診斷技術(shù)的最新進(jìn)展及國(guó)內(nèi)外的最新成果融入教學(xué)內(nèi)容之中，基于“知行合一”的教學(xué)理念，采用案例為主線的專題式的教學(xué)方法，構(gòu)建出基本案例、拓展案例、能力案例的“三級(jí)遞進(jìn)式”的課程架構(gòu)，初步形成科學(xué)、合理、完整、共享的教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞 機(jī)械故障診斷 案例 知行合一 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.02.041

Research on Teaching Reform of "Mechanical Fault Diagnosis Technology" Course

PEI Hongjie， WANG Guicheng， SHEN Chungen， WANG Zhi， DAI Yachun

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

Abstract Aiming at the problems of the current "Mechanical Fault Diagnosis Technology" course， a new teaching reform plan is proposed. The program takes the course as the carrier， takes the classroom and the laboratory as the position， and takes the engineering application as the foundation. It continuously integrates the latest development of mechanical fault diagnosis technology and the latest achievements at home and abroad into the teaching content， based on the "integration of knowledge and practice". The teaching concept， using the case-based teaching method as the main line， constructs the "three-level progressive" curriculum structure of basic cases， expansion cases and ability cases， and initially forms a scientific， reasonable， complete and shared teaching system.

Keywords mechanical fault diagnosis； case； integration of knowledge and practice； teaching reform

0 引言

機(jī)械故障診斷技術(shù)是監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)示連續(xù)運(yùn)行機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)和故障，保障機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的一門科學(xué)技術(shù)。[1]其研究領(lǐng)域涉及到力學(xué)、摩擦學(xué)、機(jī)械學(xué)、非線性科學(xué)、信息學(xué)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、設(shè)備管理學(xué)等多種學(xué)科，并在其交叉點(diǎn)上生長(zhǎng)出來(lái)的成為新興學(xué)科?！皺C(jī)械故障診斷技術(shù)”是一門包含很多新技術(shù)內(nèi)容的理論性、應(yīng)用性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，隨著科學(xué)技術(shù)和工程教育的發(fā)展，很多高等院校對(duì)“機(jī)械故障診斷技術(shù)”課程進(jìn)行了改革探索。

在教學(xué)理念方面，對(duì)教學(xué)理念本身研究很少涉及，更多的是先進(jìn)教學(xué)理念在“機(jī)械故障診斷”領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。[2-3]

在教學(xué)內(nèi)容方面，針對(duì)教學(xué)脫離工程實(shí)際、學(xué)生基礎(chǔ)薄弱等主要問題，提出的加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)，采用案例式教學(xué)研究較多。[4-7]

在教學(xué)方法方面，為了更好的貫徹教學(xué)理念，提出了項(xiàng)目式、案例式、討論式、多媒體式、開放實(shí)驗(yàn)式等教學(xué)方法。[2，5，8-9]

隨著國(guó)家制造業(yè)行動(dòng)綱要-《中國(guó)制造2025》[10]的提出，催生了“新工科”[11]和“雙一流”[12]建設(shè)的迫切需求。在新的時(shí)代背景下，如何貫徹創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育的“新理念”，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械故障診斷技術(shù)”的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式的三位一體的教學(xué)體系，進(jìn)一步展開了教改研究，以期對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才起到作用。

1 原課程存在的問題

目前“機(jī)械故障診斷技術(shù)”課程主要講授機(jī)械故障診斷的基本原理、油樣診斷技術(shù)、溫度診斷技術(shù)、聲學(xué)診斷技術(shù)、振動(dòng)診斷技術(shù)、故障樹分析方法及應(yīng)用實(shí)例等方面的內(nèi)容。由于課程內(nèi)容豐富，知識(shí)點(diǎn)多，課時(shí)量少（總學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)），使得教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生了很多問題，主要問題如下：

1.1 應(yīng)知不知

應(yīng)該掌握的相關(guān)知識(shí)，沒有掌握，或者理解膚淺。其原因在于，一方面，機(jī)械故障診斷學(xué)是綜合了機(jī)械工程、力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)處理、無(wú)損檢測(cè)和人工智能等諸多方面知識(shí)，知識(shí)面寬廣，理論性強(qiáng)，部分內(nèi)容抽象。限于課時(shí)量，知識(shí)點(diǎn)的講授普遍不能深入。另一方面，學(xué)生先期修學(xué)課程掌握不足（總課時(shí)量大幅減少，內(nèi)容簡(jiǎn)化）或尚未開課，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)故障診斷過(guò)程中理解能力欠缺，造成了學(xué)生似懂非懂的窘境。

1.2 知而難行

難于應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，解決實(shí)際問題。其原因在于，一方面，教學(xué)內(nèi)容偏重于基礎(chǔ)理論，與工程實(shí)際結(jié)合不緊密，忽略了本科生授課對(duì)象的特點(diǎn)。另一方面，教學(xué)所用案例不具備代表性，不能很好的貫穿基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用。

1.3 事事不行

只能解決相似案例，對(duì)于形式較大變化的應(yīng)用工況，茫然不能理出頭緒。其原因在于，課堂還是以教為主，學(xué)為輔，顛倒了教與學(xué)的關(guān)系，極大挫傷了學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和思考的積極性，未能培養(yǎng)出解決問題的能力。

2 教學(xué)改革目標(biāo)

通過(guò)教學(xué)改革，使學(xué)生能夠了解機(jī)械故障診斷學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀，能正確認(rèn)識(shí)機(jī)械故障領(lǐng)域新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新材料的開發(fā)和應(yīng)用對(duì)于客觀世界和社會(huì)的影響，初步掌握并使用現(xiàn)代工程技術(shù)、方法和工具，具備了不斷學(xué)習(xí)、適應(yīng)發(fā)展、解決問題的能力，圓滿達(dá)到“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)”本課程應(yīng)支撐的畢業(yè)要求。

3 課程教學(xué)改革方案

3.1 “知行合一”的教學(xué)體系

知行合一，指知識(shí)和行動(dòng)的統(tǒng)一。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，按照以果推因的因果邏輯，把培養(yǎng)過(guò)程倒推分為三個(gè)階段，“知行合一”（理論與實(shí)踐的統(tǒng)一）——“行”（拓寬知識(shí)和初步應(yīng)用）——“知”（掌握基礎(chǔ)知識(shí)），構(gòu)建出教學(xué)架構(gòu)，如圖1所示。課程體系分為“知”和“行”兩個(gè)部分，“知”部分包括課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，“行”部分包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，其中網(wǎng)絡(luò)教學(xué)為“知”“行”共有。根據(jù)知行合一的教學(xué)理念，采用案例為主線的專題式教學(xué)方式，構(gòu)建出基本案例、拓展案例、能力案例的“三級(jí)遞進(jìn)式”的課程架構(gòu)。

課程教學(xué)，屬于應(yīng)知的內(nèi)容，共分為7個(gè)專題，包括總論、溫度診斷技術(shù)、油液診斷技術(shù)、振動(dòng)診斷技術(shù)、聲學(xué)診斷技術(shù)、故障樹分析技術(shù)和綜合應(yīng)用。每個(gè)專題，以典型案例為主線，以故障問題為起點(diǎn)，分析其現(xiàn)象，給出解決問題的步驟，尋求出解決方法，介紹相關(guān)基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和信號(hào)處理，從而夯實(shí)基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，屬于拓展內(nèi)容，包括6項(xiàng)專題。限于有限課時(shí)，有些內(nèi)容課堂不能展開，另外，由于學(xué)生的前期基礎(chǔ)不一樣，使得應(yīng)知應(yīng)會(huì)的內(nèi)容沒有掌握和理解。增加網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)，講解拓寬的基礎(chǔ)知識(shí)，供學(xué)生學(xué)習(xí)和參考。另外，在網(wǎng)絡(luò)課程里面，增加相似案例和拓展案例及作業(yè)案例，供學(xué)生學(xué)習(xí)和練習(xí)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)，屬于實(shí)踐內(nèi)容，用于提高解決問題的能力。通過(guò)課程教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)初步具備了解決問題的能力。設(shè)計(jì)出各種故障的綜合開放式實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生組成小組，自行設(shè)計(jì)方案，尋求出故障所在。

3.2 教學(xué)內(nèi)容

3.2.1 教學(xué)案例

案例設(shè)計(jì)要圍繞課程理念和教學(xué)目標(biāo)來(lái)進(jìn)行，使學(xué)生掌握基本原理和理論知識(shí)，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。設(shè)計(jì)的案例要難易適中，要緊跟最新研究熱點(diǎn)，這樣既能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，又具有前瞻性，為學(xué)生以后的學(xué)習(xí)和研究指明了方向。

案例分為精選的實(shí)際案例和設(shè)計(jì)的虛擬案例。實(shí)際案例，來(lái)源于工程應(yīng)用；虛擬案例，是根據(jù)實(shí)際案例進(jìn)行改編，針對(duì)不同目標(biāo)而專門設(shè)計(jì)的。根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)的不同階段，選擇和設(shè)計(jì)出“三級(jí)遞進(jìn)式”的教學(xué)案例：基本案例、拓展案例和能力案例。

基本案例，在課堂教學(xué)階段，以虛擬案例為主，應(yīng)體現(xiàn)出相關(guān)專題的主要基礎(chǔ)理論，代表性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和典型的信號(hào)處理技術(shù)，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。基本案例是課堂教學(xué)的主線，串聯(lián)整個(gè)專題，需要涵蓋所有流程和知識(shí)點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際案例修改和完善，達(dá)到教授知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生思考的能力。

拓展案例，在拓展階段，拓展案例包括實(shí)際案例和虛擬案例，一方面拓寬知識(shí)的廣度，另一方面延伸知識(shí)的深度，以補(bǔ)充課堂的不足，訓(xùn)練學(xué)生具備了初步解決問題的能力。

能力案例，在“知行合一”階段，能力案例全部為實(shí)際案例，充分發(fā)揮學(xué)生的潛力。針對(duì)實(shí)際工況選擇并設(shè)計(jì)，以開放性實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)給學(xué)生，由學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，提出方案，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采集信號(hào)并處理，尋求出故障所在，并提出解決辦法。從而達(dá)到知行合一，學(xué)以致用的培養(yǎng)目標(biāo)。

3.2.2 共享式在線內(nèi)容

增加網(wǎng)絡(luò)課程，用于完善和補(bǔ)充課堂教學(xué)的不足。主要包括課堂教學(xué)課件及錄像、拓展知識(shí)講課課件及錄像、案例庫(kù)（包括基本案例和拓展案例）、儀器庫(kù)、習(xí)題庫(kù)及最新技術(shù)介紹等板塊內(nèi)容。其中習(xí)題庫(kù)是設(shè)計(jì)的各種虛擬案例和選擇的實(shí)際案例，供學(xué)生練習(xí)，訓(xùn)練學(xué)生獲得初步解決問題的能力。

3.2.3 開放性實(shí)驗(yàn)

在拓展階段，結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)的情況，精選若干實(shí)際案例，由學(xué)生組成小組，選擇其中1個(gè)案例，自己組建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，尋求出故障所在，判斷出故障的原因，并提出解決辦法。

3.2.4 國(guó)際視野的打造

國(guó)際化是現(xiàn)在學(xué)生培養(yǎng)的一個(gè)主要方向。為了打造學(xué)生的國(guó)際視野，在每項(xiàng)專題中增加前沿技術(shù)介紹，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上增加前沿模塊，并讓學(xué)生研讀部分國(guó)內(nèi)外最近相關(guān)論文或資料，翻譯最新的外文文獻(xiàn)，以開闊其視野，培養(yǎng)其自學(xué)和分析問題的能力。

3.3 研討式的教學(xué)方式

學(xué)生是教學(xué)的主體，教師是教學(xué)的主導(dǎo)，只有發(fā)揮兩個(gè)方面的積極性，才能教學(xué)相長(zhǎng)，提高授課質(zhì)量。在教學(xué)過(guò)程中，以案例為主向，以問題為起點(diǎn)，采用師生共同進(jìn)行研討的方式，在教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生的主動(dòng)參與，鼓勵(lì)其對(duì)學(xué)術(shù)問題或工程實(shí)際問題進(jìn)行研討。

3.4 團(tuán)隊(duì)精神的歷練

在拓展階段，3-5名學(xué)生可以組成小組，每個(gè)學(xué)生根據(jù)自己獨(dú)立思考的結(jié)果，進(jìn)行小組內(nèi)的交流討論，最終每個(gè)小組形成相對(duì)統(tǒng)一的結(jié)論，交流中達(dá)到互相啟發(fā)和提高的目的，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。在能力階段，小組共同決定選擇案例，對(duì)案例進(jìn)行分析和決策，分工協(xié)作，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析，解決問題，教師可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)和評(píng)論。

4 結(jié)語(yǔ)

課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，是根據(jù)社會(huì)的需求而修訂，其教學(xué)案例來(lái)源于企業(yè)。通過(guò)全部學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程，學(xué)生不僅掌握了機(jī)械故障診斷技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，而且掌握了如何使用現(xiàn)代工程技術(shù)、方法和工具，具備了解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)到企業(yè)里面很快就會(huì)上手，解決工程問題。本課程所構(gòu)建的案例庫(kù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課程，可實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、校際、校內(nèi)等共享，對(duì)需要提高業(yè)務(wù)水平或者解決企業(yè)問題的員工或者學(xué)生，提供一個(gè)基本的平臺(tái)。

江蘇大學(xué)高等教育教改研究課題資助項(xiàng)目（2017JGYB013），教育部人文社會(huì)科學(xué)研究專項(xiàng)（10JDGC023）

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