新工科及其在機(jī)械故障診斷課程教學(xué)改革中的探討

程道來　朱駿毅　賈玉琛

[摘 要]在描述傳統(tǒng)工科內(nèi)涵、存在不足的基礎(chǔ)上，給出新工科的由來、新工科何以為新以及我國高校新工科專業(yè)分類發(fā)展的思路，闡述了新工科背景下機(jī)械故障診斷技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇。 最后從課程內(nèi)容設(shè)置的改革、學(xué)習(xí)方式方法和實(shí)踐教學(xué)的改革等方面就如何開展機(jī)械故障診斷碩士課程教學(xué)改革進(jìn)行探討，為更有效開展教學(xué)提供指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]新工科;機(jī)械;故障診斷;課程;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G420; TH17 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）07-0044-03

一、傳統(tǒng)工科與新工科

（一）傳統(tǒng)工科

傳統(tǒng)工科是相對(duì)于理科等其他學(xué)科而言的一門學(xué)科，又稱工程學(xué)，如材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)、信息等。在高校中，將自然科學(xué)原理應(yīng)用至工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)生產(chǎn)部門所形成的諸多工程學(xué)科也稱為工科或工學(xué)。工科是應(yīng)用科學(xué)和技術(shù)的原理來解決社會(huì)發(fā)展過程中與企業(yè)工程實(shí)際相關(guān)的理論支撐和技術(shù)途徑問題，但傳統(tǒng)工科具有人文基礎(chǔ)不夠、專業(yè)劃分偏窄、偏細(xì)，缺乏交叉性等不足[1-2]。

（二）新工科

新工科是相對(duì)傳統(tǒng)工科而言的，是隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、互聯(lián)技術(shù)等新興技術(shù)的發(fā)展而形成的一種教育工作者培養(yǎng)新型工科學(xué)生的工科形式，是對(duì)傳統(tǒng)工科的優(yōu)化、升級(jí)，有著傳統(tǒng)工科沒有的新特點(diǎn)、新應(yīng)用和新內(nèi)涵。新工科建設(shè)必然不斷促進(jìn)新工科專業(yè)的發(fā)展和校企緊密結(jié)合[3-6]。正因如此，教育部主動(dòng)適應(yīng)新變革，主導(dǎo)推進(jìn)新工科建設(shè)，為國內(nèi)高校開展新工科教育提出新目標(biāo)、新任務(wù)和新要求，加快推進(jìn)我國高等教育強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略。

職業(yè)化是高校人才培養(yǎng)的載體，在新形勢(shì)下高校要不斷培養(yǎng)新的人才來滿足市場(chǎng)的需求。新的工程學(xué)科基于專業(yè)變革，導(dǎo)致人才需求不斷變化。圖1是對(duì)新工科專業(yè)、新課程形成的簡(jiǎn)單圖解。

（三）新工科何以為新[7-9]

國內(nèi)某著名專家認(rèn)為，新工科的新主要在于以下幾方面：1.對(duì)“超世界存在”的關(guān)注——一種使命感和價(jià)值感;2.應(yīng)該幫助學(xué)生樹立多學(xué)科意識(shí)，培養(yǎng)其在多學(xué)科空間中觀察和思考問題的習(xí)慣; 3.應(yīng)該幫助學(xué)生建立專業(yè)節(jié)點(diǎn)或信息來源的聯(lián)系，使其成為獲取知識(shí)的重要途徑，這也是未來創(chuàng)作者應(yīng)具備的基本素養(yǎng); 4.應(yīng)該關(guān)注多學(xué)科的交叉點(diǎn)，這是新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力源泉;5.新工科還需體現(xiàn)在新的教育教學(xué)方法上。 在新工科背景下，“上九天攬?jiān)拢挛逖笞谨M”“千里江陵一日還”的想法都已變成現(xiàn)實(shí)。

（四）我國高校新工科專業(yè)分類思路及特點(diǎn)

我國有不同類型的高校，他們的新工科專業(yè)分類發(fā)展思路不同。1.具有綜合學(xué)科優(yōu)勢(shì)的大學(xué)群體，其主要用于解決全球化、涉及國家安全和利益的重大科技研發(fā)問題，教學(xué)方法以培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新人才和綜合復(fù)雜的工科和科技人才為主。2.具有工程優(yōu)勢(shì)的大學(xué)群體，其主要服務(wù)于跨國企業(yè)、國家重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)，以及重點(diǎn)領(lǐng)域的實(shí)際需求和未來發(fā)展。其教學(xué)方法側(cè)重于課堂教學(xué)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，側(cè)重于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，注重培養(yǎng)復(fù)合工程技術(shù)創(chuàng)新人才。3.具有區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)的地方高校，其主要服務(wù)于區(qū)域新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，注重傳統(tǒng)工程的交叉合成。其教學(xué)方法是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，密切與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的聯(lián)系，培養(yǎng)應(yīng)用工程科技創(chuàng)新人才、科技產(chǎn)業(yè)人才，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)。

表1是對(duì)新工科專業(yè)的簡(jiǎn)單分類和特點(diǎn)總結(jié)。

由表1可以看出，當(dāng)今社會(huì)不斷興起的新工科專業(yè)是多種專業(yè)的復(fù)雜結(jié)合。 它側(cè)重于跨學(xué)科、跨行業(yè)的人才培訓(xùn)，強(qiáng)調(diào)寬口徑、厚基礎(chǔ)、綜合能力，重點(diǎn)是人才培養(yǎng)模式的多樣性，側(cè)重于國際發(fā)展和精細(xì)培訓(xùn)，強(qiáng)調(diào)學(xué)科與工業(yè)發(fā)展之間的聯(lián)系。 與此同時(shí)，新工科專業(yè)的不斷建設(shè)，對(duì)現(xiàn)代機(jī)械故障診斷技術(shù)的革新也產(chǎn)生了重大影響。

二、新工科背景下的機(jī)械故障診斷 [11-14]

（一）機(jī)械故障診斷技術(shù)在新工科背景下的發(fā)展機(jī)遇

機(jī)械故障診斷是20世紀(jì)60年代隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用而發(fā)展起來的綜合性技術(shù)。中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得機(jī)械越來越智能化、復(fù)雜化和規(guī)模化。在具體使用機(jī)械故障診斷的過程中，不可避免地受到各種外部因素的影響，例如振動(dòng)等，從而引發(fā)各種各樣的故障。而設(shè)備一旦發(fā)生故障將會(huì)給生產(chǎn)和人們的生命安全帶來巨大的損失。傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求，應(yīng)不斷改進(jìn)機(jī)器的故障診斷技術(shù)。

在新工科建設(shè)不斷發(fā)展的情況之下，學(xué)科交叉不斷深化，新興技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，機(jī)械故障診斷勢(shì)必在這種趨勢(shì)之下得到極大的發(fā)展。機(jī)械故障診斷這門學(xué)科本身就是多個(gè)學(xué)科的交叉集合，比如信號(hào)獲取與傳感器技術(shù)、故障機(jī)理與征兆聯(lián)系、信號(hào)處理與診斷方法等。

新工科的發(fā)展會(huì)促進(jìn)各種技術(shù)不斷創(chuàng)新，這對(duì)于機(jī)械故障診斷這門學(xué)科的發(fā)展來說是個(gè)機(jī)遇。

（二）在新工科背景下，機(jī)械故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)今的信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)都取得了長足的進(jìn)步。應(yīng)用于工程上的機(jī)械故障診斷技術(shù)正逐步從以前的單一模式發(fā)展到現(xiàn)在智能化和全息化，并在石油、化工、電力、冶金等領(lǐng)域的大型企業(yè)得到高度重視和廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用主要有以下幾方面：1.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù);2.混合智能故障診斷技術(shù);3.故障診斷技術(shù)結(jié)合最新的信號(hào)處理方法;4.遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)。其中使用多個(gè)傳感器同時(shí)監(jiān)控多個(gè)位置的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能及時(shí)分析和處理這些信息; 混合智能故障診斷技術(shù)主要是專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與案例推理的結(jié)合;專家系統(tǒng)，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的結(jié)合，最后的組合也是最有希望的組合。結(jié)合最新信號(hào)處理方法的故障診斷技術(shù)是利用近年來出現(xiàn)的數(shù)學(xué)形狀濾波和小波分析。 各種新的信息處理模式，能結(jié)合故障診斷的實(shí)際需要選擇故障信息通道序列，進(jìn)一步搜索故障源。遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)載模塊、無線通信等技術(shù)，有效地跨空間和遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)診斷工程機(jī)械故障。

三、新工科背景下機(jī)械故障診斷課程的教學(xué)改革探討

（一）傳統(tǒng)的機(jī)械故障診斷課程

機(jī)械故障診斷課程是機(jī)械工程類高校研究生的基礎(chǔ)理論課程，其在清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)等國內(nèi)著名高校都有開設(shè)。機(jī)械故障診斷也是一門綜合性課程，該課程不僅涉及很多公式推理，還涉及許多新的理論和方法。我校自有機(jī)械工程學(xué)科一級(jí)碩士點(diǎn)起，機(jī)械故障診斷課程就作為碩士研究生的 一門非學(xué)位專業(yè)選修課，該課程得到了機(jī)械類碩士的偏愛，選課率高。由于研究生要學(xué)的知識(shí)多，該課程設(shè)置為32小時(shí)，小時(shí)數(shù)相對(duì)較少，在有限時(shí)間內(nèi)很難開展相關(guān)的知識(shí)教學(xué);同時(shí)，該課程是一門非常實(shí)用的課程，理論與實(shí)踐的結(jié)合非常緊密。此外，該學(xué)科的內(nèi)容具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值，可作為研究生學(xué)習(xí)的研究方向。傳統(tǒng)的教學(xué)模式仍然以教師的講座為主，這極大限制了課程教學(xué)。

機(jī)械故障診斷課程與工業(yè)實(shí)踐緊密結(jié)合，所涉及的內(nèi)容極為實(shí)用。讓學(xué)生真正掌握故障診斷的核心思想和相關(guān)的理論方法，能促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維能力、工程實(shí)踐能力、解決現(xiàn)場(chǎng)問題能力的提升。 然而，大多數(shù)現(xiàn)有的教學(xué)模式都是以書本為基礎(chǔ)，并且嚴(yán)重缺乏實(shí)用的教學(xué)環(huán)節(jié)。對(duì)課程知識(shí)理解的不徹底、不明白知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，這些都會(huì)降低學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，使得教師的教學(xué)效果低下。

（二）機(jī)械故障診斷課程教學(xué)改革路徑

雖然我國教育在不斷改革，但是在新環(huán)境下，工科人才的培養(yǎng)不能僅僅滿足于傳統(tǒng)的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能訓(xùn)練，還需繼續(xù)深入開展課程教學(xué)改革，以適合新形勢(shì)的需要。

1.課程內(nèi)容設(shè)置的改革

機(jī)械故障診斷課程內(nèi)容中有力學(xué)、電學(xué)、故障診斷學(xué)等知識(shí)，這門課程在機(jī)械行業(yè)很實(shí)用、指導(dǎo)性強(qiáng)，但該門課作為研究生課程內(nèi)容豐富，理論性強(qiáng)。在教學(xué)過程中必須引入工程應(yīng)用案例，將知識(shí)點(diǎn)的講解和來自工業(yè)一線的故障案例有機(jī)結(jié)合起來，這樣才能把課程講好，才能使受教育者到企業(yè)后理論和實(shí)踐不脫節(jié)。例如：齒輪在機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，在應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)缺齒、斷齒、齒輪裂紋、軸承故障、軸不對(duì)中、軸偏心等引起齒輪或齒輪箱的不同故障，它們的機(jī)理不同。因此，需根據(jù)不同故障的特點(diǎn)進(jìn)行課程內(nèi)容講解的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用不同的信號(hào)分析方法。在課程內(nèi)容設(shè)置中，需充分利用不同的軟件，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生熟練運(yùn)用這些軟件，最好是能將這些軟件、語言、算法和企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求直接結(jié)合起來。

2.實(shí)踐教學(xué)的改革

機(jī)械故障診斷實(shí)踐教學(xué)改革源于這門課程的實(shí)用性強(qiáng)。通過實(shí)踐教學(xué)改革，一方面能提升授課教師的實(shí)踐教學(xué)能力，另一方面也能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)踐教學(xué)改革主要包括幾個(gè)方面。1.學(xué)生要提前熟悉或掌握故障信息采集知識(shí)，因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)行過程中產(chǎn)生的信號(hào)及其故障特征信息是分析機(jī)械及其運(yùn)行狀態(tài)之源，這是故障診斷的前提。2.做好機(jī)械故障診斷課程設(shè)計(jì)多重實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，包括認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)踐、專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐，乃至畢業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐。學(xué)生盡量去企業(yè)一線對(duì)機(jī)械零部件或機(jī)械系統(tǒng)拆卸、安裝，去企業(yè)監(jiān)控室實(shí)踐引起機(jī)械的征兆，和一線有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行技術(shù)人員、集控室操作人員等交流，掌握機(jī)械系統(tǒng)的特性，再結(jié)合課堂所學(xué)知識(shí)，這樣才能更有效地對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行診斷。3.開展實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)案例教學(xué)。例如：齒輪或齒輪箱是機(jī)械行業(yè)廣泛使用的零部件，在故障診斷中具有一定的代表性。建議通過實(shí)驗(yàn)室齒輪箱故障診斷試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，這能夠有效模擬缺齒、斷齒等常見的齒輪箱故障，并且拆卸和安裝方便，使用成本低廉，非常適合教學(xué)。此外，還可去企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或利用企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)損毀的齒輪（箱）開展解剖教學(xué)。企業(yè)機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷實(shí)踐教學(xué)也是如此：通過學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心老式車床、銑床和磨床等開展現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，通過對(duì)部件信號(hào)采集進(jìn)行故障診斷，同樣也可以通過去企業(yè)開展實(shí)踐教學(xué)。

3.教學(xué)方式方法的改革

研究生教學(xué)方式方法重在對(duì)研究生知識(shí)的引領(lǐng)，充分發(fā)揮研究生的主觀能動(dòng)性，讓研究生主動(dòng)通過問題與教師互動(dòng)。因此，在教學(xué)過程中，每位研究生都可以做一次或幾次小老師展示自己。 為此，教師先安排研究生主動(dòng)展示的內(nèi)容，學(xué)生必須徹底整理和分析相關(guān)知識(shí)，同時(shí)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行消解和總結(jié)。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生多查資料、自己動(dòng)手做PPT，主動(dòng)在課堂上進(jìn)行講解。授課教師需用案例法、現(xiàn)場(chǎng)儀器演示法、企業(yè)專家講解法等教學(xué)方式開展機(jī)械故障診斷的教學(xué)，這能極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，擴(kuò)展學(xué)生的視野，盡量避免學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的學(xué)習(xí)模式。

四、結(jié)論

新工科正在從思想理念走向?qū)嵺`，其加強(qiáng)了學(xué)校和企業(yè)的結(jié)合。本文在描述傳統(tǒng)工科內(nèi)涵、存在不足的基礎(chǔ)上，給出新工科的由來、新工科何以為新以及我國高校新工科專業(yè)分類發(fā)展的思路， 然后，在新工科背景下討論了引領(lǐng)機(jī)械故障診斷發(fā)展的新機(jī)遇，最后從課程內(nèi)容設(shè)置的改革、學(xué)習(xí)方式方法和實(shí)踐教學(xué)的改革等就如何開展機(jī)械故障診斷碩士課程教學(xué)改革進(jìn)行探討，以期為更有效地開展教學(xué)提供參考。

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[責(zé)任編輯：陳 明]