案例探究式教學(xué)在故障診斷課程中的應(yīng)用

嚴保康 周鳳星 盧少武 寧博文

[摘 要]針對故障診斷方法與應(yīng)用課程理論教學(xué)和實驗教學(xué)脫節(jié)的現(xiàn)狀，探討案例探究式教學(xué)模式，以增強研究生代入感，提高研究生的工程應(yīng)用能力。以實際工程故障案例作為理論和實踐的橋梁，以案例的探究式解決方案為突出特征，并設(shè)計開放性的實驗進行工程方案的自主設(shè)計、實施和驗證。以有效的“案例—探究式”教學(xué)模式，達到優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的目的，提高研究生對課程的教育收獲。

[關(guān)鍵詞]故障診斷;案例;探究式教學(xué);教育收獲

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）09-0067-03

隨著工業(yè)4.0的提出，智能制造進程的推進，智能工廠作為智能制造重要的實踐領(lǐng)域，要求設(shè)備具備狀態(tài)、環(huán)境的自感知和故障智能診斷的能力[1]。在制造過程中，設(shè)備出現(xiàn)異?；驀乐毓收希瑫斐僧a(chǎn)品的質(zhì)量精度下降，甚至?xí)?dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的人員傷亡[2]。故障診斷就是掌握設(shè)備運行過程中的狀態(tài)、評價設(shè)備的可靠性、預(yù)測設(shè)備的剩余壽命，降低企業(yè)的設(shè)備維護成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量精度、延長設(shè)備服役時間[3]。

故障診斷方法與應(yīng)用作為控制科學(xué)與工程專業(yè)研究生的基礎(chǔ)課程，內(nèi)容廣泛，涉及傳感器理論、數(shù)字信號處理、機械動力學(xué)、人工智能、計算機科學(xué)等領(lǐng)域，要求研究生具備創(chuàng)新性的故障診斷方法設(shè)計能力和熟練的工程故障解決能力[4]。這門課程涉及的內(nèi)容具有很高的學(xué)術(shù)研究價值，同時與工程實踐聯(lián)系緊密。傳統(tǒng)的以教師、書本、課堂為中心的教學(xué)模式極大地限制了這門課程的教學(xué)。

一、課程教學(xué)過程面臨的問題

（一）教學(xué)內(nèi)容滯后

故障診斷方法與應(yīng)用是一門綜合性很強的課程，教學(xué)內(nèi)容繁多，課程中不僅涉及傳感器的原理，還包括基于信號處理方法的特征提取，以及人工智能方法等[5]。這門課的學(xué)時設(shè)置一般為32學(xué)時，在這么短的學(xué)時內(nèi)，多學(xué)科交叉的知識內(nèi)容難以展開。特別是隨著傳感器技術(shù)、信號處理理論和人工智能方法的快速發(fā)展，以及企業(yè)對故障診斷需求的不斷變更，新技術(shù)和新方法的涌現(xiàn)迫切需要在教學(xué)中增加一定比例的新技術(shù)和新方法的內(nèi)容[6]。傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容可從信號采集、信號預(yù)處理、信號特征提取、故障分類等方面依次展開。但是近幾年隨著深度學(xué)習(xí)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容要從信號采集、數(shù)據(jù)清理、深度學(xué)習(xí)模型等方面展開，而傳統(tǒng)的信號特征提取和故障分類的內(nèi)容則難以完全適應(yīng)當前故障診斷領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[7]。

（二）教學(xué)與實踐脫節(jié)

故障診斷方法與應(yīng)用這門課與工程應(yīng)用結(jié)合十分緊密，其所涉及的理論知識實用性強，而在教學(xué)過程中，教師因過分圍繞理論知識進行講解，而忽略了工程應(yīng)用的實際特點[8]。這導(dǎo)致學(xué)生對理論知識在工程中的用途不明確，無法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時，驗證式的實驗課程設(shè)計無法讓學(xué)生真正做到理論與實踐相結(jié)合。特別是企業(yè)當前對設(shè)備的故障診斷重心開始由以發(fā)現(xiàn)故障為目的向發(fā)現(xiàn)影響生產(chǎn)精度指標轉(zhuǎn)移，這必然要求改進傳統(tǒng)的實驗課程[9]。

（三）教育收獲少

所謂的教育收獲是指學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中逐漸形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展與社會發(fā)展的人格品質(zhì)與關(guān)鍵能力[10]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式旨在培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新思維能力和實踐能力。而教學(xué)內(nèi)容的滯后和教學(xué)與實踐的脫節(jié)，使得學(xué)生對所學(xué)知識的應(yīng)用場合感到迷茫。學(xué)生缺乏完整的故障診斷實施能力，對特定的故障設(shè)備無法進行工程案例的方案設(shè)計、方法設(shè)計和實施驗證，教育收獲小，難以達到學(xué)以致用的目的。

二、案例探究式的教學(xué)改革

案例探究式教學(xué)模式主要包括案例庫式教學(xué)內(nèi)容、任務(wù)探究式互動教學(xué)方法、案例探究式實驗和多元化考核機制四個方面。其以案例庫式教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，以任務(wù)探究式互動教學(xué)方法和案例探究式實驗為執(zhí)行方法，以多元化考核機制為目的具體實施。

（一）案例庫式教學(xué)內(nèi)容

故障診斷方法與應(yīng)用課程需要授課教師具有豐富的實際工程經(jīng)驗，能深入到行業(yè)生產(chǎn)中去，將典型的故障診斷案例引入課堂，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，獨立思考并解決問題。我院與鋼鐵冶金企業(yè)建立了長期、穩(wěn)定的合作關(guān)系，多次為武鋼、梅鋼、陽鋼、柳鋼等企業(yè)解決實際工程故障難題，積累了深厚的故障診斷實際工程經(jīng)驗，并具有大量的故障案例數(shù)據(jù)，這對于該課程的案例庫建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

該課程主要包含故障診斷意義、數(shù)據(jù)采集、典型故障機理及處理方法（不平衡、不對中、軸承裂紋等）、故障診斷方法應(yīng)用四大部分。故障案例的設(shè)計如圖1所示。

課程案例庫涵蓋了整個課程的主線內(nèi)容，并都與實際工程項目相結(jié)合，主要包括故障診斷的意義、實際工程信號的采集、典型故障機理及處理方法和故障診斷方法的具體應(yīng)用。其內(nèi)容具備案例豐富、目的性強、可二次分析、綜合性強等特點;表現(xiàn)形式主要是視頻、圖片、數(shù)據(jù)、實物演示等，通過多維的案例展示，將理論知識有效銜接起來。同時，案例庫不僅包含有理論教學(xué)的形式，也具有類似實踐教學(xué)的特點，教師通過一些針對性強的故障案例，讓學(xué)生將所有理論知識進行融合，以此提高學(xué)生獨立解決問題的能力和理論創(chuàng)新能力。

各部分內(nèi)容所對應(yīng)的案例形式根據(jù)內(nèi)容特色進行設(shè)計，故障診斷意義中的故障事故通過收集的具有代表性的嚴重事故所設(shè)計，并以視頻的形式呈現(xiàn)，這樣可以直觀表達故障事故造成的嚴重后果，且更加具有視覺震撼力;而故障診斷意義中的經(jīng)濟效益，則可根據(jù)實際工程項目中的經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)進行直觀展示和比較。這一方面可以讓學(xué)生認識到實際復(fù)雜工程項目中的成本計算方式，另一方面也更容易突顯出故障診斷帶來的經(jīng)濟效益。數(shù)據(jù)采集則需要根據(jù)復(fù)雜工程環(huán)境進行正確操作，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和真實性。該內(nèi)容可以通過傳感器的實踐操作來建立幾種典型故障的數(shù)據(jù)采集方式;例如建立不同條件、不同設(shè)備的溫度、振動、轉(zhuǎn)速等測試環(huán)境，學(xué)生可以通過實踐體驗如何進行傳感器的選型和安裝，以及如何根據(jù)實際情況設(shè)置采樣頻率、采樣點數(shù)、濾波處理等參數(shù)。典型故障機理及處理方法案例庫主要構(gòu)建不對中故障、不平衡故障、裂紋故障、油膜振蕩、油膜喘振等故障類型的故障機理和常見的時域波形分析、頻譜分析、軸心軌跡分析等處理方法;故障機理通過三維動畫演示的方式構(gòu)建不同故障振動信號的產(chǎn)生過程;然后再構(gòu)建每種故障的振動信號案例庫，以實際案例分析不同故障信號的特征;最后，再通過具體實踐解決不同故障振動信號的工程故障問題。故障診斷方法應(yīng)用則主要以數(shù)據(jù)和實踐的形式構(gòu)建案例庫，通過構(gòu)建幾種典型的故障數(shù)據(jù)案例庫，分別采用傅里葉變換、小波變換、希爾伯特-黃變換、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、形態(tài)學(xué)濾波等經(jīng)典故障診斷方法進行分析，并最終通過故障診斷試驗臺采集故障數(shù)據(jù)進行驗證和診斷。

案例庫的構(gòu)建需要根據(jù)內(nèi)容來決定案例庫的形式，通過視頻、圖片、案例數(shù)據(jù)、案例實驗等形式將案例庫與課程內(nèi)容緊密結(jié)合，這樣可顯著提高學(xué)生復(fù)雜工程問題的解決能力和工程實踐素養(yǎng)。

（二）任務(wù)探究式互動教學(xué)方法

由于故障診斷案例和相應(yīng)診斷方法內(nèi)容比較分散，灌輸式教學(xué)模式很難讓學(xué)生自動聯(lián)系之前的理論，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果差，甚至?xí)霈F(xiàn)完全聽不懂而導(dǎo)致不愿學(xué)習(xí)的情況[11]。采用任務(wù)探究式互動教學(xué)方法，首先，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計并下達任務(wù);然后，學(xué)生根據(jù)任務(wù)進行分組討論，回顧并聯(lián)系之前的知識;最后，學(xué)生進行分組匯報，教師進行適當?shù)狞c評。在任務(wù)探究式互動方法中，任務(wù)的設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性決定互動式教學(xué)的成敗[12]。例如，在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集相關(guān)內(nèi)容時，可以下達這樣的任務(wù)：某熱軋產(chǎn)線軋輥附近，在工作過程中出現(xiàn)顯著的振動，該如何獲取正確數(shù)據(jù)進行分析？這個任務(wù)就會讓學(xué)生根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境來選擇耐高溫、量程范圍大的振動加速度傳感器，且傳感器的安裝需要根據(jù)監(jiān)測是否長期而選擇螺栓固定或者磁鐵吸附，采樣頻率則需要考慮該振動可能是由于部件松動或裂紋、點蝕等引起的阻尼振動而選擇較高的采樣頻率。通過這樣一個任務(wù)，學(xué)生對信號采集的內(nèi)容可以通過任務(wù)式探究進行融會貫通。在學(xué)習(xí)典型故障分析時，可以下達這樣的任務(wù)：某連軋機軋輥標定過程中，其軋制力標定峰峰值逐漸增大，給出近一周連續(xù)的軋制力標定數(shù)據(jù)、軋輥機械參數(shù)及運行速度等信息，分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。根據(jù)該項案例數(shù)據(jù)，會涉及故障發(fā)展趨勢特征的提取、故障特征信號提取、故障信號類型判斷及故障原因定位等內(nèi)容，學(xué)生分組討論時就可以從表征現(xiàn)象到內(nèi)在機理進行深入分析。由于數(shù)據(jù)案例來源于實際工程中，學(xué)生可自行代入到現(xiàn)場工程師的角色，這能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)收獲的喜悅度。在學(xué)習(xí)故障診斷方法的應(yīng)用時，給學(xué)生布置綜合式任務(wù)：采集機械故障實驗臺的軸承數(shù)據(jù)，并通過傅里葉變換、小波變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波等方法對數(shù)據(jù)進行分析和比較，判斷待分析軸承的狀態(tài)（正常、內(nèi)圈故障、滾動體故障、外圈故障）。該項任務(wù)，可以綜合鍛煉學(xué)生的信號采集和信號處理方法的編程和故障診斷能力。

（三）案例探究式實驗

研究生實驗課程應(yīng)該是以創(chuàng)新性解決實際工程問題為主要目的，因此，實驗應(yīng)該是開放自主性的設(shè)計類實驗，而不應(yīng)是傳統(tǒng)的驗證性實驗。在案例庫設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集、典型故障機理及處理方法和故障診斷方法應(yīng)用的內(nèi)容中均設(shè)計有實踐類案例庫，這種實踐類案例庫的特點是以解決某一個實際工程問題為目的，可進行自主方案設(shè)計、傳感器選擇、診斷方法設(shè)計和方案實施等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識進行自主探究式實驗。例如，以軸承故障診斷為例，給學(xué)生提供故障診斷平臺，包括可選的不同故障類型的軸承、多種類型的傳感器、信號處理箱、數(shù)據(jù)采集卡、負載、數(shù)據(jù)采集上位機軟件等。學(xué)生自主以軸承故障診斷為目的，進行不同故障類型軸承測試，自主選擇傳感器類型、測點位置、采樣頻率、采樣點數(shù)，并最終探索采用最有效的方法進行故障的診斷。在整個實驗環(huán)節(jié)中，傳感器選型、測點分布、信號采集和故障診斷方法的應(yīng)用全部包含在實驗里，這更加有助于學(xué)生的知識融合，提高學(xué)生的教育收獲。

（四）多元化考核機制

該課程的性質(zhì)決定了課程考核不能以考試的形式進行，而應(yīng)該綜合考慮學(xué)生的課堂互動表現(xiàn)、實踐能力和課程報告的撰寫和分析能力。課堂互動表現(xiàn)的考核可以讓學(xué)生更積極地加入到課堂中來，從而改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式;實踐能力能反映學(xué)生解決實際工程問題的應(yīng)變能力和實操能力;課程報告能反映學(xué)生的方案設(shè)計能力、應(yīng)用數(shù)字信號處理方法解決實際工程問題的能力及文獻查閱等能力。結(jié)合教學(xué)模式進行相應(yīng)的多元化考核機制的改進，加強對學(xué)生任務(wù)探究式互動教學(xué)和案例探究式實驗過程中的評估，將學(xué)生的互動表現(xiàn)、實踐能力和診斷方法創(chuàng)新性一起作為考核學(xué)生的標準，這有助于學(xué)生積極參與到每一個教學(xué)步驟中并充分展示自己。

三、結(jié)論及建議

（一）主要結(jié)論

本文對故障診斷方法與應(yīng)用的案例探討式教學(xué)模式進行了探索，得到如下結(jié)論。

1.案例探討式教學(xué)的核心是案例庫的建設(shè)，案例庫的建設(shè)必須根據(jù)課程的內(nèi)容來設(shè)置呈現(xiàn)的形式，且案例庫的數(shù)據(jù)必須遵循現(xiàn)場案例、可二次分析的原則進行，同時要具有知識結(jié)構(gòu)的完整性。

2.任務(wù)探究式互動是案例探討式教學(xué)的有效實施方式，教師給學(xué)生足夠的空間去學(xué)會思考、討論和總結(jié)，最終調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性。

3.案例探究式實驗是學(xué)以致用的關(guān)鍵，可融合所有章節(jié)理論知識，有利于學(xué)生自主設(shè)計工程案例的解決方法并有效實施。

4.多元化考核機制，從課程學(xué)習(xí)過程中對學(xué)生進行評價，有利于對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、自主性、實踐能力進行綜合了解和評價。

（二）研究建議

雖然案例探究式教學(xué)從教學(xué)方式、實驗設(shè)計和考核機制等方面進行改革，可以提高學(xué)生的教育收獲，但仍需要注意以下問題。

1.更新課程案例庫：課程案例庫應(yīng)以社會工程需求為導(dǎo)向，時刻關(guān)注故障診斷方法的前沿理論知識，不斷對課程案例庫進行更新和完善;同時，應(yīng)時刻關(guān)注企業(yè)對故障診斷的需求，如初步的故障診斷、綜合性能評價、壽命預(yù)測等，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和案例庫內(nèi)容。

2.控制教學(xué)節(jié)奏：在教學(xué)過程中，雖然新理論的灌輸十分重要，但是這并不意味著經(jīng)典理論可以完全拋棄，教師需要有效把握新舊知識的教學(xué)比例和教學(xué)進度，使得教學(xué)過程能有序進行。同時，探究式互動需要教師控制好輕松的討論氛圍。

3.優(yōu)化實驗進度：實驗應(yīng)該是以工程案例為驅(qū)動，貫穿理論教學(xué)進度安排，避免集中安排在理論教學(xué)之后，從而出現(xiàn)知識的遺忘。同時，實驗應(yīng)該分為模塊化實驗和綜合性實驗，前者是自行設(shè)計探討某個局部問題的解決方案;后者是自行設(shè)計探討整個工程案例的綜合解決方法。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王國彪，何正嘉，陳雪峰，等.機械故障診斷基礎(chǔ)研究“何去何從”[J].機械工程學(xué)報，2013（1）：63-72.

[2] 彭開香，馬亮，張凱.復(fù)雜工業(yè)過程質(zhì)量相關(guān)的故障檢測與診斷技術(shù)綜述[J].自動化學(xué)報，2017（3）：349-365.

[3] 李旭東，張仕朝，劉祎.滾動接觸疲勞壽命預(yù)測方法綜述[J].航空精密制造技術(shù)，2017（3）：1-4.

[4] 劉慧敏，韓峻，譚波，秦一平.故障模擬法在火炮結(jié)構(gòu)原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)教育，2015（12）：139-141.

[5] 張新洲，陳蘭，甘淑媛，等.機械故障診斷技術(shù)課程教學(xué)探析[J].考試周刊，2017（44）：7.

[6] 陳成軍，李東年.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計案例教學(xué)研究與實踐[J].大學(xué)教育，2017（9）：54-56.

[7] 鞏曉赟，侯俊劍，馬建榮.機械故障診斷課程的教學(xué)研究與實踐[J].中國輕工教育，2015（5）：74-76.

[8] 王保建，陳雪峰，李兵，等.虛實結(jié)合的故障診斷課程教學(xué)改革與實踐[J].實驗室科學(xué)，2017（2）：154-158.

[9] 王劍，蔣漢軍.齒輪早期故障綜合模擬實驗臺研制[J].實驗室研究與探索，2016（4）：67-70.

[10] 王福斌，陳至坤，張瑞成.構(gòu)建“智能控制”教學(xué)案例提高研究生實踐技能[J].大學(xué)教育，2018（4）：78-80.

[11] 馮淑敏，黃惠珠.數(shù)控專業(yè)故障診斷與維護綜合實踐課程教學(xué)改革與探索[J].大學(xué)教育，2018（4）：57-59.

[12] 牛禮民.測試技術(shù)與信號處理課程案例式教學(xué)探索[J].大學(xué)教育，2017（12）：36-38.

[責(zé)任編輯：陳 明]