《機械故障診斷》研究生教學課程改革的探討

蘇祖強+熊英+羅久飛+張毅

摘要：故障診斷技術(shù)對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。《機械故障診斷》這門課程主要講解故障診斷中所涉及的理論與方法。本文闡述了該門課程的主要特點，剖析了教學過程中存在的問題，對這些問題提出了一些探討性的解決思路。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)機械；故障診斷；實踐教學；研究生教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）41-0242-02

一、前言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，機械設(shè)備正朝著大型化、復(fù)雜化、精密化的方向發(fā)展，同時要求機械設(shè)備能夠在比較惡劣的環(huán)境下長時間穩(wěn)定地運行，比如大型風力發(fā)電機組。在工業(yè)實踐中，一方面不容許這些機械設(shè)備出現(xiàn)故障，另一方面這些機械設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失。故障診斷就是尋找故障原因的過程，其實質(zhì)是了解和掌握設(shè)備運行過程中的狀態(tài)，評價、預(yù)測設(shè)備的可靠性，減少企業(yè)的運營成本。目前，故障診斷技術(shù)已被大量地應(yīng)用于石油化工、水利發(fā)電、礦產(chǎn)開采等多個關(guān)系國民經(jīng)濟的重要領(lǐng)域。此外，故障診斷技術(shù)也是實現(xiàn)“中國制造2025計劃”，完成以加工為主導(dǎo)的傳統(tǒng)制造業(yè)向以服務(wù)為主導(dǎo)的現(xiàn)代制造業(yè)轉(zhuǎn)型所必備的核心技術(shù)。

在這樣的背景下，將《機械故障診斷》這門課程作為研究生的基礎(chǔ)理論課程。該門課程所涉及的內(nèi)容比較廣泛，包括信號分析與處理、機械動力學分析、人工智能方法等。同時，這門課程又是一門實踐性很強的課程，理論和實踐結(jié)合十分緊密。此外，該門課程所涉及的內(nèi)容學術(shù)研究價值很高，可以作為學生在研究生學習階段的研究方向。傳統(tǒng)的教學模式極大地限制了該門課程的教學。

二、課程教學過程中存在的問題

1.教學內(nèi)容多而泛。《機械故障診斷》是一門綜合性很強的課程，課程中不僅涉及到大量的公式推理，如傅里葉變換的推理公式，還包括許多新理論和新方法，如：人工智能算法、專家系統(tǒng)等。而該門課程的授課學時一般都設(shè)置為32個學時，學時數(shù)比較少，難以對相關(guān)知識進行展開授課。同時該門課程各個章節(jié)之間的關(guān)聯(lián)性也不夠強，各知識點之間具有一定的獨立性，造成學生學習和理解困難。

2.教學與實踐嚴重脫節(jié)。《機械故障診斷》這門課程與工業(yè)實踐結(jié)合十分緊密，所涉及到的內(nèi)容實用性極強。該門課程作為研究生的理論基礎(chǔ)課，其教學目的是使學生全面、真實地掌握故障診斷的核心思想以及相關(guān)的理論方法，增加學生的創(chuàng)新思維能力和工程實踐能力。然而，現(xiàn)有的教學模式大多以書本為主導(dǎo)進行展開，嚴重缺少實踐教學環(huán)節(jié)。

3.教學過程中“教”與“學”脫鉤。傳統(tǒng)教學模式采用“老師授課——學生聽課”的方式展開，“教”與“學”缺少良性互動的環(huán)節(jié)，容易導(dǎo)致老師授課時不清楚學生對知識的實際掌握情況，學生對課程知識理解不透徹，進而喪失學習興趣，使得教學過程形式化、教學結(jié)果低效化的問題。

三、探索性的教學改革

1.課程內(nèi)容設(shè)置的改革。《機械故障診斷》這門課程所涉及的內(nèi)容比較豐富，同時又是一門理論性很強的課程，如果不結(jié)合工程應(yīng)用案例，相關(guān)知識點的講解將會十分的空洞。因此，在教學過程中可以引入工程實際應(yīng)用案例進行分析，如可以對齒輪箱不同故障情況（如缺齒、斷齒、齒輪裂紋、軸承故障、軸不對中、軸偏心等）下的振動機理進行分析，講解不同故障的特點以及應(yīng)當采用的信號分析方法。此外，還需要額外講解Matlab等計算軟件使用方面的知識。Matlab是一種交互式的程序語言，計算功能強大，算法實現(xiàn)容易、結(jié)果顯示直觀，在教學過程中采用Matlab語言實現(xiàn)相關(guān)算法，并將算法運行結(jié)果直觀地展現(xiàn)給學生，可以加深學生對相關(guān)知識的直觀理解，提升學生學習的主觀能動性。

2.實踐教學的改革。《機械故障診斷》這門課程所涉及到的內(nèi)容實用性非常強，學生要學好本門課程就必須培養(yǎng)實踐動手能力。在實踐教學改革中，擬從以下幾個方面展開：（1）熟悉和掌握采集相關(guān)知識。機械運行過程中產(chǎn)生的信號及其特征信息是分析機械及其運行狀態(tài)的主要手段，而對這些信號的有效采集是進行故障診斷的前提。實驗室采用VC++語言搭建了信號采集的軟件部分，硬件部分采用了NI9234采集卡和PCB加速振動傳感器。NI9234采集卡擁有4個采集通道，最大采樣率為51.2KS/s，分辨率為24位，已經(jīng)完全滿足教學需求。PCB加速度傳感器具有工作穩(wěn)定、無需增加額外的放大電路的優(yōu)點，使用十分方便，非常適合教學。（2）齒輪箱實驗臺故障診斷實驗。齒輪箱的故障診斷在故障診斷中具有一定的代表性，實驗室的齒輪箱故障診斷試驗臺能夠有效模擬缺齒、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。（3）機床狀態(tài)監(jiān)測實例應(yīng)用。我校實訓(xùn)加工中心有多臺老式機床，包括車床、銑床和磨床，可采集相應(yīng)部件的運行信號進行故障診斷的實例分析。

3.教學方式方法的改革。研究生的教學目的與本科階段的教學目的有較大的區(qū)別，本課程研究生階段的教學目的是使學生掌握故障診斷的基本理論和知識，增加學生的自學能力以及搜集資料和分析資料的能力。因此，在教學過程中可以采用學生自主授課的方式進行。學生要完成老師布置的授課內(nèi)容，必須要對相關(guān)知識進行詳細的梳理和剖析，在遇到理解困難的知識點時需要通過各種途徑查找大量文獻資料，同時需要對文獻資料進行消化和總結(jié)。在這個過程中，學生不僅深刻地掌握了相關(guān)知識點，同時培養(yǎng)了學生的自學能力，為學生以后的學習打下了堅實的基礎(chǔ)。此外，學生需要將相關(guān)知識點在自己理解的基礎(chǔ)上進行授課，將相關(guān)知識點深入淺出地表述出來，可以極大地鍛煉學生的語言組織能力，在參與教學的過程中也可以極大地拓展學生的視野，突破以往學生被動接受知識的學習模式。

4.考核方式的改革。以往的考核方式只以期末考試成績作為考核指標，這種方式的考核存在諸多問題，如：對學生學習的監(jiān)督性不夠強，容易引起學生功利性的學習態(tài)度，學生只關(guān)心考試過關(guān)與否，而不是真正用心學習課程知識，難以對學生的學習情況進行全面、綜合的考察。因此，在課程考核方面，可以采用實踐考核、平時小論文撰寫、期末考試相結(jié)合的方式進行考核。在實踐教學過程中，需要自己完成數(shù)據(jù)采集、實驗臺故障診斷實驗和機床故障診斷實驗，學生的現(xiàn)場表現(xiàn)以及實驗報告能夠體現(xiàn)學生的工程實踐能力，以及學生對相關(guān)知識的掌握情況。在自主授課環(huán)節(jié)，學生需要收集和分析大量的文獻資料，在這個過程中需要學生根據(jù)自己收集到的資料文獻，撰寫一篇小論文。小論文的撰寫情況不僅能夠體現(xiàn)學生的學習態(tài)度，也能鍛煉學生的學術(shù)技能，為以后的研究工作打下基礎(chǔ)。期末考試采用閉卷的方式進行。期末考試可以有效考察學生對課程知識點的掌握情況。結(jié)合實踐考核、平時小論文撰寫、期末考試對學生進行考核，可以全面、綜合地考察學生對《機械故障診斷》課程知識掌握的真實情況。

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