“機械故障診斷技術”課程教學改革研究

裴宏杰 王貴成 沈春根 王志 戴亞春

摘 要 針對當前“機械故障診斷技術”課程的問題，提出了新的教改方案。該方案以課程為載體，以課堂和實驗室為陣地，以工程應用為根本，不斷地將機械故障診斷技術的最新進展及國內外的最新成果融入教學內容之中，基于“知行合一”的教學理念，采用案例為主線的專題式的教學方法，構建出基本案例、拓展案例、能力案例的“三級遞進式”的課程架構，初步形成科學、合理、完整、共享的教學體系。

關鍵詞 機械故障診斷 案例 知行合一 教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：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

機械故障診斷技術是監測、診斷和預示連續運行機械設備的狀態和故障，保障機械設備安全運行的一門科學技術。[1]其研究領域涉及到力學、摩擦學、機械學、非線性科學、信息學、測試技術、計算機技術、設備管理學等多種學科，并在其交叉點上生長出來的成為新興學科。“機械故障診斷技術”是一門包含很多新技術內容的理論性、應用性、實踐性很強的課程，隨著科學技術和工程教育的發展，很多高等院校對“機械故障診斷技術”課程進行了改革探索。

在教學理念方面，對教學理念本身研究很少涉及，更多的是先進教學理念在“機械故障診斷”領域中的應用研究。[2-3]

在教學內容方面，針對教學脫離工程實際、學生基礎薄弱等主要問題，提出的加強基礎知識，采用案例式教學研究較多。[4-7]

在教學方法方面，為了更好的貫徹教學理念，提出了項目式、案例式、討論式、多媒體式、開放實驗式等教學方法。[2，5，8-9]

隨著國家制造業行動綱要-《中國制造2025》[10]的提出，催生了“新工科”[11]和“雙一流”[12]建設的迫切需求。在新的時代背景下，如何貫徹創新型、綜合化、全周期工程教育的“新理念”，實現“機械故障診斷技術”的教學理念、教學內容、教學方式的三位一體的教學體系，進一步展開了教改研究，以期對培養創新性人才起到作用。

1 原課程存在的問題

目前“機械故障診斷技術”課程主要講授機械故障診斷的基本原理、油樣診斷技術、溫度診斷技術、聲學診斷技術、振動診斷技術、故障樹分析方法及應用實例等方面的內容。由于課程內容豐富，知識點多，課時量少（總學時16學時），使得教學過程中產生了很多問題，主要問題如下：

1.1 應知不知

應該掌握的相關知識，沒有掌握，或者理解膚淺。其原因在于，一方面，機械故障診斷學是綜合了機械工程、力學、數學、計算機、傳感器、信號處理、無損檢測和人工智能等諸多方面知識，知識面寬廣，理論性強，部分內容抽象。限于課時量，知識點的講授普遍不能深入。另一方面，學生先期修學課程掌握不足（總課時量大幅減少，內容簡化）或尚未開課，導致學生在學習故障診斷過程中理解能力欠缺，造成了學生似懂非懂的窘境。

1.2 知而難行

難于應用所學知識，解決實際問題。其原因在于，一方面，教學內容偏重于基礎理論，與工程實際結合不緊密，忽略了本科生授課對象的特點。另一方面，教學所用案例不具備代表性，不能很好的貫穿基礎理論和實際應用。

1.3 事事不行

只能解決相似案例，對于形式較大變化的應用工況，茫然不能理出頭緒。其原因在于，課堂還是以教為主，學為輔，顛倒了教與學的關系，極大挫傷了學生獨立學習和思考的積極性，未能培養出解決問題的能力。

2 教學改革目標

通過教學改革，使學生能夠了解機械故障診斷學科發展現狀，能正確認識機械故障領域新產品、新技術、新工藝、新材料的開發和應用對于客觀世界和社會的影響，初步掌握并使用現代工程技術、方法和工具，具備了不斷學習、適應發展、解決問題的能力，圓滿達到“機械設計制造及其自動化專業”本課程應支撐的畢業要求。

3 課程教學改革方案

3.1 “知行合一”的教學體系

知行合一，指知識和行動的統一。根據專業培養目標，按照以果推因的因果邏輯，把培養過程倒推分為三個階段，“知行合一”（理論與實踐的統一）——“行”（拓寬知識和初步應用）——“知”（掌握基礎知識），構建出教學架構，如圖1所示。課程體系分為“知”和“行”兩個部分，“知”部分包括課堂教學和網絡教學，“行”部分包括實驗教學和網絡教學，其中網絡教學為“知”“行”共有。根據知行合一的教學理念，采用案例為主線的專題式教學方式，構建出基本案例、拓展案例、能力案例的“三級遞進式”的課程架構。

課程教學，屬于應知的內容，共分為7個專題，包括總論、溫度診斷技術、油液診斷技術、振動診斷技術、聲學診斷技術、故障樹分析技術和綜合應用。每個專題，以典型案例為主線，以故障問題為起點，分析其現象，給出解決問題的步驟，尋求出解決方法，介紹相關基礎理論、實驗系統和信號處理，從而夯實基礎。

網絡教學，屬于拓展內容，包括6項專題。限于有限課時，有些內容課堂不能展開，另外，由于學生的前期基礎不一樣，使得應知應會的內容沒有掌握和理解。增加網絡視頻教學，講解拓寬的基礎知識，供學生學習和參考。另外，在網絡課程里面，增加相似案例和拓展案例及作業案例，供學生學習和練習。

實驗教學，屬于實踐內容，用于提高解決問題的能力。通過課程教學和網絡教學，學生已經初步具備了解決問題的能力。設計出各種故障的綜合開放式實驗，由學生組成小組，自行設計方案，尋求出故障所在。

3.2 教學內容

3.2.1 教學案例

案例設計要圍繞課程理念和教學目標來進行，使學生掌握基本原理和理論知識，提高學生分析問題和解決問題的能力。設計的案例要難易適中，要緊跟最新研究熱點，這樣既能夠激發學生學習的熱情，又具有前瞻性，為學生以后的學習和研究指明了方向。

案例分為精選的實際案例和設計的虛擬案例。實際案例，來源于工程應用；虛擬案例，是根據實際案例進行改編，針對不同目標而專門設計的。根據學生培養的不同階段，選擇和設計出“三級遞進式”的教學案例：基本案例、拓展案例和能力案例。

基本案例，在課堂教學階段，以虛擬案例為主，應體現出相關專題的主要基礎理論，代表性的實驗系統和典型的信號處理技術，為學生進一步學習打下基礎。基本案例是課堂教學的主線，串聯整個專題，需要涵蓋所有流程和知識點，需要根據實際案例修改和完善，達到教授知識，培養學生思考的能力。

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

能力案例，在“知行合一”階段，能力案例全部為實際案例，充分發揮學生的潛力。針對實際工況選擇并設計，以開放性實驗呈現給學生，由學生組成團隊，提出方案，構建實驗系統，采集信號并處理，尋求出故障所在，并提出解決辦法。從而達到知行合一，學以致用的培養目標。

3.2.2 共享式在線內容

增加網絡課程，用于完善和補充課堂教學的不足。主要包括課堂教學課件及錄像、拓展知識講課課件及錄像、案例庫（包括基本案例和拓展案例）、儀器庫、習題庫及最新技術介紹等板塊內容。其中習題庫是設計的各種虛擬案例和選擇的實際案例，供學生練習，訓練學生獲得初步解決問題的能力。

3.2.3 開放性實驗

在拓展階段，結合學校實驗的情況，精選若干實際案例，由學生組成小組，選擇其中1個案例，自己組建實驗系統，判斷系統的狀態，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 國際視野的打造

國際化是現在學生培養的一個主要方向。為了打造學生的國際視野，在每項專題中增加前沿技術介紹，在網絡平臺上增加前沿模塊，并讓學生研讀部分國內外最近相關論文或資料，翻譯最新的外文文獻，以開闊其視野，培養其自學和分析問題的能力。

3.3 研討式的教學方式

學生是教學的主體，教師是教學的主導，只有發揮兩個方面的積極性，才能教學相長，提高授課質量。在教學過程中，以案例為主向，以問題為起點，采用師生共同進行研討的方式，在教學過程中讓學生的主動參與，鼓勵其對學術問題或工程實際問題進行研討。

3.4 團隊精神的歷練

在拓展階段，3-5名學生可以組成小組，每個學生根據自己獨立思考的結果，進行小組內的交流討論，最終每個小組形成相對統一的結論，交流中達到互相啟發和提高的目的，充分發揮團隊協作的精神。在能力階段，小組共同決定選擇案例，對案例進行分析和決策，分工協作，構建實驗系統，數據分析，解決問題，教師可以現場進行指導和評論。

4 結語

課程教學目標和教學內容，是根據社會的需求而修訂，其教學案例來源于企業。通過全部學習訓練過程，學生不僅掌握了機械故障診斷技術的基礎知識，而且掌握了如何使用現代工程技術、方法和工具，具備了解決實際問題的能力，進到企業里面很快就會上手，解決工程問題。本課程所構建的案例庫，通過網絡課程，可實現跨領域、校際、校內等共享，對需要提高業務水平或者解決企業問題的員工或者學生，提供一個基本的平臺。

江蘇大學高等教育教改研究課題資助項目（2017JGYB013），教育部人文社會科學研究專項（10JDGC023）

參考文獻

[1] 王國彪，何正嘉，陳雪峰，賴一楠.機械故障診斷基礎研究“何去何從”[J].機械工程學報，2013.49（1）：63-72.

[2] 宿磊，李可，吳靜靜等.基于CDIO 的機械故障診斷課程改革實踐[J].科技視界，2017（8）：70-72.

[3] 馮秀.基于工作過程系統化“化工機械狀態監測與故障診斷”改革[J].中國電力教育，2011（29）：92-93.

[4] 李寧，范勤，王志剛等.機械設備故障監測與診斷本碩博系列課程教學改革[J].中國冶金教育，2014（3）：28-30.

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

[6] 鄭近德，潘海洋，潘紫微.本科生機械故障診斷學課程教學改革研究[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2016.33？（2）：101-102.

[7] 黃廣霞，布占偉.案例分析法在機械故障診斷技術課程中的應用[J].科教導刊（上旬刊），2013？（11）：176-177.

[8] 向家偉.基于LabView 的“機械故障診斷學”課程CAI教學系統設計[J].中國科技信息？，2007（4）：253-254.

[9] 冷軍發，華偉，荊雙喜.機械故障診斷實驗教學改革與創新[J].中國現代教育裝備，2009（11）：104-106.

[10] 中華人民共和國國務院.《國務院關于印發“中國制造2025”》的通知（國發〔2015〕28號） .[EB/OL].http：//www.gov.cn/gongbao/content/2015/content_2873744.htm.

[11] 中華人民共和國教育部.“新工科”建設復旦共識[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.[2017-02-18].

[12] 雷環，田慧君，王孫禺.“雙一流”建設與工程教育研究[J].中國大學教學，2017（12）：27-30.