鄭近德，潘海洋，潘紫微

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

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本科生機(jī)械故障診斷學(xué)課程教學(xué)改革研究

鄭近德，潘海洋，潘紫微

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

本科生機(jī)械故障診斷學(xué)課程教學(xué)中存在內(nèi)容理論性強(qiáng)、教學(xué)脫離工程實際、學(xué)生基礎(chǔ)薄弱等問題，可以通過補充基礎(chǔ)知識、聯(lián)系工程實際增加實驗、優(yōu)化考核方式等，提高本課程在本科生教學(xué)過程中的質(zhì)量和效果。

機(jī)械故障診斷；課程；教學(xué)改革

機(jī)械故障診斷學(xué)是一門正在不斷發(fā)展完善、綜合性和實踐性較強(qiáng)的跨學(xué)科交叉的應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)。機(jī)械故障診斷學(xué)在很多高校已成為機(jī)械工程和過程裝備與控制工程等專業(yè)本科生和研究生培養(yǎng)計劃中的重要選修課程，甚至還有部分高校將其列為本科生的必修課程。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，本課程在本科生的實際教學(xué)過程中還存在比較多的問題，主要包括以下幾個方面。[1]

(一)教學(xué)脫離工程實際

機(jī)械故障診斷學(xué)教學(xué)過程中，教師過分強(qiáng)調(diào)理論知識的講解，與工程實際結(jié)合不緊密，忽略了授課對象的特點，很多課本上的理論基礎(chǔ)知識即使教師講過很多遍，學(xué)生也學(xué)過和考過，但在工程實際中，學(xué)生仍不知道這些知識有什么用處，這就導(dǎo)致他們的學(xué)習(xí)的積極性不高，對本課程逐漸失去信心。

(二)課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容寬泛

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)、計算機(jī)、傳感器、信號處理、無損檢測和人工智能等諸多方面知識的綜合課程，牽涉的知識面非常廣，理論性也非常強(qiáng)。在實際教學(xué)中，很多教師只注重理論知識的傳授，而忽略了該課程在工程實際和實踐中的應(yīng)用，因此，教學(xué)效果欠佳。

(三)學(xué)生基礎(chǔ)薄弱

機(jī)械故障診斷學(xué)是為機(jī)械類和過程裝備與控制工程等專業(yè)的本科生開設(shè)的一門專業(yè)選修課程，但是，這門課開設(shè)的時間安排在大二上學(xué)期。這門課程必備的振動基礎(chǔ)、信號處理和傳感器等基礎(chǔ)知識，以及與本課程有緊密聯(lián)系的機(jī)械工程測試技術(shù)和本課程也是在同一學(xué)期開設(shè)，而不是提前開設(shè)。因此，學(xué)生在聽課的時候沒有理論基礎(chǔ)，對傅里葉變換和頻譜分析及各種頻域和時頻域的概念很難理解。

(四)缺少實驗教學(xué)和實習(xí)環(huán)節(jié)

在實際的教學(xué)環(huán)節(jié)中，基本上沒有實驗設(shè)備以及相應(yīng)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，因此，這就導(dǎo)致機(jī)械故障診斷的教學(xué)與實際相脫離。此外，在實習(xí)的階段，也往往只注重機(jī)械設(shè)備的構(gòu)造和設(shè)計，而不重視機(jī)械設(shè)備的故障檢測與診斷。

(五)考核方式單一

本課程目前的考核方式是開卷考試，平時作業(yè)要求較少。因此，很多學(xué)生學(xué)習(xí)和考試都沒有壓力，甚至考前也不復(fù)習(xí)，而考完試后卻對所學(xué)知識掌握不牢。

二、具體改革措施

(一)教學(xué)聯(lián)系工程實際

針對教學(xué)內(nèi)容脫離工程實際的情況，嘗試將案例分析教學(xué)法引入到機(jī)械故障診斷學(xué)的教學(xué)中。案例分析教學(xué)法集討論、啟發(fā)與互動于一體，將實際問題帶到課堂上，以教學(xué)目標(biāo)為中心，圍繞一個案例，經(jīng)過課前的精心準(zhǔn)備和詳細(xì)策劃，嚴(yán)格按照教學(xué)環(huán)節(jié)展開課程。同時，通過教師和學(xué)生的互動和討論分析，將零散雜亂的知識點轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的、有機(jī)聯(lián)系的、能夠解決實際問題的知識體系，通過這種訓(xùn)練提高學(xué)生分析問題和解決問題能力。案例教學(xué)法的具體實施過程大致如下：一是結(jié)合案例，提出問題。例如，以某滌綸廠一關(guān)鍵設(shè)備R05齒輪箱的振動分析為例，該齒輪箱振動出現(xiàn)異常，通過采集該齒輪箱的振動信號，需要采用什么樣的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如何對信號進(jìn)行處理，如何診斷和排除故障特征。二是分析問題，自主探究。這一步的開展是在學(xué)生對該案例有了感性認(rèn)識后。在此過程中，教師要對案例中的問題進(jìn)行引導(dǎo)式詳細(xì)的分析與講解，使學(xué)生能夠?qū)Π咐懈钊氲牧私?。例如，對于齒輪箱的故障振動信號，采用什么方法分析，各種方法的優(yōu)缺點等。三是分組討論，合作探究。在自主探究的過程中，學(xué)生針對問題有了自己的思路，接下來，教師就要組織多個小組進(jìn)行討論，使學(xué)生通過集體合作，進(jìn)一步深入探討解決問題的關(guān)鍵所在。討論合作探究結(jié)束后再讓不同的小組相互交流與探討，通過借鑒別組的優(yōu)勢與長處，補充和完善本小組知識的不足，從而達(dá)到更深層次的掌握教學(xué)內(nèi)容的目的。四是總結(jié)評價。通過分析齒輪箱的振動故障數(shù)據(jù)，同時結(jié)合小組和班級討論的結(jié)果，給出正確的、合理的齒輪箱故障的原因。最后，讓學(xué)生以書面作業(yè)形式對課堂討論進(jìn)行總結(jié)。這樣，學(xué)生對具體案例及案例所反映出來的問題有更深刻的理解和掌握，同時，也有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和問題分析等能力的提高。[2]

(二)補充基礎(chǔ)知識

由于機(jī)械故障診斷學(xué)這門課程的理論性和工程實踐性相對較強(qiáng)，涉及的知識面也比較廣，而課程的學(xué)時則比較有限，學(xué)生會因多而雜的知識而感到繁和難，甚至?xí)?dǎo)致一部分學(xué)生產(chǎn)生不同程度的厭學(xué)情緒，從而影響教學(xué)效果。應(yīng)針對很多學(xué)生在故障診斷方面的基礎(chǔ)比較薄弱的情況，安排一到二次課時來講解與故障診斷相關(guān)的Matlab工程軟件、力學(xué)振動基礎(chǔ)、傳感器和檢測技術(shù)等基本知識，特別是這些知識在故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用。

(三)增加實驗環(huán)節(jié)

首先，在理論知識教學(xué)方面，教師將理論知識在工程實踐中應(yīng)用的例子介紹給學(xué)生，讓他們覺得理論知識不僅是有用的，而且與生活和工程實際有密切的聯(lián)系。其次，要求學(xué)生針對某一方面的內(nèi)容或知識點，查找具體的理論在實際應(yīng)用中的實例。再次，嘗試在教學(xué)環(huán)節(jié)中采用其它的經(jīng)典的教學(xué)方法，如項目教學(xué)法等。具體來說，針對齒輪和滾動軸承故障診斷以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷系統(tǒng)等知識的教學(xué)過程中，可以采用項目教學(xué)的方式對這些理論進(jìn)行教學(xué)，但所設(shè)置的“項目”應(yīng)盡量同時包含多門課程的知識。[3]

為了加強(qiáng)理論知識與工程實際的聯(lián)系，在教學(xué)過程中需要增加實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。根據(jù)課程的特點，實驗內(nèi)容選擇旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中比較常見的齒輪故障及滾動軸承故障診斷。將實驗環(huán)節(jié)安排在與課程相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容之后，就是希望學(xué)生將理論知識與實驗教學(xué)內(nèi)容能夠很好結(jié)合。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)能夠讓學(xué)生對于機(jī)械設(shè)備故障診斷過程中的每一個環(huán)節(jié)，從傳感器的布置、數(shù)據(jù)的采集、振動信號的處理、診斷結(jié)果和診斷報告的分析等方面有深刻的認(rèn)識。

(四)布置課堂練習(xí)和課后作業(yè)

機(jī)械故障診斷學(xué)前幾章節(jié)的內(nèi)容主要是信號分析與處理，理論性很強(qiáng)，因此，要學(xué)好這門課程就必須做一定量的隨堂練習(xí)或課后作業(yè)。要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)程度，每節(jié)課設(shè)計一定量的練習(xí)題，分為課堂練習(xí)和課后作業(yè)。課堂練習(xí)是在學(xué)習(xí)完某一節(jié)的理論之后，讓學(xué)生當(dāng)堂完成并公布答案。同時，將具有一定難度的提高性題目留給學(xué)生課后去思考，以達(dá)到對所學(xué)的知識鞏固的效果。在學(xué)習(xí)完一章的內(nèi)容之后，還可以在基礎(chǔ)性題目的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加一些拔高性的練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。此外，對于課程的最后幾章，如滾動軸承和齒輪的故障診斷，基于計算機(jī)的故障診斷專家系統(tǒng)等，這些知識的實踐性較強(qiáng)，可以布置一些具有一定動手能力的題目，以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新思維能力以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

(五) 優(yōu)化考核方式

本課程傳統(tǒng)的考核方式主要是以最終的期末考試為主，考核方式過于單一。單純的一次性考試的考核方式很難達(dá)到全面考核學(xué)生對故障診斷知識的理解和應(yīng)用的目的，而且對學(xué)生創(chuàng)新精神的發(fā)揮和分析解決問題能力的提高都有很大的制約，不利于教師對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核與監(jiān)督，也不利于教師依據(jù)上課情況的反饋信息及時優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和完善教學(xué)方法。[4]對此，在本課程的教學(xué)中，筆者嘗試在開卷考試的基礎(chǔ)上，增加大作業(yè)和討論環(huán)節(jié)等。例如，嘗試要求學(xué)生在期中考試前后，通過學(xué)過的知識，參考國內(nèi)外文獻(xiàn)，交一次大作業(yè)或課程學(xué)習(xí)報告。同時鼓勵學(xué)生在準(zhǔn)備大作業(yè)或報告的過程中針對具體的問題進(jìn)行故障診斷的研究。將大作業(yè)納入到期末成績中，比例約占總成績的10%或15%。此外，考慮將學(xué)生在平時課堂的表現(xiàn)如出勤、課堂回答以及討論和實驗環(huán)節(jié)的表現(xiàn)等也納入到本課程的評價體系，這幾項所占分值比例為25%或30%。而最終的期末考試卷面成績約占最終考試成績的60%。這種分形式和分階段的考核模式強(qiáng)化了對學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程的評價，更有利于學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中的知識的學(xué)習(xí)和掌握。[5]

三、結(jié)語

機(jī)械故障診斷學(xué)這門課程的性質(zhì)決定了教師必須將課堂教學(xué)和工程實踐相結(jié)合。課程教學(xué)是工程實踐的基礎(chǔ)，工程實踐是課堂教學(xué)的目的，只有二者有機(jī)結(jié)合，才能達(dá)到最佳的課程目的和培養(yǎng)效果。

[1]王昊，吳懋亮，王化更.《機(jī)械故障診斷學(xué)》的教學(xué)改革研究[J]. 教育教學(xué)論壇, 2015(16):122-123.

[2]王杰. 案例式教學(xué)法在液壓系統(tǒng)故障診斷課程中的探索與實踐[J]. 科教導(dǎo)刊, 2014(9): 178-179.

[3]黃廣霞, 布占偉. 案例分析法在機(jī)械故障診斷技術(shù)課程中的應(yīng)用[J]. 科教導(dǎo)刊, 2013(11): 176-177.

[4]周昌靜, 李強(qiáng). 機(jī)械設(shè)備故障診斷課程教學(xué)改革與實踐[J]. 化工高等教育, 2014(6):49-51.

[5]饒思賢, 周煜. 材料力學(xué)課程的教學(xué)改革研究[J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版), 2014(3): 111.

(責(zé)任編輯 文雙全)

Research on the Teaching Reform of the Course Mechanical Fault Diagnosis for Undergraduates

ZHENG Jin-de, PAN Hai-yang, PAN Zi-wei

(School of Mechanical Engineering, AHUT, Maanshan 243002 Anhui, China)

It is found that there exist such issues as over-theoratical teahcing in content, separated teaching from engineering practice, and weak basis of knowledge in students in the teaching of the course Mechanical Fault Diagnosis for Undergraduates. And it is effective to raise the teaching quality and effectiveness by way of making students more knowledgeable, giving them more experiments in the combination of engineering practice and making improvement on the evalution method for teachers.

Mechanical Fault Diagnosis; course; teaching reform

2015-10-10

國家自然科學(xué)基金項目(51505002)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點項目(KJ2015A080)

鄭近德(1986-)，男，安徽臨泉人，安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，博士。

G642.0

A

1671-9247(2016)02-0101-02