以能力为导向的案例教学法在课程教学中的实践与探索

柳文林等

[摘要]《机械故障诊断学》是航空宇航科学与技术专业研究生的一门重要课程，具有很强的理论性和应用性。论述了案例教学法在本门课程教学中的组织和实施步骤、列举了典型教学案例。实践表明通过案例教学法的运用，激发了学员的学习兴趣，提高了学员分析问题、解决问题的能力。

[关键词]案例教学法 机械故障诊断 课程教学 实践

案例教学法之前多用于法学、工商管理等课程，但因其可以更为贴近实际的将理论与实际联系在一起们，目前正被越来越多的运用在不同领域、不同专业的教育人员培训中去。案例教学的主体是学员，其教学目标是引导学员自主的进行学习、研究，快速提高解决实际问题的能力，来更好的挖掘学员潜力，培养学员的能力。

《机械故障诊断学》这门课程的内容主要包括机械故障及其诊断的基本理论，故障诊断的信号分析与处理技术，机械故障的振动诊断方法、油液分析技术、无损检测技术等。该课程与机械装备维护保障联系十分紧密，因此非常适合使用案例教学法进行课堂教学。

一、教学案例选取与方案设计

《机械故障诊断学》中讲到的机械故障及故障诊断方法在机械装备的日常维护保障中十分常见。本课程中，教员先对与故障诊断相关的基本理论进行讲解，然后提出多种实际故障案例来进行案例教学，目的是使学员能将故障诊断的理论方法运用到实践中去。

（一）案例的选取

为了使教学案例具有针对性、实用性，案例的选取须紧紧围绕机械装备常见故障案例进行选择。虽然《机械故障诊断学》教材中列举了很多机械故障与诊断的实例，但是与本专业方面研究的机械装备实际故障结合不紧密，案例信息不完善，实用价值不高。所以，在选择案例时应选择典型的、与本专业机械装备联系紧密的、涉及知识面较广的机械故障实例作为教学案例，进而使学员从多角度、多层面、全范围的对知识进行学习和应用。

通过调研、查阅资料，本课程选取了典型航空发动机转子碰摩故障诊断案例、典型飞机油液分析与故障诊断案例、基于故障树的飞机起落架故障案例、航空发动机喘振故障诊断案例等几个模块案例。

（一）教学案例方案设计

以典型航空发动机转子的碰摩故障诊断案例为例，来介绍一下教学方案的设计情况。

教学实施共分4个步骤完成。

（1）提供典型航空发动机使用维护信息及故障历史数据，由学员分析主要故障模式、确定主要诊断目标定位。

（2）学员根据系统原理与构造，研究确定采样参数。按照确定的采样周期，通过实际和实验采集相关的故障信号。

（3）介绍相应的信号分析处理方法，提供发动机正常工作状态下的相关指标基准。

（4）以收集处理的特征信号为依据，结合发动机的实际工作状态，由学员总结、提出发动机碰摩故障的机理、特征、危害后果等。

二、案例教学组织与实施

此阶段的任务是组织学员进行资料搜集，查阅此类故障的详细资料，开展讨论，进行指导与点评。

（一）任务布置

每3-4名学员分成一组，要求其到图书馆、网上搜集有关航空发动机故障诊断及发动机特征信号处理的相关资料，让不同小组选择不同的方法对发动机相关特征信号进行处理，并在此基础上展开讨论，比较不同方案的优劣，得出结论，并制作幻灯片进行汇报，最后形成论文上交。

对汇报的具体内容要求如下：（1）介绍故障机理和研究方法；（2）对案例分析过程进行具体汇报；（3）给出分析结果，总结研究收获。

（二）研讨交流

开展研究讨论是案例教学的重要环节，是“以学员为主体”的教学思想的重要体现。以下是本课程案例教学中两组学员的学习成果。

第一组：根据不同的能量保持率采用主成分分析提取转子故障频谱特征，并结合支持向量机方法来判断发动机的故障类型。

碰摩故障样本不易获取，该组针对这一航空发动机实际运行过程中的问题，提出基于正常工作状态时的样本，采用主成分分析和支持向量机的故障检测方法。该方法首先对正常工作状态的频谱进行归一化，对归一化的样本集进行主成分分析直接提取出低维特征。运用支持向量机方法对正常工作状态的样本进行学习，获取正常工作状态的域边界，并建立转静碰摩检测判据，基于转静检测判据判别出碰摩故障是否发生，同时也可根据判据值与阈值的差别大小来判别碰摩故障的严重程度。本组案例借鉴的主成分分析和支持向量机的方法是针对航空发动机的碰摩故障进行的，对于其他类型故障检测和诊断也可采用本方法。

第二组：运用快速傅立叶变换FFT对振动信号进行处理，依据神经网络方法对发动机故障类型进行判别。

将获得的发动机正常工作状态数据样本和故障数据样本特征信号进行FFT变换，将在特征不明显的时域转化为较容易提取特征的频域中，从而提取出发动机正常工作时的特征信号作为训练样本输入到神经网络中去进行训练，得出训练样本，再将一组已知特征信号输入到神经网络中进行判别。

（三）总结讲评

教员在提供案例之后，给予学员一定的引导，在小组研究讨论后，重点进行点评和总结，评价和总结学员的学习效果，对学员的参与度、专研精神、学习技巧等各个方面进行讲评。

通过案例教学可以发现，学员的表现十分突出，各有千秋：第一组运用方法新颖，创新点多；第二组方法简便快捷，容易理解，思路清晰。两个小组学员都很好的掌握了其所运用的方法，达到了一定的学术水平。总而言之，在本次案例教学中，学员都能找准自己的位置，找到适用的方法，去解决相关的问题。两个小组各有所长，其方法得到了相互印证与补充。

三、结论

在将案例式教学运用到《机械故障诊断学》的教学改革过程中可以发现，学员学习的主观能动性一旦被激发，再辅以“分组竞争、团队合作”，能够更加充分的激发学员潜能，提升学员能力。

在实施案例教学法时，要善于引导，牢牢把握教员为主导、学员为主体的宗旨，要采用多种教学手段营造良好的学习氛围，激发学员学习的积极性。案例式教学法不仅仅适用于《机械故障诊断学》课程，对其他研究生专业课程也同样适用。

[参考文献]

[1]顾铮.将案例教学法运用到《航空安全与事故防范》课程教学的探索与实践[J].中国民航飞行学院学报 2006，（3）：27-29

[2]钟秉林，黄仁.机械故障诊断学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]王璟，王清华，王春華.案例教学法在军事院校大学化学课程教学中的应用[J].高等教育研究学报 2013，（36）：94-96

（作者单位：1.海军航空工程学院 飞行器工程系 山东 烟台，2.海军航空工程学院 研究生管理大队 山东烟台）