机械故障诊断课程的教学研究与实践

巩晓赟 侯俊剑 马建荣

（郑州轻工业学院，郑州450002）

机械设备涉及电力、石油、化工、煤矿、航空、铁路等行业领域，种类繁多。机械故障诊断课程是一门涉及面很广、应用性强的专业课程。该课程的主要任务是研究如何对机械设备进行状态监测、故障分析、运行状态预测、以及对设备的进一步优化，并通过专家诊断系统对运行的设备作出推断与决策。因此，这门课程对设备运行的可靠性、安全性和可维护性具有极其重要的意义[1]。

机械故障诊断课程是面向机械专业的学生开设的专业选修课，该课程涉及机械工程、信息工程、控制工程、力学及仪器科学与技术等学科内容，融合了不同学科的理论、方法与手段；另外随着机械设备日趋大型化、高速化、集成化和自动化，对机械设备的检测与诊断要求也逐渐多元化。所以针对不同机械设备故障检测的特点，本课程对每章节的教学研究内容进行了优化，同时进一步对教学方法进行多元化的改进。

一、教学过程需要解决的问题

1.学生对诊断和维修的认识误区

学生在学习本课程之前，普遍认为故障诊断就是车间工人拿个锤子满手油污地到处敲打，学生对现代机械设备的诊断方法和技术认识存在很大误区。

2.基础课程与工程应用的衔接不足

机械故障诊断课程属于交叉性学科，涉及机械原理、控制理论、传感器以及信号分析等基础课程的知识，本课程需要将多门专业基础课的知识串联起来，是所学基础课程的综合应用。如何改进教学方法，引导学生进一步把握基本理论与实践应用的有机性和整体性是需要解决的问题。

3.实践认识的匮乏

机械故障诊断课程的主要诊断对象是企业或工厂中的自动化关键设备，目前学生工程背景尚有欠缺，技术知识尚不完整，在课程教学过程中，应探索如何根据学生的实际情况进行案例讲解和实验分析。

二、教学内容的探析与实践

1.教材的选择

中国工程院院士谢友柏说[2]：“要了解一个领域，并且想进入这个领域，最好的办法就是先找一本这个领域的经典著作，老老实实地读完，不仅要掌握书中阐述的基本概念，还要弄懂书中介绍的基本理论，学好书中采用的基本方法，了解问题的本质。”针对机械故障诊断领域还不熟悉的本科生，一本好的教材可以起到抛砖引玉的效果，是提高教学质量的重要保证。

针对本科生的机械故障诊断教材，目前主要有两类，一类是以理论为基础的经典型教材；另一类是包含新理论、新方法的分析型教材。经典教材的优势是具有深厚的理论基础和严谨的科学性，但随着新材料、新技术和新仪器的层出不穷，经典教材还没有做到与时俱进，比如点检数据采集时，目前大部分采用的是便携式多功能智能采集仪，但经典教材中更多出现的是磁带记录仪进行测试记录。如果单纯地以经典教材为教学内容，会让学生感到枯燥无味，不能激发学生的学习兴趣，新颖型教材虽然在基本理论方面不如经典教材，但这种教材的内容体现了理论的前瞻性，有利于学生学到前沿理论知识和最新实践发展动态，有利于激发学生求知的热情和培养广泛的兴趣。所以应在强化经典教材的同时，增加包含最新发展动态的补充教材 （这些补充教材多以电子教材为主），以方便学生更好地跟踪现代机械故障诊断领域的前沿技术和研究热点。

2.教学内容的设计

在教学环节中，应时刻注意以学生为中心，讲授以引导为主，并以培养学生把所学到的专业知识转化为实际应用能力为主要任务。在教学内容上，具体实施策略如下。

第一，以专业特色为研究对象来设置课程内容。不同高校的机械专业根据该校的专业特色和研究方向的不同，讲授内容的侧重点也会有一定的差异性，因此根据机械类具体专业的特点，讲授内容也应有所调整。如针对机械类的测控专业，课程内容以关键设备的监测诊断技术和实施方案为主线进行展开；而对机械设计专业的本科生，则应更侧重于机械设备的主要故障模式和故障机理，为设备的动态性能优化提供理论依据。所以在教学设计中，不能单单以教学内容的系统性和完整性为目标，更要与学生的实际情况相结合。

第二，机械故障诊断课程涉及多学科内容，知识综合性强，联系工程实际紧密，故案例教学是机械故障诊断课程必不可少的环节。在课堂教学中融入案例教学时，一定要提前备好课，使分析的案例能够贯通本节课的理论知识。在具体的案例教学中，可将教材中的案例和实际所做项目中的一些案例相结合。根据专业特点，有主有次，让学生感觉确实学有所用，增加学生的专业认同感，同时培养学生的知识迁移和应用能力。

第三，增加和更新课程内容，适应市场和实际发展的需求。可根据教师自己的专业特点与研究方向，将查阅的最新研究动态和所做的一些研究内容补充到课堂教学中，以拓宽学生的知识领域，增加学生的专业兴趣和知识面。通过不断地调整课程内容，帮助学生夯实相关理论基础，提高应用能力，使学生感受到知识应用的广阔性，缩短他们进入社会适应岗位的时间。

三、多元化教学方法的探索

机械故障诊断课程是基于工程背景下的专业课程，教学目标包含理论知识的讲授和工程应用能力的培养两个方面。让学生能够较好地掌握设备监测与诊断的基础知识和基本技能，除了教学内容的设计，更要注重教学方法的有效性。课程教学方法改革必须以学生的知识构建为中心，对课程的教学大纲、教学内容、教学模式等环节进行全方位改革，加强对学生学习规律的研究[3]。采用由理论到实际、由基础到综合、由工程实例到科学研究的多元化教学模式，实现以能力培养为导向的教学宗旨。

1.通过讲座介绍课程应用背景和热点问题

由于许多学生在学习机械故障诊断课程之前对其课程内容的认识比较茫然，比如机械设计专业的一些学生在学习本课程之前，认为该课程就是工人拿个锤子在车间敲敲打打，与机械设计专业联系不大。所以在讲解课程内容的绪论之前，提前通过讲座形式对机械故障诊断的应用背景、发展趋势以及作者在这方面的研究进展进行简要介绍，具体内容涉及本课程和其他课程之间有何种联系，机械故障诊断技术在工程实际中的应用与发展前景，以及国内外的研究趋势等。这样，使学生一开始就对机械故障诊断课程有全面的认识，激发学生学习机械故障诊断课程的兴趣，将原来的被动学习转化为主动学习。

为了引导学生把课堂中学到的知识与机械故障诊断的热点问题联系起来进行探究，在课程内容学习的中后期插入学生感兴趣的热点讲座，比如在讲座中列举于2015年3月6日在国防科技杂志发表的 《美军武器装备维修与保障的现状及其启示》一文，该文详细讲解了信息化时代武器装备保障的新特点，美国目前采样的主要维修保障策略和方式等内容，使学生得到武器装备的维修保障能力是战斗力生成的“倍增器”的启示，这样学生可以看到机械故障诊断课程的内容不仅仅用于生产企业，以美国为代表的世界军事强国也正在大力发展装备保障理论和技术，注重装备全寿命周期保障的整体设计。除此之外，还可介绍可穿戴设备、物联网等技术在机械设备故障诊断的发展倾向。通过课前、课中和课后的45分钟讲座，能够让学生在一个更宽广的视野里解读设备监测与诊断的问题，扩展学生的知识面，帮助学生不断培养创新意识。

2.基于案例的互动教学

案例分析如果以老师讲授的传统教学方式为主导，很难调动学生的积极性和自发性[4]。在案例教学中，可将转子系统故障、齿轮故障、轴承故障和电机故障等不同类型的典型故障，通过教材案例与项目案例的比较，提炼出具有代表性的案例。为了激发学生的学习兴趣，让学生模拟现场工程师参与到案例分析中来，学生在实施设备诊断之前，必须对设备的各个方面有充分的认识和了解，就像医生治病必须熟悉人体的构造一样，需要对设备的结构参数、运行参数和运行状态有足够的了解。学生通过案例分析，决定测点的选取、测量参数的确定、传感器的选择与安装，信号分析方法的开展，分析结果的诊断等。这些内容对学生是很大的挑战，需要综合所学知识，让学生提出自己对问题的理解和解决方案。通过讨论、启发、论辩、角色互换等方式达到培养学生独立思考、创新思维的目的。

3.基于问题的实验分析

传统的实验教学通常是老师在课前将实验内容和实验步骤预先设计好，学生做实验时只要按照老师设计好的实验步骤完成实验内容即可，在实验过程中，学生只是实验的执行者，却对实验为何这样设计缺少思考。为了让学生达到“知其然也知其所以然”的目的，可对机械故障诊断课程的实验进行了改进。例如，“转子不平衡故障诊断”是一个典型的验证型实验，过去一般都是在课前老师设定好不平衡质量块的克数和安装的角度，学生只需采集添加不平衡质量块前后的振动信号进行诊断分析，结果验证比较容易，但对不平衡质量块的克数和安装角度的选择原因却“不知所以然”。实验教学方法改进后，在实验教学中融入了自主式和问题式教学，如在“转子不平衡故障诊断”实验中，将做实验的学生分为4组，实验方案的关键环节设计如表1所示，具体参数大小的选择可由4组学生共同商量自主选择，实验结束后小组间比较实验结果，得出不同参数下的质量不平衡振动特征。针对不同的实验结果，学生有了这样的疑问：“为什么相同克数的质量块放在相位30°时，振动强度比平衡状态的振动强度明显增强，但当把质量块放到相位210°时，振动强度反而降低？”通过相位的选择，学生对转子的绝对平衡和相对平衡有了直观的认识，同时，对转子不平衡故障特征随转速的变化而变化也有了更深刻的理解。通过这种基于问题式的实验教学方法，有利于培养学生的主动性和创造性，学生通过探究条件设置的不同可以得出不同的实验结果，达到“知其然并知其所以然”的目的，有利于促进学生科研素质的提高。

4.教与学有机结合，不断优化教学方法

教与学有机结合，不断优化教学方法。在教学过程中不仅需注重学生综合素质的提高，使学生在实际工作中更具竞争力，同时还要求教师必须具有创新精神和较高的应变能力。教师应在教学过程中通过不断积累新知识，寻求灵活有效的教学方法，以适应专业和实际需求；同时也可通过学生提意见的方式，探索新的教学方法，将教与学有机地结合起来，实现自身教学能力的不断提升。

表1 转子不平衡故障诊断实验分组情况

四、结束语

机械故障诊断技术涉及内容多，应用范围广。作为机械专业的学生，毕业后从事的岗位大多与机械设备密切相关。机械故障诊断课程教学作为机械工程学科的专业课程，是学生从学校理论知识向工程实际过渡的桥梁。所以教师在授课过程中应将工程实例、科学研究与课堂教学相结合，采用应用型教学与学术引导型教学等多元教学手段，对教学内容不断优化。经过笔者两年多的实践，取得了较好的效果。在今后的工作中，笔者还将继续实践、探索基于机械故障诊断课程的多元化教学模式，促进机械故障诊断课程的改革。

[1]王国彪，何正嘉，陈雪峰，等.机械故障诊断基础研究“何去何从”[J].机械工程学报，2013，49（1）：63-72.

[2]何正嘉，陈进，王太勇，等.机械故障诊断理论及应用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]陈国栋，何钦铭，张聪.强化过程、深化互动的教学方法改革[M].杭州：浙江大学出版社，2013.

[4]周绍萍.面向能力培养的状态监测与故障诊断课堂教学实践[J].化工高等教育，2013（1）：71-74.