《机械故障诊断学》的教学改革研究

王昊+吴懋亮+王化更

摘要：针对现有机械故障诊断学的研究生教学过程的不足，提出了教学改革的思路。从补充讲解基础环节入手，强调学生讲课环节、强化讨论环节，特别是增强和工程实际相结合的教学，最后增加实验教学环节等方面进行教学改革。期待可以显著提高本课程教学质量和效果，并能在学生的工作中真正发挥作用。

关键词：故障诊断；教学改革；工程实践；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0122-02

随着现代工业的发展，机械设备的故障诊断技术日益得到重视，已经成为保障生产系统安全稳定运行和提高产品质量的不可或缺的重要手段及关键技术。目前，机械故障诊断在电力、化工、冶金、机械等大型企业得到了十分广泛的应用。此外，在现代机械制造系统中，如：柔性制造系统、计算机集成制造系统等，故障诊断技术也具有相同的重要性。机械故障诊断学作为学习故障诊断技术的专门课程，是近年来发展迅速的一门实践性、综合性、多学科交叉的学科。就学科本质而言，是属于动态系统辨识的研究范畴；就工程特点而言，是研究机械设备运行状态的科学。

在很多高校，机械故障诊断学已经成为机械工程、仪器仪表和能源动力等学科专业研究生培养体系中一门重要的选修课程，有些高校甚至还把该课程列为必修课程。我校近几年作为选修课开设了这门课程，但在该课程的教学过程中，主要还是从理论来到理论去，在理论联系实际方面还有许多工作要做。为了提高学生对该课程在工程实践中应用的认识，并提高教学质量和效果。我们提出了新的教学改革思路，主要包括是增加学生讲解环节、讨论环节、与工程实践相结合及实验教学等环节，并且对课程的考核方式也进行了改革。期望这些教学改革可以显著提高这门课程的教学效果，使得其在研究生的就业及工作中能够真正的发挥作用。

一、机械故障诊断学教学现状

目前，在机械故障诊断学的教学过程中，存在不少问题，其中的主要问题如下。

1.内容广泛。机械故障诊断学是多学科综合的课程，与数学、信号处理、传感器、人工智能等学科关系密切。本课程主要包括：信号检测、动态系统分析、故障诊断的人工智能方法、故障诊断的工程应用等，知识面非常宽广。因此，理论性非常强，我们以前讲授这门课程的时候，也都是特别注重理论，所以教学效果还有待提高。

2.学生基础薄弱。机械故障诊断学是为动力机械与工程专业的研究生开设的一门专业选修课，但是学生以前本科所学专业基本上都是热能工程或机械制造及其自动化专业。对于在故障诊断中占有重要地位的振动基础、传感器等的基础知识几乎都不具备。因此，从一开始，学生在听课的时候就感觉非常难，例如对于时域中的时间序列模型预测及频谱分析中各种频域概念很难理解。此外，有不少同学还没有接触过Matlab软件，或者说对此软件还是一知半解，课程后面的一些作业都很难完成。

3.与工程实际结合不紧密。以前在教学过程中，我们主要强调理论知识的讲解，和工程实际的结合不是非常紧密。因此，很多理论知识，即使学生学习过了，也不知道在工程实际中有什么用处。理论教学与工程实际仍然存在一定的距离。

4.缺少实验教学环节。在以前的教学环节中，由于缺少实验设备，没有安排实验教学环节。因此机械故障诊断总归是纸上谈兵。

5.考核方式单一。本课程一直以来都是采用大作业的形式进行考核，学生往往在交作业的前面几天进行突击，写出来的报告要么是格式不符合要求，要么就是大段地抄袭参考文献资料。

以上这些问题在机械故障诊断学课程的教学过程中，一直存在。因此，这也是我们在该课程的教学改革过程中，需要重点解决的问题也是亟待需要进行改变的现状。

二、补充讲解基础环节

针对很多同学的故障诊断方面的基础较薄弱的情况，在本课程的绪论课之后，安排了一二次课，用来讲解与故障诊断直接相关的振动基础、传感器知识及Matlab仿真的一些基本知识。讲解的内容不要求非常全面，而是着重介绍一些基础知识，特别是这些知识在故障诊断方面可能的应用，例如：振动中三类问题、频响函数、振幅的几种表现形式等。传感器的基本知识。此外，对于在故障诊断仿真研究中具有重要地位的Matlab软件中的Simulink及后面将要用到的若干工具箱的应用进行了一定的介绍。通对这些基础知识的补充，同学们对于后面碰到的内容不会感觉太突兀，可以快速领会并且直接应用到后续的学习内容中去。

三、增加学生讲课环节

为了在教学过程中，充分调动学生的学习积极性，在这门课程中能够做到学有所得，学有所用，我们专门安排了学生讲课的环节。由于选这门课程的研究生人数不多，从操作上来说，是比较可行的。首先选取了重点内容，例如：作为最重要的故障诊断基础的时域分析和频域分析；作为现代智能故障诊断代表的模糊诊断方法、神经网络诊断方法、专家系统等。选取的内容还可以根据学生的人数进行相应的调整。布置安排学生进行讲课，给予学生充足的准备时间。现有的实践表明，学生在教学过程中，体现了良好的积极性和主动性。大部分讲课的学生都能够做到充分准备，采用ppt形式或者板书的形式进行讲解。而且他们在讲解的过程中，还能够查找相应的文献资料，从而自己对所讲的这部分内容在故障诊断实践中有了非常深刻的认识。实践证明学生讲课环节对于主讲的学生可以起到非常好的作用，该学生对于这部分内容的掌握非常扎实，大作业也绝大部分同学都是选择与自己讲过内容想过的题目，来完成本课程的大作业。

四、增加讨论环节

尽管学生讲课环节，对于主讲学生，可以充分发挥主观能动性，并取得较好的学习效果。但是对没有参加讲课的学生，由于没有认真准备，所以学习的效果比较有限。为此，我们在增加学生讲课环节的同时，特意增加了讨论环节，希望能够弥补学生讲课环节的不足。讨论环节的内容可以有两种选择：一种是在教师所讲授内容的基础上，提前安排每一位同学准备讨论内容。第二种在学生讲课环节的基础上，对于某些非常重要的内容，要求主讲学生认真准备讲课，而其他同学也要认真准备，并进行讨论。在课程的教学过程中，可以在模糊诊断方法、神经网络诊断方法及故障诊断实例教学部分等安排讨论环节。实践证明，讨论环节可以很好地避免学生的学习惰性，经过提前准备，学生对于一些需要讨论的内容可以掌握得比较扎实。而且这种讨论环节可以在教学过程中经常进行，从而不断地敦促学生积极参与。endprint

五、增加与工程实践相结合环节

由于本课程与工程实践实际结合非常紧密，为了避免在课程的讲授过程中，过于强调理论知识，从如下几个方面增加了与工程实际相结合的教学活动。

1.在理论教学过程中，不断将理论知识在工程实践中的实际应用介绍给学生。在绪论的教学过程中就使用一个水轮机故障诊断系统引起学生的注意力和兴趣，并且给学生简单介绍Open Predictor故障诊断系统。例如在介绍故障树诊断方法时，介绍了船舶碰撞故障树的实例分析。

2.要求学生自己针对某一方面的内容，查找具体的实例应用。例如在模糊诊断方法的学习过程，要求同学们介绍自己所查到的模糊诊断方法在实际工程实践中的实例。

3.尝试在教学环节中采用项目教学法，例如在故障诊断实例部分的内容，教师可以对旋转机械的故障诊断系统、齿轮故障诊断、轴承故障诊断采用项目教学的方式进行讲解和介绍。

六、添加实验教学环节

尽管采取了多种措施对机械故障诊断学课程进行了教学改革，但是实验教学环节还是必不可少。以前没有开设课程实验是由于缺少实验设备。现在已经具备了基本的故障诊断实验设备，因此，为了加强理论联系实际，我们在教学过程中添加了实验教学环节。实验内容选择旋转机械故障诊断中比较常见的齿轮故障诊断及轴承故障诊断。而且把实验安排在课程相关教学内容之后，希望学生能够将理论知识与实验教学内容相结合。实验教学，使得学生对于故障诊断的整个过程，从布置传感器、数据采集、信号处理、诊断分析、诊断报告等方面有个深刻的认识。这一点是其他教学过程学生所得不到的训练。

七、考核方式多样化

由于本课程以前的考核方式过于单一，仅仅依靠课程结束后学生所提交的大作业。由于这种大作业的形式较好，对于研究生综合素质的提高具有一定的作用。因此，在本课程的教学改革过程中，仍然继续保留写报告的大作业形式。但是，在教学改革中，将显著提高大作业的要求，例如：对题目的要求有明显限制、要求字数要求、参考文献的篇目要求显著提高。而且，特别鼓励在大作业中加入针对具体问题所进行的故障诊断研究。大作业所占的比例要求，从原来的100%降为60%。除此之外，将学生在课堂表现、作业情况、讲课环节、讨论环节和实验环节等的表现纳入本课程的评价体系中，这几项所占分值比例为40%。结果表明，这样对学生将会产生一定的压力，从而在各个不同环节中都能够积极投入，从而提高了教学效果和质量。

八、结论

为了提高机械故障诊断学课程的教学质量，对该课程提出了教学改革的思路。在总结了该课程的教学过程的不足的基础上，为了解决以前教学过程中所存在的问题，制定了具体的教学改革措施。这些措施均为解决具体的问题而提出的，具有较高的可行性。

参考文献：

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