關(guān)于《機(jī)械故障診斷學(xué)》的教學(xué)改革研究論文
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的故障診斷技術(shù)日益得到重視，已經(jīng)成為保障生產(chǎn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和提高產(chǎn)品質(zhì)量的不可或缺的重要手段及關(guān)鍵技術(shù)。目前，機(jī)械故障診斷在電力、化工、冶金、機(jī)械等大型企業(yè)得到了十分廣泛的應(yīng)用。此外，在現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)中，如：柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等，故障診斷技術(shù)也具有相同的重要性。機(jī)械故障診斷學(xué)作為學(xué)習(xí)故障診斷技術(shù)的專門課程，是近年來發(fā)展迅速的一門實(shí)踐性、綜合性、多學(xué)科交叉的學(xué)科。就學(xué)科本質(zhì)而言，是屬于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)的研究范疇;就工程特點(diǎn)而言，是研究機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)。
在很多高校，機(jī)械故障診斷學(xué)已經(jīng)成為機(jī)械工程、儀器儀表和能源動(dòng)力等學(xué)科專業(yè)研究生培養(yǎng)體系中一門重要的選修課程，有些高校甚至還把該課程列為必修課程。我校近幾年作為選修課開設(shè)了這門課程，但在該課程的教學(xué)過程中，主要還是從理論來到理論去，在理論聯(lián)系實(shí)際方面還有許多工作要做。為了提高學(xué)生對(duì)該課程在工程實(shí)踐中應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，并提高教學(xué)質(zhì)量和效果。我們提出了新的教學(xué)改革思路，主要包括是增加學(xué)生講解環(huán)節(jié)、討論環(huán)節(jié)、與工程實(shí)踐相結(jié)合及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié)，并且對(duì)課程的考核方式也進(jìn)行了改革。期望這些教學(xué)改革可以顯著提高這門課程的教學(xué)效果，使得其在研究生的就業(yè)及工作中能夠真正的發(fā)揮作用。
一、機(jī)械故障診斷學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀
目前，在機(jī)械故障診斷學(xué)的教學(xué)過程中，存在不少問題，其中的主要問題如下。
1.內(nèi)容廣泛。機(jī)械故障診斷學(xué)是多學(xué)科綜合的課程，與數(shù)學(xué)、信號(hào)處理、傳感器、人工智能等學(xué)科關(guān)系密切。本課程主要包括：信號(hào)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析、故障診斷的人工智能方法、故障診斷的工程應(yīng)用等，知識(shí)面非常寬廣。因此，理論性非常強(qiáng)，我們以前講授這門課程的時(shí)候，也都是特別注重理論，所以教學(xué)效果還有待提高。
2.學(xué)生基礎(chǔ)薄弱。機(jī)械故障診斷學(xué)是為動(dòng)力機(jī)械與工程專業(yè)的研究生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，但是學(xué)生以前本科所學(xué)專業(yè)基本上都是熱能工程或機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)。對(duì)于在故障診斷中占有重要地位的振動(dòng)基礎(chǔ)、傳感器等的基礎(chǔ)知識(shí)幾乎都不具備。因此，從一開始，學(xué)生在聽課的時(shí)候就感覺非常難，例如對(duì)于時(shí)域中的時(shí)間序列模型預(yù)測(cè)及頻譜分析中各種頻域概念很難理解。此外，有不少同學(xué)還沒有接觸過Matlab軟件，或者說對(duì)此軟件還是一知半解，課程后面的一些作業(yè)都很難完成。
3.與工程實(shí)際結(jié)合不緊密。以前在教學(xué)過程中，我們主要強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的講解，和工程實(shí)際的結(jié)合不是非常緊密。因此，很多理論知識(shí)，即使學(xué)生學(xué)習(xí)過了，也不知道在工程實(shí)際中有什么用處。理論教學(xué)與工程實(shí)際仍然存在一定的距離。
4.缺少實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。在以前的教學(xué)環(huán)節(jié)中，由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，沒有安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。因此機(jī)械故障診斷總歸是紙上談兵。
5.考核方式單一。本課程一直以來都是采用大作業(yè)的形式進(jìn)行考核，學(xué)生往往在交作業(yè)的前面幾天進(jìn)行突擊，寫出來的報(bào)告要么是格式不符合要求，要么就是大段地抄襲參考文獻(xiàn)資料。
以上這些問題在機(jī)械故障診斷學(xué)課程的教學(xué)過程中，一直存在。因此，這也是我們?cè)谠撜n程的'教學(xué)改革過程中，需要重點(diǎn)解決的問題也是亟待需要進(jìn)行改變的現(xiàn)狀。
二、補(bǔ)充講解基礎(chǔ)環(huán)節(jié)
針對(duì)很多同學(xué)的故障診斷方面的基礎(chǔ)較薄弱的情況，在本課程的緒論課之后，安排了一二次課，用來講解與故障診斷直接相關(guān)的振動(dòng)基礎(chǔ)、傳感器知識(shí)及Matlab仿真的一些基本知識(shí)。講解的內(nèi)容不要求非常全面，而是著重介紹一些基礎(chǔ)知識(shí)，特別是這些知識(shí)在故障診斷方面可能的應(yīng)用，例如：振動(dòng)中三類問題、頻響函數(shù)、振幅的幾種表現(xiàn)形式等。傳感器的基本知識(shí)。此外，對(duì)于在故障診斷仿真研究中具有重要地位的Matlab軟件中的Simulink及后面將要用到的若干工具箱的應(yīng)用進(jìn)行了一定的介紹。通對(duì)這些基礎(chǔ)知識(shí)的補(bǔ)充，同學(xué)們對(duì)于后面碰到的內(nèi)容不會(huì)感覺太突兀，可以快速領(lǐng)會(huì)并且直接應(yīng)用到后續(xù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容中去。
三、增加學(xué)生講課環(huán)節(jié)
為了在教學(xué)過程中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在這門課程中能夠做到學(xué)有所得，學(xué)有所用，我們專門安排了學(xué)生講課的環(huán)節(jié)。由于選這門課程的研究生人數(shù)不多，從操作上來說，是比較可行的。首先選取了重點(diǎn)內(nèi)容，例如：作為最重要的故障診斷基礎(chǔ)的時(shí)域分析和頻域分析;作為現(xiàn)代智能故障診斷代表的模糊診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法、專家系統(tǒng)等。選取的內(nèi)容還可以根據(jù)學(xué)生的人數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。布置安排學(xué)生進(jìn)行講課，給予學(xué)生充足的準(zhǔn)備時(shí)間。現(xiàn)有的實(shí)踐表明，學(xué)生在教學(xué)過程中，體現(xiàn)了良好的積極性和主動(dòng)性。大部分講課的學(xué)生都能夠做到充分準(zhǔn)備，采用ppt形式或者板書的形式進(jìn)行講解。而且他們?cè)谥v解的過程中，還能夠查找相應(yīng)的文獻(xiàn)資料，從而自己對(duì)所講的這部分內(nèi)容在故障診斷實(shí)踐中有了非常深刻的認(rèn)識(shí)。實(shí)踐證明學(xué)生講課環(huán)節(jié)對(duì)于主講的學(xué)生可以起到非常好的作用，該學(xué)生對(duì)于這部分內(nèi)容的掌握非常扎實(shí)，大作業(yè)也絕大部分同學(xué)都是選擇與自己講過內(nèi)容想過的題目，來完成本課程的大作業(yè)。
四、增加討論環(huán)節(jié)
盡管學(xué)生講課環(huán)節(jié)，對(duì)于主講學(xué)生，可以充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，并取得較好的學(xué)習(xí)效果。但是對(duì)沒有參加講課的學(xué)生，由于沒有認(rèn)真準(zhǔn)備，所以學(xué)習(xí)的效果比較有限。為此，我們?cè)谠黾訉W(xué)生講課環(huán)節(jié)的同時(shí)，特意增加了討論環(huán)節(jié)，希望能夠彌補(bǔ)學(xué)生講課環(huán)節(jié)的不足。討論環(huán)節(jié)的內(nèi)容可以有兩種選擇：一種是在教師所講授內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提前安排每一位同學(xué)準(zhǔn)備討論內(nèi)容。第二種在學(xué)生講課環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)于某些非常重要的內(nèi)容，要求主講學(xué)生認(rèn)真準(zhǔn)備講課，而其他同學(xué)也要認(rèn)真準(zhǔn)備，并進(jìn)行討論。在課程的教學(xué)過程中，可以在模糊診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法及故障診斷實(shí)例教學(xué)部分等安排討論環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明，討論環(huán)節(jié)可以很好地避免學(xué)生的學(xué)習(xí)惰性，經(jīng)過提前準(zhǔn)備，學(xué)生對(duì)于一些需要討論的內(nèi)容可以掌握得比較扎實(shí)。而且這種討論環(huán)節(jié)可以在教學(xué)過程中經(jīng)常進(jìn)行，從而不斷地敦促學(xué)生積極參與。
五、增加與工程實(shí)踐相結(jié)合環(huán)節(jié)
由于本課程與工程實(shí)踐實(shí)際結(jié)合非常緊密，為了避免在課程的講授過程中，過于強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)，從如下幾個(gè)方面增加了與工程實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)活動(dòng)。
1.在理論教學(xué)過程中，不斷將理論知識(shí)在工程實(shí)踐中的實(shí)際應(yīng)用介紹給學(xué)生。在緒論的教學(xué)過程中就使用一個(gè)水輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)引起學(xué)生的注意力和興趣，并且給學(xué)生簡(jiǎn)單介紹Open Predictor故障診斷系統(tǒng)。例如在介紹故障樹診斷方法時(shí)，介紹了船舶碰撞故障樹的實(shí)例分析。
2.要求學(xué)生自己針對(duì)某一方面的內(nèi)容，查找具體的實(shí)例應(yīng)用。例如在模糊診斷方法的學(xué)習(xí)過程，要求同學(xué)們介紹自己所查到的模糊診斷方法在實(shí)際工程實(shí)踐中的實(shí)例。
3.嘗試在教學(xué)環(huán)節(jié)中采用項(xiàng)目教學(xué)法，例如在故障診斷實(shí)例部分的內(nèi)容，教師可以對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷系統(tǒng)、齒輪故障診斷、軸承故障診斷采用項(xiàng)目教學(xué)的方式進(jìn)行講解和介紹。
六、添加實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)
盡管采取了多種措施對(duì)機(jī)械故障診斷學(xué)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)還是必不可少。以前沒有開設(shè)課程實(shí)驗(yàn)是由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備。現(xiàn)在已經(jīng)具備了基本的故障診斷實(shí)驗(yàn)設(shè)備，因此，為了加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，我們?cè)诮虒W(xué)過程中添加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)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診斷及軸承故障診斷。而且把實(shí)驗(yàn)安排在課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容之后，希望學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得學(xué)生對(duì)于故障診斷的整個(gè)過程，從布置傳感器、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、診斷分析、診斷報(bào)告等方面有個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)。這一點(diǎn)是其他教學(xué)過程學(xué)生所得不到的訓(xùn)練。
七、考核方式多樣化
由于本課程以前的考核方式過于單一，僅僅依靠課程結(jié)束后學(xué)生所提交的大作業(yè)。由于這種大作業(yè)的形式較好，對(duì)于研究生綜合素質(zhì)的提高具有一定的作用。因此，在本課程的教學(xué)改革過程中，仍然繼續(xù)保留寫報(bào)告的大作業(yè)形式。但是，在教學(xué)改革中，將顯著提高大作業(yè)的要求，例如：對(duì)題目的要求有明顯限制、要求字?jǐn)?shù)要求、參考文獻(xiàn)的篇目要求顯著提高。而且，特別鼓勵(lì)在大作業(yè)中加入針對(duì)具體問題所進(jìn)行的故障診斷研究。大作業(yè)所占的比例要求，從原來的100%降為60%。除此之外，將學(xué)生在課堂表現(xiàn)、作業(yè)情況、講課環(huán)節(jié)、討論環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等的表現(xiàn)納入本課程的評(píng)價(jià)體系中，這幾項(xiàng)所占分值比例為40%。結(jié)果表明，這樣對(duì)學(xué)生將會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，從而在各個(gè)不同環(huán)節(jié)中都能夠積極投入，從而提高了教學(xué)效果和質(zhì)量。
八、結(jié)論
為了提高機(jī)械故障診斷學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)該課程提出了教學(xué)改革的思路。在總結(jié)了該課程的教學(xué)過程的不足的基礎(chǔ)上，為了解決以前教學(xué)過程中所存在的問題，制定了具體的教學(xué)改革措施。這些措施均為解決具體的問題而提出的，具有較高的可行性。
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