机械故障诊断研究生教学课程改革探讨

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摘要：故障诊断技术对现代工业生产至关重要。《机械故障诊断》这门课程主要讲解故障诊断中所涉及的理论与方法。本文阐述了该门课程的主要特点，剖析了教学过程中存在的问题，对这些问题提出了一些探讨性的解决思路。

关键词：旋转机械；故障诊断；实践教学；研究生教学

一、前言

随着工业的快速发展，机械设备正朝着大型化、复杂化、精密化的方向发展，同时要求机械设备能够在比较恶劣的环境下长时间稳定地运行，比如大型风力发电机组。在工业实践中，一方面不容许这些机械设备出现故障，另一方面这些机械设备一旦出现故障，会导致巨大的经济损失。故障诊断就是寻找故障原因的过程，其实质是了解和掌握设备运行过程中的状态，评价、预测设备的可靠性，减少企业的运营成本。目前，故障诊断技术已被大量地应用于石油化工、水利发电、矿产开采等多个关系国民经济的重要领域。此外，故障诊断技术也是实现“中国制造2025计划”，完成以加工为主导的传统制造业向以服务为主导的现代制造业转型所必备的核心技术。在这样的背景下，将《机械故障诊断》这门课程作为研究生的基础理论课程。该门课程所涉及的内容比较广泛，包括信号分析与处理、机械动力学分析、人工智能方法等。同时，这门课程又是一门实践性很强的课程，理论和实践结合十分紧密。此外，该门课程所涉及的内容学术研究价值很高，可以作为学生在研究生学习阶段的研究方向。传统的教学模式极大地限制了该门课程的教学。

二、课程教学过程中存在的问题

1.教学内容多而泛。《机械故障诊断》是一门综合性很强的课程，课程中不仅涉及到大量的公式推理，如傅里叶变换的推理公式，还包括许多新理论和新方法，如：人工智能算法、专家系统等。而该门课程的授课学时一般都设置为32个学时，学时数比较少，难以对相关知识进行展开授课。同时该门课程各个章节之间的关联性也不够强，各知识点之间具有一定的独立性，造成学生学习和理解困难。2.教学与实践严重脱节。《机械故障诊断》这门课程与工业实践结合十分紧密，所涉及到的内容实用性极强。该门课程作为研究生的理论基础课，其教学目的是使学生全面、真实地掌握故障诊断的核心思想以及相关的理论方法，增加学生的创新思维能力和工程实践能力。然而，现有的教学模式大多以书本为主导进行展开，严重缺少实践教学环节。3.教学过程中“教”与“学”脱钩。传统教学模式采用“老师授课———学生听课”的方式展开，“教”与“学”缺少良性互动的环节，容易导致老师授课时不清楚学生对知识的实际掌握情况，学生对课程知识理解不透彻，进而丧失学习兴趣，使得教学过程形式化、教学结果低效化的问题。

三、探索性的教学改革

1.课程内容设置的改革。《机械故障诊断》这门课程所涉及的内容比较丰富，同时又是一门理论性很强的课程，如果不结合工程应用案例，相关知识点的讲解将会十分的空洞。因此，在教学过程中可以引入工程实际应用案例进行分析，如可以对齿轮箱不同故障情况（如缺齿、断齿、齿轮裂纹、轴承故障、轴不对中、轴偏心等）下的振动机理进行分析，讲解不同故障的特点以及应当采用的信号分析方法。此外，还需要额外讲解Matlab等计算软件使用方面的知识。Matlab是一种交互式的程序语言，计算功能强大，算法实现容易、结果显示直观，在教学过程中采用Matlab语言实现相关算法，并将算法运行结果直观地展现给学生，可以加深学生对相关知识的直观理解，提升学生学习的主观能动性。2.实践教学的改革。《机械故障诊断》这门课程所涉及到的内容实用性非常强，学生要学好本门课程就必须要培养实践动手能力。在实践教学改革中，拟从以下几个方面展开：（1）熟悉和掌握采集相关知识。机械运行过程中产生的信号及其特征信息是分析机械及其运行状态的主要手段，而对这些信号的有效采集是进行故障诊断的前提。实验室采用VC++语言搭建了信号采集的软件部分，硬件部分采用了NI9234采集卡和PCB加速振动传感器。NI9234采集卡拥有4个采集通道，最大采样率为51.2KS/s，分辨率为24位，已经完全满足教学需求。PCB加速度传感器具有工作稳定、无需增加额外的放大电路的优点，使用十分方便，非常适合教学。（2）齿轮箱实验台故障诊断实验。齿轮箱的故障诊断在故障诊断中具有一定的代表性，实验室的齿轮箱故障诊断试验台能够有效模拟缺齿、断齿等常见的齿轮箱故障，并且拆卸和安装方便，使用成本低廉，非常适合教学。（3）机床状态监测实例应用。我校实训加工中心有多台老式机床，包括车床、铣床和磨床，采集相应部件的运行信号进行故障诊断的实例分析。3.教学方式方法的改革。研究生的教学目的与本科阶段的教学目的有较大的区别，本课程研究生阶段的教学目的是使学生掌握故障诊断的基本理论和知识，增加学生的自学能力以及搜集资料和分析资料的能力。因此，在教学过程中可以采用学生自主授课的方式进行。学生要完成老师布置的授课内容，必须要对相关知识进行详细的梳理和剖析，在遇到理解困难的知识点时需要通过各种途径查找大量文献资料，同时需要对文献资料进行消化和总结。在这个过程中，学生不仅深刻地掌握了相关知识点，同时培养了学生的自学能力，为学生以后的学习打下了坚实的基础。此外，学生需要将相关知识点在自己理解的基础上进行授课，需要将相关知识点深入浅出地表述出来，可以极大地锻炼学生的语言组织能力，在参与教学的过程中也可以极大地拓展学生的视野，突破以往学生被动接受知识的学习模式。4.考核方式的改革。以往的考核方式只以期末考试成绩作为考核指标，这种方式的考核存在诸多问题，如：对学生学习的监督性不够强，容易引起学生功利性的学习态度，学生只关心考试过关与否，而不是真正用心学习课程知识，难以对学生的学习情况进行全面、综合的考察。因此，在课程考核方面，可以采用实践考核、平时小论文撰写、期末考试相结合的方式进行考核。在实践教学过程中，需要自己完成数据采集、实验台故障诊断实验和机床故障诊断实验，学生的现场表现以及实验报告能够体现学生的工程实践能力，以及学生对相关知识的掌握情况。在自主授课环节，学生需要收集和分析大量的文献资料，在这个过程中需要学生根据自己收集到的资料文献，撰写一篇小论文。小论文的撰写情况不仅能够体现学生的学习态度，也能锻炼学生的学术技能，为以后的研究工作打下基础。期末考试采用闭卷的方式进行。期末考试可以有效考察学生对课程知识点的掌握情况。结合实践考核、平时小论文撰写、期末考试对学生进行考核，可以全面、综合地考察学生对《机械故障诊断》课程知识掌握的真实情况。

参考文献：

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[4]冷军发,荆双喜.机械故障诊断课程教学改革探析[J].中国现代教育装备,2011,(11):88-90.

作者:苏祖强 熊英 罗久飞 张毅 单位:重庆邮电大学先进制造工程学院