案例探究式教学在故障诊断课程中的应用

严保康 周凤星 卢少武 宁博文

[摘 要]针对故障诊断方法与应用课程理论教学和实验教学脱节的现状，探讨案例探究式教学模式，以增强研究生代入感，提高研究生的工程应用能力。以实际工程故障案例作为理论和实践的桥梁，以案例的探究式解决方案为突出特征，并设计开放性的实验进行工程方案的自主设计、实施和验证。以有效的“案例—探究式”教学模式，达到优化教学内容和结构的目的，提高研究生對课程的教育收获。

[关键词]故障诊断;案例;探究式教学;教育收获

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）09-0067-03

随着工业4.0的提出，智能制造进程的推进，智能工厂作为智能制造重要的实践领域，要求设备具备状态、环境的自感知和故障智能诊断的能力[1]。在制造过程中，设备出现异常或严重故障，会造成产品的质量精度下降，甚至会导致巨大的经济损失和严重的人员伤亡[2]。故障诊断就是掌握设备运行过程中的状态、评价设备的可靠性、预测设备的剩余寿命，降低企业的设备维护成本、提高产品质量精度、延长设备服役时间[3]。

故障诊断方法与应用作为控制科学与工程专业研究生的基础课程，内容广泛，涉及传感器理论、数字信号处理、机械动力学、人工智能、计算机科学等领域，要求研究生具备创新性的故障诊断方法设计能力和熟练的工程故障解决能力[4]。这门课程涉及的内容具有很高的学术研究价值，同时与工程实践联系紧密。传统的以教师、书本、课堂为中心的教学模式极大地限制了这门课程的教学。

一、课程教学过程面临的问题

（一）教学内容滞后

故障诊断方法与应用是一门综合性很强的课程，教学内容繁多，课程中不仅涉及传感器的原理，还包括基于信号处理方法的特征提取，以及人工智能方法等[5]。这门课的学时设置一般为32学时，在这么短的学时内，多学科交叉的知识内容难以展开。特别是随着传感器技术、信号处理理论和人工智能方法的快速发展，以及企业对故障诊断需求的不断变更，新技术和新方法的涌现迫切需要在教学中增加一定比例的新技术和新方法的内容[6]。传统的教学内容可从信号采集、信号预处理、信号特征提取、故障分类等方面依次展开。但是近几年随着深度学习在各领域的广泛应用，教学内容要从信号采集、数据清理、深度学习模型等方面展开，而传统的信号特征提取和故障分类的内容则难以完全适应当前故障诊断领域的发展趋势[7]。

（二）教学与实践脱节

故障诊断方法与应用这门课与工程应用结合十分紧密，其所涉及的理论知识实用性强，而在教学过程中，教师因过分围绕理论知识进行讲解，而忽略了工程应用的实际特点[8]。这导致学生对理论知识在工程中的用途不明确，无法提高学生的学习积极性。同时，验证式的实验课程设计无法让学生真正做到理论与实践相结合。特别是企业当前对设备的故障诊断重心开始由以发现故障为目的向发现影响生产精度指标转移，这必然要求改进传统的实验课程[9]。

（三）教育收获少

所谓的教育收获是指学生在接受相应学段的教育过程中逐渐形成的适应个人终身发展与社会发展的人格品质与关键能力[10]。传统的教学模式旨在培养研究生的创新思维能力和实践能力。而教学内容的滞后和教学与实践的脱节，使得学生对所学知识的应用场合感到迷茫。学生缺乏完整的故障诊断实施能力，对特定的故障设备无法进行工程案例的方案设计、方法设计和实施验证，教育收获小，难以达到学以致用的目的。

二、案例探究式的教学改革

案例探究式教学模式主要包括案例库式教学内容、任务探究式互动教学方法、案例探究式实验和多元化考核机制四个方面。其以案例库式教学内容为基础，以任务探究式互动教学方法和案例探究式实验为执行方法，以多元化考核机制为目的具体实施。

（一）案例库式教学内容

故障诊断方法与应用课程需要授课教师具有丰富的实际工程经验，能深入到行业生产中去，将典型的故障诊断案例引入课堂，引导学生学习相关的理论知识，独立思考并解决问题。我院与钢铁冶金企业建立了长期、稳定的合作关系，多次为武钢、梅钢、阳钢、柳钢等企业解决实际工程故障难题，积累了深厚的故障诊断实际工程经验，并具有大量的故障案例数据，这对于该课程的案例库建设具有重要的指导意义。

该课程主要包含故障诊断意义、数据采集、典型故障机理及处理方法（不平衡、不对中、轴承裂纹等）、故障诊断方法应用四大部分。故障案例的设计如图1所示。

课程案例库涵盖了整个课程的主线内容，并都与实际工程项目相结合，主要包括故障诊断的意义、实际工程信号的采集、典型故障机理及处理方法和故障诊断方法的具体应用。其内容具备案例丰富、目的性强、可二次分析、综合性强等特点;表现形式主要是视频、图片、数据、实物演示等，通过多维的案例展示，将理论知识有效衔接起来。同时，案例库不仅包含有理论教学的形式，也具有类似实践教学的特点，教师通过一些针对性强的故障案例，让学生将所有理论知识进行融合，以此提高学生独立解决问题的能力和理论创新能力。

各部分内容所对应的案例形式根据内容特色进行设计，故障诊断意义中的故障事故通过收集的具有代表性的严重事故所设计，并以视频的形式呈现，这样可以直观表达故障事故造成的严重后果，且更加具有视觉震撼力;而故障诊断意义中的经济效益，则可根据实际工程项目中的经济效益数据进行直观展示和比较。这一方面可以让学生认识到实际复杂工程项目中的成本计算方式，另一方面也更容易突显出故障诊断带来的经济效益。数据采集则需要根据复杂工程环境进行正确操作，以保证数据的可靠性和真实性。该内容可以通过传感器的实践操作来建立几种典型故障的数据采集方式;例如建立不同条件、不同设备的温度、振动、转速等测试环境，学生可以通过实践体验如何进行传感器的选型和安装，以及如何根据实际情况设置采样频率、采样点数、滤波处理等参数。典型故障机理及处理方法案例库主要构建不对中故障、不平衡故障、裂纹故障、油膜振荡、油膜喘振等故障类型的故障机理和常见的时域波形分析、频谱分析、轴心轨迹分析等处理方法;故障机理通过三维动画演示的方式构建不同故障振动信号的产生过程;然后再构建每种故障的振动信号案例库，以实际案例分析不同故障信号的特征;最后，再通过具体实践解决不同故障振动信号的工程故障问题。故障诊断方法应用则主要以数据和实践的形式构建案例库，通过构建几种典型的故障数据案例库，分别采用傅里叶变换、小波变换、希尔伯特-黄变换、经验模态分解、形态学滤波等经典故障诊断方法进行分析，并最终通过故障诊断试验台采集故障数据进行验证和诊断。

案例库的构建需要根据内容来决定案例库的形式，通过视频、图片、案例数据、案例实验等形式将案例库与课程内容紧密结合，这样可显著提高学生复杂工程问题的解决能力和工程实践素养。

（二）任务探究式互动教学方法

由于故障诊断案例和相应诊断方法内容比较分散，灌输式教学模式很难让学生自动联系之前的理论，学生的学习效果差，甚至会出现完全听不懂而导致不愿学习的情况[11]。采用任务探究式互动教学方法，首先，教师根据教学内容设计并下达任务;然后，学生根据任务进行分组讨论，回顾并联系之前的知识;最后，学生进行分组汇报，教师进行适当的点评。在任务探究式互动方法中，任务的设计与教学内容的关联性决定互动式教学的成败[12]。例如，在学习数据采集相关内容时，可以下达这样的任务：某热轧产线轧辊附近，在工作过程中出现显著的振动，该如何获取正确数据进行分析？这个任务就会让学生根据现场环境来选择耐高温、量程范围大的振动加速度传感器，且传感器的安装需要根据监测是否长期而选择螺栓固定或者磁铁吸附，采样频率则需要考虑该振动可能是由于部件松动或裂纹、点蚀等引起的阻尼振动而选择较高的采样频率。通过这样一个任务，学生对信号采集的内容可以通过任务式探究进行融会贯通。在学习典型故障分析时，可以下达这样的任务：某连轧机轧辊标定过程中，其轧制力标定峰峰值逐渐增大，给出近一周连续的轧制力标定数据、轧辊机械参数及运行速度等信息，分析该现象产生的原因。根据该项案例数据，会涉及故障发展趋势特征的提取、故障特征信号提取、故障信号类型判断及故障原因定位等内容，学生分组讨论时就可以从表征现象到内在机理进行深入分析。由于数据案例来源于实际工程中，学生可自行代入到现场工程师的角色，这能提高学生的学习兴趣，增加学习收获的喜悦度。在学习故障诊断方法的应用时，给学生布置综合式任务：采集机械故障实验台的轴承数据，并通过傅里叶变换、小波变换、数学形态学滤波等方法对数据进行分析和比较，判断待分析轴承的状态（正常、内圈故障、滚动体故障、外圈故障）。该项任务，可以综合锻炼学生的信号采集和信号处理方法的编程和故障诊断能力。

（三）案例探究式实验

研究生实验课程应该是以创新性解决实际工程问题为主要目的，因此，实验应该是开放自主性的设计类实验，而不应是传统的验证性实验。在案例库设计中，数据采集、典型故障机理及处理方法和故障诊断方法应用的内容中均设计有实践类案例库，这种实践类案例库的特点是以解决某一个实际工程问题为目的，可进行自主方案设计、传感器选择、诊断方法设计和方案实施等环节，要求学生根据所学知识进行自主探究式实验。例如，以轴承故障诊断为例，给学生提供故障诊断平台，包括可选的不同故障类型的轴承、多种类型的传感器、信号处理箱、数据采集卡、负载、数据采集上位机软件等。学生自主以轴承故障诊断为目的，进行不同故障类型轴承测试，自主选择传感器类型、测点位置、采样频率、采样点数，并最终探索采用最有效的方法进行故障的诊断。在整个实验环节中，传感器选型、测点分布、信号采集和故障诊断方法的应用全部包含在实验里，这更加有助于学生的知识融合，提高学生的教育收获。

（四）多元化考核机制

该课程的性质决定了课程考核不能以考试的形式进行，而应该综合考虑学生的课堂互动表现、实践能力和课程报告的撰写和分析能力。课堂互动表现的考核可以让学生更积极地加入到课堂中来，从而改变传统的教学模式;实践能力能反映学生解决实际工程问题的应变能力和实操能力;课程报告能反映学生的方案设计能力、应用数字信号处理方法解决实际工程问题的能力及文献查阅等能力。结合教学模式进行相应的多元化考核机制的改进，加强对学生任务探究式互动教学和案例探究式实验过程中的评估，将学生的互动表现、实践能力和诊断方法创新性一起作为考核学生的标准，这有助于学生积极参与到每一个教学步骤中并充分展示自己。

三、结论及建议

（一）主要结论

本文对故障诊断方法与应用的案例探讨式教学模式进行了探索，得到如下结论。

1.案例探讨式教学的核心是案例库的建设，案例库的建设必须根据课程的内容来设置呈现的形式，且案例库的数据必须遵循现场案例、可二次分析的原则进行，同时要具有知识结构的完整性。

2.任务探究式互动是案例探讨式教学的有效实施方式，教师给学生足够的空间去学会思考、讨论和总结，最终调动学生学习的积极性和自主性。

3.案例探究式实验是学以致用的关键，可融合所有章节理论知识，有利于学生自主设计工程案例的解决方法并有效实施。

4.多元化考核机制，从课程学习过程中对学生进行评价，有利于对学生的学习能力、自主性、实践能力进行综合了解和评价。

（二）研究建议

虽然案例探究式教学从教学方式、实验设计和考核机制等方面进行改革，可以提高学生的教育收获，但仍需要注意以下问题。

1.更新课程案例库：课程案例库应以社会工程需求为导向，时刻关注故障诊断方法的前沿理论知识，不断对课程案例库进行更新和完善;同时，应时刻关注企业对故障诊断的需求，如初步的故障诊断、综合性能评价、寿命预测等，及时调整教学内容和案例库内容。

2.控制教学节奏：在教学过程中，虽然新理论的灌输十分重要，但是这并不意味着经典理论可以完全抛弃，教师需要有效把握新旧知识的教学比例和教学进度，使得教学过程能有序进行。同时，探究式互动需要教师控制好轻松的讨论氛围。

3.优化实验进度：实验应该是以工程案例为驱动，贯穿理论教学进度安排，避免集中安排在理论教学之后，从而出现知识的遗忘。同时，实验应该分为模块化实验和综合性实验，前者是自行设计探讨某个局部问题的解决方案;后者是自行设计探讨整个工程案例的综合解决方法。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：陈 明]