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［摘要］針對故障診斷方法與應用課程理論教學和實驗教學脫節的現狀，探討案例探究式教學模式，以增強研究生代入感，提高研究生的工程應用能力。以實際工程故障案例作為理論和實踐的橋梁，以案例的探究式解決方案為突出特征，并設計開放性的實驗進行工程方案的自主設計、實施和驗證。以有效的“案例—探究式”教學模式，達到優化教學內容和結構的目的，提高研究生對課程的教育收獲。

［關鍵詞］故障診斷；案例；探究式教學；教育收獲

隨著工業4.0的提出，智能制造進程的推進，智能工廠作為智能制造重要的實踐領域，要求設備具備狀態、環境的自感知和故障智能診斷的能力[1]。在制造過程中，設備出現異常或嚴重故障，會造成產品的質量精度下降，甚至會導致巨大的經濟損失和嚴重的人員傷亡[2]。故障診斷就是掌握設備運行過程中的狀態、評價設備的可靠性、預測設備的剩余壽命，降低企業的設備維護成本、提高產品質量精度、延長設備服役時間[3]。故障診斷方法與應用作為控制科學與工程專業研究生的基礎課程，內容廣泛，涉及傳感器理論、數字信號處理、機械動力學、人工智能、計算機科學等領域，要求研究生具備創新性的故障診斷方法設計能力和熟練的工程故障解決能力[4]。這門課程涉及的內容具有很高的學術研究價值，同時與工程實踐聯系緊密。傳統的以教師、書本、課堂為中心的教學模式極大地限制了這門課程的教學。

一、課程教學過程面臨的問題

（一）教學內容滯后故障診斷方法與應用是一門綜合性很強的課程，教學內容繁多，課程中不僅涉及傳感器的原理，還包括基于信號處理方法的特征提取，以及人工智能方法等[5]。這門課的學時設置一般為32學時，在這么短的學時內，多學科交叉的知識內容難以展開。特別是隨著傳感器技術、信號處理理論和人工智能方法的快速發展，以及企業對故障診斷需求的不斷變更，新技術和新方法的涌現迫切需要在教學中增加一定比例的新技術和新方法的內容[6]。傳統的教學內容可從信號采集、信號預處理、信號特征提取、故障分類等方面依次展開。但是近幾年隨著深度學習在各領域的廣泛應用，教學內容要從信號采集、數據清理、深度學習模型等方面展開，而傳統的信號特征提取和故障分類的內容則難以完全適應當前故障診斷領域的發展趨勢[7]。

（二）教學與實踐脫節故障診斷方法與應用這門課與工程應用結合十分緊密，其所涉及的理論知識實用性強，而在教學過程中，教師因過分圍繞理論知識進行講解，而忽略了工程應用的實際特點[8]。這導致學生對理論知識在工程中的用途不明確，無法提高學生的學習積極性。同時，驗證式的實驗課程設計無法讓學生真正做到理論與實踐相結合。特別是企業當前對設備的故障診斷重心開始由以發現故障為目的向發現影響生產精度指標轉移，這必然要求改進傳統的實驗課程[9]。（三）教育收獲少所謂的教育收獲是指學生在接受相應學段的教育過程中逐漸形成的適應個人終身發展與社會發展的人格品質與關鍵能力[10]。傳統的教學模式旨在培養研究生的創新思維能力和實踐能力。而教學內容的滯后和教學與實踐的脫節，使得學生對所學知識的應用場合感到迷茫。學生缺乏完整的故障診斷實施能力，對特定的故障設備無法進行工程案例的方案設計、方法設計和實施驗證，教育收獲小，難以達到學以致用的目的。

二、案例探究式的教學改革

案例探究式教學模式主要包括案例庫式教學內容、任務探究式互動教學方法、案例探究式實驗和多元化考核機制四個方面。其以案例庫式教學內容為基礎，以任務探究式互動教學方法和案例探究式實驗為執行方法，以多元化考核機制為目的具體實施。

（一）案例庫式教學內容故障診斷方法與應用課程需要授課教師具有豐富的實際工程經驗，能深入到行業生產中去，將典型的故障診斷案例引入課堂，引導學生學習相關的理論知識，獨立思考并解決問題。我院與鋼鐵冶金企業建立了長期、穩定的合作關系，多次為武鋼、梅鋼、陽鋼、柳鋼等企業解決實際工程故障難題，積累了深厚的故障診斷實際工程經驗，并具有大量的故障案例數據，這對于該課程的案例庫建設具有重要的指導意義。該課程主要包含故障診斷意義、數據采集、典型故障機理及處理方法（不平衡、不對中、軸承裂紋等）、故障診斷方法應用四大部分。故障案例的設計如圖1所示。課程案例庫涵蓋了整個課程的主線內容，并都與實際工程項目相結合，主要包括故障診斷的意義、實際工程信號的采集、典型故障機理及處理方法和故障診斷方法的具體應用。其內容具備案例豐富、目的性強、可二次分析、綜合性強等特點；表現形式主要是視頻、圖片、數據、實物演示等，通過多維的案例展示，將理論知識有效銜接起來。同時，案例庫不僅包含有理論教學的形式，也具有類似實踐教學的特點，教師通過一些針對性強的故障案例，讓學生將所有理論知識進行融合，以此提高學生獨立解決問題的能力和理論創新能力。各部分內容所對應的案例形式根據內容特色進行設計，故障診斷意義中的故障事故通過收集的具有代表性的嚴重事故所設計，并以視頻的形式呈現，這樣可以直觀表達故障事故造成的嚴重后果，且更加具有視覺震撼力；而故障診斷意義中的經濟效益，則可根據實際工程項目中的經濟效益數據進行直觀展示和比較。這一方面可以讓學生認識到實際復雜工程項目中的成本計算方式，另一方面也更容易突顯出故障診斷帶來的經濟效益。數據采集則需要根據復雜工程環境進行正確操作，以保證數據的可靠性和真實性。該內容可以通過傳感器的實踐操作來建立幾種典型故障的數據采集方式；例如建立不同條件、不同設備的溫度、振動、轉速等測試環境，學生可以通過實踐體驗如何進行傳感器的選型和安裝，以及如何根據實際情況設置采樣頻率、采樣點數、濾波處理等參數。典型故障機理及處理方法案例庫主要構建不對中故障、不平衡故障、裂紋故障、油膜振蕩、油膜喘振等故障類型的故障機理和常見的時域波形分析、頻譜分析、軸心軌跡分析等處理方法；故障機理通過三維動畫演示的方式構建不同故障振動信號的產生過程；然后再構建每種故障的振動信號案例庫，以實際案例分析不同故障信號的特征；最后，再通過具體實踐解決不同故障振動信號的工程故障問題。故障診斷方法應用則主要以數據和實踐的形式構建案例庫，通過構建幾種典型的故障數據案例庫，分別采用傅里葉變換、小波變換、希爾伯特-黃變換、經驗模態分解、形態學濾波等經典故障診斷方法進行分析，并最終通過故障診斷試驗臺采集故障數據進行驗證和診斷。案例庫的構建需要根據內容來決定案例庫的形式，通過視頻、圖片、案例數據、案例實驗等形式將案例庫與課程內容緊密結合，這樣可顯著提高學生復雜工程問題的解決能力和工程實踐素養。

（二）任務探究式互動教學方法由于故障診斷案例和相應診斷方法內容比較分散，灌輸式教學模式很難讓學生自動聯系之前的理論，學生的學習效果差，甚至會出現完全聽不懂而導致不愿學習的情況[11]。采用任務探究式互動教學方法，首先，教師根據教學內容設計并下達任務；然后，學生根據任務進行分組討論，回顧并聯系之前的知識；最后，學生進行分組匯報，教師進行適當的點評。在任務探究式互動方法中，任務的設計與教學內容的關聯性決定互動式教學的成敗[12]。例如，在學習數據采集相關內容時，可以下達這樣的任務：某熱軋產線軋輥附近，在工作過程中出現顯著的振動，該如何獲取正確數據進行分析？這個任務就會讓學生根據現場環境來選擇耐高溫、量程范圍大的振動加速度傳感器，且傳感器的安裝需要根據監測是否長期而選擇螺栓固定或者磁鐵吸附，采樣頻率則需要考慮該振動可能是由于部件松動或裂紋、點蝕等引起的阻尼振動而選擇較高的采樣頻率。通過這樣一個任務，學生對信號采集的內容可以通過任務式探究進行融會貫通。在學習典型故障分析時，可以下達這樣的任務：某連軋機軋輥標定過程中，其軋制力標定峰峰值逐漸增大，給出近一周連續的軋制力標定數據、軋輥機械參數及運行速度等信息，分析該現象產生的原因。根據該項案例數據，會涉及故障發展趨勢特征的提取、故障特征信號提取、故障信號類型判斷及故障原因定位等內容，學生分組討論時就可以從表征現象到內在機理進行深入分析。由于數據案例來源于實際工程中，學生可自行代入到現場工程師的角色，這能提高學生的學習興趣，增加學習收獲的喜悅度。在學習故障診斷方法的應用時，給學生布置綜合式任務：采集機械故障實驗臺的軸承數據，并通過傅里葉變換、小波變換、數學形態學濾波等方法對數據進行分析和比較，判斷待分析軸承的狀態（正常、內圈故障、滾動體故障、外圈故障）。該項任務，可以綜合鍛煉學生的信號采集和信號處理方法的編程和故障診斷能力。

（三）案例探究式實驗研究生實驗課程應該是以創新性解決實際工程問題為主要目的，因此，實驗應該是開放自主性的設計類實驗，而不應是傳統的驗證性實驗。在案例庫設計中，數據采集、典型故障機理及處理方法和故障診斷方法應用的內容中均設計有實踐類案例庫，這種實踐類案例庫的特點是以解決某一個實際工程問題為目的，可進行自主方案設計、傳感器選擇、診斷方法設計和方案實施等環節，要求學生根據所學知識進行自主探究式實驗。例如，以軸承故障診斷為例，給學生提供故障診斷平臺，包括可選的不同故障類型的軸承、多種類型的傳感器、信號處理箱、數據采集卡、負載、數據采集上位機軟件等。學生自主以軸承故障診斷為目的，進行不同故障類型軸承測試，自主選擇傳感器類型、測點位置、采樣頻率、采樣點數，并最終探索采用最有效的方法進行故障的診斷。在整個實驗環節中，傳感器選型、測點分布、信號采集和故障診斷方法的應用全部包含在實驗里，這更加有助于學生的知識融合，提高學生的教育收獲。

（四）多元化考核機制該課程的性質決定了課程考核不能以考試的形式進行，而應該綜合考慮學生的課堂互動表現、實踐能力和課程報告的撰寫和分析能力。課堂互動表現的考核可以讓學生更積極地加入到課堂中來，從而改變傳統的教學模式；實踐能力能反映學生解決實際工程問題的應變能力和實操能力；課程報告能反映學生的方案設計能力、應用數字信號處理方法解決實際工程問題的能力及文獻查閱等能力。結合教學模式進行相應的多元化考核機制的改進，加強對學生任務探究式互動教學和案例探究式實驗過程中的評估，將學生的互動表現、實踐能力和診斷方法創新性一起作為考核學生的標準，這有助于學生積極參與到每一個教學步驟中并充分展示自己。

三、結論及建議

（一）主要結論本文對故障診斷方法與應用的案例探討式教學模式進行了探索，得到如下結論。1.案例探討式教學的核心是案例庫的建設，案例庫的建設必須根據課程的內容來設置呈現的形式，且案例庫的數據必須遵循現場案例、可二次分析的原則進行，同時要具有知識結構的完整性。2.任務探究式互動是案例探討式教學的有效實施方式，教師給學生足夠的空間去學會思考、討論和總結，最終調動學生學習的積極性和自主性。3.案例探究式實驗是學以致用的關鍵，可融合所有章節理論知識，有利于學生自主設計工程案例的解決方法并有效實施。4.多元化考核機制，從課程學習過程中對學生進行評價，有利于對學生的學習能力、自主性、實踐能力進行綜合了解和評價。

（二）研究建議雖然案例探究式教學從教學方式、實驗設計和考核機制等方面進行改革，可以提高學生的教育收獲，但仍需要注意以下問題。1.更新課程案例庫：課程案例庫應以社會工程需求為導向，時刻關注故障診斷方法的前沿理論知識，不斷對課程案例庫進行更新和完善；同時，應時刻關注企業對故障診斷的需求，如初步的故障診斷、綜合性能評價、壽命預測等，及時調整教學內容和案例庫內容。2.控制教學節奏：在教學過程中，雖然新理論的灌輸十分重要，但是這并不意味著經典理論可以完全拋棄，教師需要有效把握新舊知識的教學比例和教學進度，使得教學過程能有序進行。同時，探究式互動需要教師控制好輕松的討論氛圍。3.優化實驗進度：實驗應該是以工程案例為驅動，貫穿理論教學進度安排，避免集中安排在理論教學之后，從而出現知識的遺忘。同時，實驗應該分為模塊化實驗和綜合性實驗，前者是自行設計探討某個局部問題的解決方案；后者是自行設計探討整個工程案例的綜合解決方法。

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作者：嚴保康 周鳳星 盧少武 寧博文 單位：武漢科技大學信息科學與工程學院