研究生机械故障诊断学实践教学改革探讨

    刘文艺 张昱

    

    

    摘 ?要 在分析机械故障诊断学教学问题的基础上，结合翻转式课堂教学模式，提出“教学—讨论—测试”（TDT）这一实践教学模式。教师根据实践教学内容和班级人数，将学生分为讲解组和其余组，并在教学环节与讨论环节负责全程引导与组织，在测试环节则转变为主持。讲解组采用多种教学方式完成实践教学的讲解，并在教师引导下组织相关专业问题的讨论与思考。通过振动测试实践教学案例分析，可以证明该模式能有效地激发学生的学习积极性与主动性，锻炼学生掌握新知识和新技能的能力，值得在实践教学过程中进一步推广。

    关键词 TDT;实践教学;机械故障诊断学;翻转课堂

    中图分类号：G643.2 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）16-0125-03

    Discussion on Practical Teaching Reform of Mechanical Fault Diagnosis for Postgraduates//LIU Wenyi， ZHANG Yu

    Abstract Based on the analysis of the problems in the practical tea-

    ching process of Mechanical Fault Diagnosis， “Teaching-Discu-ssing-Testing”（TDT） practical teaching mode is proposed in combi-

    nation with the flipped class teaching mode. Teachers divide students

    into explanatory group and non-explanatory group according to the content of practical teaching and class size; they are responsible for

    guiding and organizing the whole process in the teaching and dis-cussion links， while in the testing links they are changed into host.

    Explanatory group uses a variety of teaching methods to complete practical teaching explanations， and organizes discussion and reflec-tion on relevant professional issues under the guidance of teachers. Through the analysis of practical teaching cases of vibration testing，

    it can be proved that the model can effectively stimulate students

    learning enthusiasm and initiative， and train students ability to master

    new knowledge and skills， which is worth further promotion in the process of practical teaching.

    Key words TDT; practical teaching; mechanical fault diagnosis; flipped classroom

    1 引言

    机械故障诊断学是很多高校机械工程专业硕士研究生的必修课程，主要讲授机械系统动态信息处理和状态监测、机械故障诊断的机理及故障诊断技术[1-2]。该课程融合了信息技术、计算机技术、机械科学、测试技术、传感器技术、信号处理等综合课程知识，培养学生的科研创新能力及设备维护维修能力。因而，实践环节是该课程教学过程中必不可少的一部分。传统的实践教学模式多是以教师讲授为主，学生通过观察教师的演示操作，学习并模仿进行相应的实践操作[3-5]。这种教学模式虽然起到一定的教学效果，但在学生实践积极性引导、动手能力锻炼等方面仍需加强，在教学理念创新、教学模式改革等方面仍值得进一步完善。

    翻转课堂式教学模式（Flipped Classroom Model）是一种将教师职责和学生身份翻转互换的教学模式，最初由美国的Maureen Lage在美国迈阿密大学提出，并通过实践研究了取得的相应效果[6-7]。该模式可以充分利用互联网等新兴技术知识，充分挖掘学生的学习积极性，达到鼓励学习、自主学习的目的，有效地提升教学质量[8]。

    在机械故障诊断学实践教学环节，本文在翻转课堂教学模式的思路基础上，提出一种“教学（Teaching）—讨论（Discussing）—测试（Testing）”（以下简称TDT）实践教学新模式。该模式可以充分挖掘学生的学习主观能动性，全程由学生起主要作用，教师负责过程引导、问题激发、讨论思路引导等。

    2 实践教学新模式探讨

    “教学—讨论—测试”（TDT）模式的实践教学，充分结合了翻转课堂式教学模式理论，其主要实践流程如图1所示。在TDT实践教学环节，主要分为教学、讨论与测试三大环节，教师主要负责教学、讨论环节全程的引導，以及测试环节的参与主持。教师根据授课人数将学生分为若干组，每组均有机会负责某部分实践内容的教学，其一为讲解组，其余组在非讲解任务时参与TDT实践教学环节。

    在教学环节，讲解组负责将实践教学内容以更容易接受的方式讲授给其余组，教学形式多样化，可以选择板书、PPT、动画、视频等。在讨论环节，由其余组根据实践教学内容提出相关问题，讲解组负责解答或组织大家讨论，以多途径获得准确的问题答案。在测试环节，教师的职能从引导逐渐过渡到参与，而讲解组也转变为被测试对象，由教师组织相关问题进行测试，进一步根据测试结果评价授课质量。

    3 实验案例

    实验内容选择机械故障诊断学课程中的振动信号测试实验进行实践教学案例分析。振动信号测试是实现机械故障诊断流程关键的一步，实验测试的数据量直接影响后续故障诊断的数据处理速度，实验测试的精确度直接影响后续特征提取及故障诊断的准确度。因此，设置好振动信号测试的参数，选择合适的硬件及软件，不仅影响实验准确性，更影响实践教学的效果。

    振动信号测试的对象是JSNU-WT-1风力发电机组实验台，该实验台结构如图2所示。该实验台主要由控制柜、三相异步电动机、太阳行星轮减速箱、同步带传动机构、风力发电机、控制箱体等组成，可以完成机械设计、机械故障诊断、测试技术等相关实验[9]。振动信号测试实验主要完成不同频率下太阳行星轮减速箱输入端或输出端的振动信号测试。采用振动加速度传感器进行振动信号的捕获，通过CoinV采集仪将信号传输给计算机进行存储、分析等后续操作。其振动测试实验示意图如图3所示。

    实践任务实验班级为江苏师范大学机电工程学院机械工程专业2017级硕士研究生，人数为15人。根据班级人数分为五组，每组为三人。要求：每组独立设计振动测试实验，每组实验参数（如测试位置、测试采样频率、采样点数等）应体现出差异;完成实验的讲授和组织讨论;完成振动信号的采集和获取;完成基本的信号后续分析和处理。

    实践过程以讲解小组夏同学、潘同学、杨同学的实践教学环节为例。在TDT实践教学的教学（T）环节，由夏同学介绍实验硬件设施、实验目的、实验步骤等，并由潘同学和杨同学负责指示相应的设施位置及基本操作。經过这个环节，大家对实验硬件有了初步认识。进一步，夏同学介绍了、振动信号采集时所设置的相关参数，如采样频率、采样点数、传输及存储方式等，并由潘同学负责在计算机中演示并设置完成相关参数。

    振动信号测试过程包括传感器的布置与测点的固定等，由杨同学主要完成，潘同学负责数据的采集与存储。三位同学共同配合，完成实验中减速箱输出端的振动信号获取，采样频率为4000 Hz，采样时间为3 s，共存储数据12 000点。经计算机存储后，可以进行后续分析和处理，如时频域分析等。

    在TDT实践教学的讨论（D）环节，教师和其他学生针对三位同学讲解的内容提出问题并进行讨论。问题主要集中在：为何确定测点位置在减速箱的输出端？确定测点位置的原则是什么？采样频率的选择有何要求？数据点数、采样时间、采样频率三者的关系如何？振动加速度传感器的工作原理如何？采集仪的主要作用是什么？什么是时频分析？等等。在教师的引导下，大家针对这些问题展开热烈的讨论，并逐渐巩固了相关知识点。

    在TDT实践教学的最后一个测试（T）环节，由教师提出测试问题，作为实践考核的通关题，其成绩可以考虑作为实验成绩。这个吸收内化过程是在课堂上通过互动来完成的，教师能够提前了解学生的学习困难，在课堂上给予有效的辅导，学生之间的相互交流更有助于促进学生知识的吸收内化过程。

    通过结果分析，TDT实践教学模式的运行测试，该组学生成功地组织了该实验的部分教学内容，使得学生通过兴趣引导激发了实验热情与学习激情，在更加轻松活泼的环境中掌握了相关知识。在本次实践的讨论（D）环节，讲解组能够较好地组织讨论，并根据教师的引导将问题限制在课程知识范围内，引导同学们共同寻求答案。通过TDT模式的应用，振动测试整体实验取得良好的教学效果，学生实验测试成绩得到较大提升。对比未实行TDT实践教学模式的班级，本班实验成绩要高出20%～30%，学生对知识的掌握能力和实践动手能力有了明显增强。

    4 结语

    在翻转式课堂教学模式的基础上，提出一种TDT实践教学模式，并在机械故障诊断学实践教学中推广应用，主要结论如下：

    1）该模式分为教学（T）、讨论（D）与测试（T）三个环节，教师主要负责引导教学与讨论并参与主持测试环节;

    2）讲解组引入多种教学方式将实践教学内容和其余组分享，并争取用轻松的方式完成授课知识的推广;

    3）通过TDT实践教学模式的引入，可以有效地激发学生的实践学习积极性，锻炼逻辑思维能力、语言表达能力及新知识的获取能力，提升了教学质量。

    实践证实，该方法值得在相关实践教学环节进一步推广应用，具有较高的理论价值和实践意义。

    参考文献

    [1]王国彪，何正嘉，陈雪峰，等.机械故障诊断基础研究“何去何从”[J].机械工程学报，2013，49（1）：63-72.

    [2]苏祖强，熊英，罗久飞，等.《机械故障诊断》研究生教学课程改革的探讨[J].教育教学论坛，2017，10（41）：242-243.

    [3]裴宏杰，王贵成，沈春根，等.“机械故障诊断技术”课程教学改革研究[J].科教导刊，2019，4（2）：101-103.

    [4]段礼祥.“教研文”相结合的《机械故障诊断学》教改探讨[J].教育教学论坛，2012（20）：178-179.

    [5]巩晓赟，侯俊剑，马建荣.机械故障诊断课程的教学研究与实践[J].中国轻工教育，2015（5）：74-76.

    [6]陈芳芳，刘万松.教育信息化背景下翻转课堂问题研究[J].中国教育技术装备，2018，12（24）：101-103.

    [7]黄珊，周志强，韦良，等.基于翻转课堂的仪器分析实验教学改革初探[J].大学教育，2019（5）：98-100.

    [8]郑朝霞，马红兵.翻转课堂在工程训练教学中的应用探索[J].中国教育技术装备，2018，9（18）：86-87，92.

    [9]单梦晨，刘文艺，李雨，等.风力发电机组试验台系统设计与实验[J].机械设计与制造，2019（3）：33-35.