研究生“机械设备故障诊断”课程的建设与实践

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  摘要:“机械设备故障诊断”课程是跨机械工程、材料工程、控制工程、动力工程及工程热物理等一级学科的通开课程,涉及学生面很广,课程内容设计要考虑学习内容的基础性,又要顾及专业性,还要面向行业特点。实践表明,针对课程特点选择适合的教学内容、开展研讨式案例教学可以培养学生多方面的能力,提高学生的综合素质。
  关键词:研究生;通开课程;研讨式教学法;网络课程
  作者简介:陈启卷(1963-),男,浙江浦江人,武汉大学动力与机械学院,教授;谢诞梅(1962-),女,湖北蕲春人,武汉大学动力与机械学院,教授。(湖北 武汉 430072)
  中图分类号:G643     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2011)12-0197-03
  
  武汉大学研究生课程中以一级学科为基础,设立若干通开课程,是有效整合资源、提高课程质量的一种新的改革措施。“机械设备故障诊断”是跨机械工程、材料工程、控制工程、动力工程及工程热物理等4个一级学科的跨学科通开课程,涉及学生面很广,因而课程内容设计既要考虑学习内容的基础性,又要顾及专业性,还要面向行业特点。考虑到该课程的选课对象大多在发电领域就业,因此,以此为主线,在适当安排课程的基础性内容后,围绕发电机组的故障特点展开讨论。在此基础上,开发了网络课程,使学生不受课堂教学的限制,随时随地进行学习。
  一、教学内容的组织
  “机械设备故障诊断”课程的内容十分丰富,如何选好教学内容是重要一步。结合多年来积累的教学经验和教学资料,通过组织4个一级学科相关教师充分讨论,结合行业特色,大家认为教学内容应包含几方面。
  一是设备故障诊断的目的意义、故障诊断的发展历程、诊断技术的发展前景等,重点在分析研究状况和发展趋势。
  二是故障诊断的基本概念。主要讨论设备诊断与医学诊断的联系与差别、故障诊断的定义和一般术语名称、故障诊断的基本概念和体系、故障诊断技术分类、故障诊断的基本内容与结构体系、典型诊断技术和方法等,重点讨论故障诊断的基本概念和结构体系。
  三是故障诊断中的信号处理。主要分析信号的定义和分类、信号处理过程和装置、信号采集与数据预处理、信号的时域分析法、信号处理中的谱分析技术、信号处理中的时间序列分析、信号分析的一些特殊方法等,重点在信号的测量和分析方法、旋转机械特有的信号分析技术等。
  四是故障诊断的数学方法。主要介绍几种常用的故障诊断方法,如模糊诊断原理、神经网络诊断原理、故障树诊断方法等,结合案例,重点阐述应用的思路。
  五是状态监测仪表与系统。主要介绍状态监测的动、静参数及监测用传感器的原理、使用方法等,重点讨论仪表的应用条件和方法。
  六是火电机组故障诊断。主要介绍汽轮机组故障诊断技术的现状及发展趋势、故障诊断系统中失效参数的处理、汽轮机组故障诊断中目标值的确定、汽轮机振动故障的诊断、汽轮机通流部分的故障诊断、汽轮机组热力系统的故障诊断、汽轮机组经济性诊断等,重点分析火电机组特有的技术问题。
  七是水电机组故障诊断。主要介绍水电机组故障诊断的研究现状、发展趋势及水电机组故障诊断系统的基本结构、水电机组故障诊断的主要监测参数、水电机组的振动及其特征、水电机组状态信号处理、水电机组状态评价等,最后分析一个具体的诊断系统。
  八是核电机组故障诊断。主要讨论核电机组故障信息的特点、信息表示的方法、核电机组特有的系统和故障特点等。
  确定上述教学内容后,组织编写教学参考书,并制订主要中外参考资料目录。
  二、研讨式教学法的探索
  研讨式教学法着眼于学生全过程的参与,能促使学生在重视学习结果的同时也一样重视学习及研究的过程,有助于学生理解研究方法的本质,从而培养和提高研究能力。教学的重点在于“导”,即引导、指导、诱导、教导等,而不是传统意义上的“授”。教师的定位是充分发挥教学中的主导作用,不仅使学生掌握并能运用知识,达到传统教学中所规定的教学目的和要求,而且还要注重培养学生主动获取知识去解决实际问题的综合能力。从学的角度看,学生将由习惯性的被动思维转变为积极的主动思维,勤奋求知、主动探究,而不是被动地等待接受。研讨式教学一般要经历以下几个阶段:教学方案设计;教学实施,包括给学生布置题目、查阅文献、撰写提纲或研究报告、学术论文、讨论交流等;教学总结或点拨以及课后反思等。
  在教学方案的设计时,着重考虑以下四个方面:
  一是重指导阅读,忌全堂灌输。教师在课前布置学习任务,并推荐国内外有关参考文献,指定研究生根据自己所学专业就某一方面的问题进行准备,通过大量阅读后写出读书报告,然后在课堂上演讲,接受师生点评。
  二是重专题教学,忌低水平重复。根据课程的整体内容,选择出基本理论和基本方法及水电、火电、核电机组诊断等若干个基本问题和重点、难点问题进行专题讲座,使研究生对学科的发展背景、进展、存在的争议及有待解决的前沿课题有较为深入的了解。该课程一般由至少4名教授或副教授主讲,要求结合自己的科研成果,通过若干个专题讲座来达到教学的目的。
  三是重引导前沿,忌陈年老调。一方面,经典教学内容本身是在发展的、与时俱进的,教授们特别注意采用最新文献和学术成果,根据学生专业的不同选择不同的经典内容;另一方面,研究生的教学更多地介绍学科发展的前沿问题。
  四是重授人以渔,忌授人以鱼。研究生身心较为成熟,思维活跃,求知欲望和实践意向都较为强烈,若还是采用传统的灌输式教学显然是不合适的,教授们致力于让学生了解分析问题和解决问题的思路、方法,把重点放在培养他们具有自己获取知识的能力以及利用所学的专业知识解决实际问题的创新意识和创新能力上,即重视“引导”、授人以“渔”。这里包括端正学生的研究态度,培养学生良好的研究习惯,并向学生介绍学习和研究的方法。
  在教学实施过程中,注重自主学习能力的培养。专业课程教学过去往往只注重专业知识的讲授,忽略综合能力的培养。为了不陷入传统的“师授生录”的教学模式,在课程讲授过程中尽可能采用多种教学方法,注重案例教学。在课程实践中,分别采集制订了来自水电、火电和核电设备故障信息的实际数据,作为案例的基本素材,结合诊断理论,设计了基于模糊诊断方法的水电机组故障诊断案例、基于故障树的发电机组诊断案例、基于神经网络的机组振动分析案例以及水电、火电、核电机组实际状态检测和故障诊断系统案例。在案例教学实施前先给学生布置题目,让他们先思考,并写出提纲,理清思路。然后再在课堂里仔细分析,使学生能够学习实际解题的思路。通过对这些案例的剖析,使学生有身临其境的感觉,大大增加了学生学习的兴趣,学习效果得以提高。
  在教学过程中注重建立和谐的师生互动关系,突出学生的主体参与意识,实施“个性化教育”,即强调唤醒和调动学生的主体意识,倡导和发挥学生的主动性和创造性。既注重发挥教师在教书育人过程中的主导作用,又充分发挥学生在学习过程中的主体作用。因此,对不同个体采取有差别的教学方式、教学策略和个性化技术,采用“自由讨论式”、“自主研究式”等教学方法,师生可以在思想交流中碰撞出火花,这样能够把培养学生学习“主动性、创造性、求异性和挑战性”的指导思想落到实处。因此,在研究生课程教学中一味灌输是不可取的,而要注重方法,突出他们的主体地位,发挥其主动性,积极开展讨论式、演讲式、辩论式、案例式等多种形式的教学方法,激发其主动思维、辨析、讨论的激情,使之不仅成为课堂上的“收录”者,更重要的是成为研究者、工作者。在课程的开始阶段即布置学生论文题目,要求他们结合自己的学科特点,阅读20篇以上的参考文献,其中中英文各半,然后写出课程报告,做成PPT,在课堂上演讲。在整个演讲过程中,每个学生必须至少提出两个问题来与其他同学讨论,教师则根据课堂的进展情况即时点评,肯定成绩,指出不足。几年的实践表明,该教学方法效果不错,学生特别愿意参加。
  三、网络课程辅助教学的应用
  研究生普遍跟随其导师从事科学研究工作,免不了要出差,因此有时会错过课堂教学环节。如何解决这一问题,既能使学生系统地学习课程内容,又不至于耽误科学研究呢?网络课程是很好的弥补方案。
  结合“机械设备故障诊断”课程的具体特点,将其设计成“主导—主体”式网络课程,作为课堂教学的补充,其主要目的是丰富和拓展传统的面对面课堂教学,让学习者可以在课堂外继续学习或与教师保持联系,以便开展有效的课外交流。
  “主导、主体”式网络课程是指学生可以接受教师的实时面授教学,也可以通过局域网或互联网点播视频课程或网络课程学习,和教师通过互联网实时讨论、答疑的一种课程。这种类型的网络课程主要用于支持全日制学生学习,由课程教师设计制作,并建立课程教学网站,作为课堂教学的补充。课堂教学在一个相当长的时期还将是主要教学形式,以课堂教学为主、以网络教学为辅的教学模式可以使传统课程和网络课程优势互补。
  在网络课程的教学模块中,以节为最小单元设置可点播教学内容,学生可根据课堂教学的进展情况与课堂同步学习,可基本达到课堂教学的效果。
  四、成绩评定机制的改革
  在课程考核方面,以平时成绩、学术论文、课程报告以及期末开卷考试四部分计算课程成绩。学术报告和课程报告成绩引进美国高校广泛采用的学生之间相互打分和教师打分相结合的方法评定,做到客观公正。各部分成绩所占比例如下:
  平时成绩(报告、讨论、实验等)30%;学术论文和报告20%;课程报告20%;期末考试30%。
  五、学生对该课程教学的反馈
  在每次教学活动结束时,要求学生评价教学效果。以下是几年来部分学生对该课程有代表性的评价以及意见和建议,有些建议已经采纳,教学效果在不断提升。
  学生1:该课程的教授方式新颖,采取国外流行的学生PPT讲解加相互提问制的形式。通过PPT讲解和老师的精彩评议,学到了不同领域的机械故障诊断知识,对故障诊断有了比较深刻的了解。这种考查方式可以继续采用,这是一种新颖有效的方式,相信师弟师妹们也会从中受益的。提出一点小小的建议:如果条件容许,老师可以带领大家去相关的故障诊断实验室参观学习,并配合一些实际诊断方法进行讲解,课程将会更加的充实。
  学生2:本课程是一门紧密联系实际、十分实用的重要课程。老师在授课的同时,还创新地采用了让同学们围绕课程自选课题进行PPT演讲的形式引导同学们进行深入学习和研究。同时,这种方式不但锻炼了台上同学的表达能力、交流能力和各方面的人文素养,还锻炼了台下同学思考问题、勤于发问的能力,因此希望在以后的课程中能够延用和不断发展。但是在PPT讲演这个教学互动活动还有一些方面能够做得更好:时间可以参照学院PPT大赛的赛制进行严格控制,在进行剩余一分钟时间的提示后要求讲演者总结归纳,进行收尾,时间到就结束讲演。这样更能锻炼同学们应急应变、总结归纳的能力,更能培养大家严格的时间观念;在提问环节,有时大家提问和评价的积极性不太高,可以采取配对的方式调动大家参与的积极性,在活动开始前进行随机配对,然后每个人讲演完以后再宣布配对提问和评论同学的学号,这样更能调动大家学习、参与和思考的积极性,也能对出勤率进行监管,避免前面讲完的同学就不出席后面同学的讲演活动的情况出现;在活动开始前可以进行简要的PPT制作、内容选择等方面说明,避免PPT字数太多或内容过于晦涩等引起台下同学疲劳、费解等情况的发生。可以在大家在评分的同时选出最受欢迎的PPT讲演,将其资料进行分享和保存,一方面供大家交流经验,另一方面作为以后活动的示例。
  学生3:本课程的考查形式是PPT演讲加所有同学来相互评分,进行PPT演讲既能对此门课程进行了深入的学习,又锻炼了表述能力,是很成功的。
  学生4:本课程的教学方法非常好,课堂上学到了知识,课后增加了大家独立思考的能力。每人10分钟的PPT讲述,不但锻炼了演讲者的表达能力,同时也为大家提供了一个开阔视野和经验交流的平台。PPT的准备期间也锻炼了大家查阅文献和收集信息的能力。这种方法值得在以后的教育教学中继续推广。
  学生5:通过“机械设备故障诊断”理论和方法的学习,对诊断理论与方法的发展过程、现在常用的理论方法有了较多的了解。通过不同专业同学的交流,快速地了解了很多行业的基本知识,对今后的研究工作有很大的帮助,感谢陈老师富有启迪性的讲解。
  学生6:课程介绍详实,提供了充足的参考资料,并注重国外优秀文献的引用;讲课内容生动,并结合实际现场经验说明,有益于学生加深了解,提高听课兴趣;讲课过程中也贯穿了很多英文专业词汇,很喜欢;考核方式新颖,有利于切实学到一些东西,同时也锻炼了口头表达能力。
  学生7:授课方法开放灵活,充分发挥了学生的主观能动性。让学生自己做PPT讲课是一种开放的教学方式,既提高了学生查阅资料的水平、强化了参加科研的思维,也增强了学生的口头和书面表达能力。另外,陈老师亲自提问,启发了学生的思维。授课之余与学生广泛交流讨论,让学生有了被尊重的感受,这种以学生为主体的教学方法充分激发了学生的学习热情,调动了学生的主观能动性。授课内容新颖独到,广泛开阔了学生的视野。陈老师的授课内容基本上是当前本课题的前沿知识,让学生深刻了解了本课题的最新发展状况。授课风格鼓动人心,极大地感染了每一名学生。陈老师授课时表情丰富、语言生动,这种爱岗敬业的精神鼓舞着听讲的每一名学生。而且,在授课之余,教学生如何做学问,如何做人,特别是要求学生做任何事情都要注意“认真”二字,对学生来说都是非常有用的。
  学生8:经过几周的学习,对这门课程有了大体的认识,对老师的教课方式非常赞同,其实做研究就是一个发现问题、解决问题的过程,而老师在开始的时候介绍了这门课设计的基础知识和学科的大致框架,可以说是把学生“领进门”。再由学生通过自己的学习,针对某个具体问题进行深入研究,暂且不说能研究出什么新的东西,至少可以加深学生对这门课的认识,并通过学习使用了所学到的知识,最后通过公开的讲演将自己的研究归纳出来与大家分享,完成了一个做学问的全过程,个人觉得收获很大。
  六、结语
  研究生的课程教学对研究生知识的掌握、能力的提高和科学素养的培养具有重要作用,运用适宜的教学方法将会起到事半功倍的效果。教学实践表明,针对课程特点选择适合的教学内容开展研讨式案例教学可以培养和提高学生多方面的能力,如自学能力、思维能力、写作能力、口头表达能力、教学能力、研究与创新能力等,从而提高学生的综合素质。
  
  参考文献:
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  (责任编辑:王祝萍)
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