【摘要】針對跨專業(yè)研究生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的困難，提出基于遷移學(xué)習(xí)的課程教學(xué)方法，利用在熟悉領(lǐng)域中學(xué)習(xí)到的知識來幫助完成專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。實(shí)際應(yīng)用中，將醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的體檢、聽診器等概念，以及中醫(yī)“望、聞、問、切”四診法和多源融合診療等方法遷移到機(jī)械故障診斷課程的教學(xué)中，形成專業(yè)課程的遷移教學(xué)方法，提高了研究生的培養(yǎng)質(zhì)量和科研能力。

【關(guān)鍵詞】遷移學(xué)習(xí) 專業(yè)課程 教學(xué)實(shí)踐 教學(xué)質(zhì)量

【中圖分類號】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）46-0055-02

工科院校選修某一門專業(yè)課程的研究生常來自不同專業(yè)，這種跨專業(yè)的課程學(xué)習(xí)使研究生感覺難度較大。例如，我校為研究生開設(shè)的專業(yè)課《機(jī)械故障診斷學(xué)》，選課學(xué)生就有來自機(jī)械工程、安全工程和油氣儲運(yùn)工程的研究生。并且近幾年隨著安全學(xué)科的發(fā)展，安全工程專業(yè)研究生占到了60%以上。然而安全工程學(xué)生在本科階段對機(jī)械方面的課程學(xué)得很少，因此學(xué)習(xí)很吃力。對于跨專業(yè)研究生課程的教學(xué)改革具有重要的意義。遷移學(xué)習(xí)是近年來在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中發(fā)展起來的一種新理論，在科研領(lǐng)域和教學(xué)領(lǐng)域都有了初步研究和應(yīng)用。本文將遷移學(xué)習(xí)理論應(yīng)用到跨專業(yè)研究生的專業(yè)課程教學(xué)中，旨在進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

1.遷移學(xué)習(xí)的原理

1.1 遷移學(xué)習(xí)的概念

遷移學(xué)習(xí)（ Transfer Learning）在機(jī)器學(xué)習(xí)理論中被定義為：通過尋找源域與目標(biāo)域之間的映射關(guān)系，找出相同或相近的特征表示，并應(yīng)用到目標(biāo)領(lǐng)域，從而將源域知識準(zhǔn)確有效地傳遞給目標(biāo)域。該方法能夠有效地在相似的領(lǐng)域之間進(jìn)行信息的共享和遷移，利用從一個領(lǐng)域中學(xué)習(xí)到的知識來幫助完成新領(lǐng)域中的學(xué)習(xí)任務(wù)，類似將騎自行車的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到騎摩托車上，從而有助于摩托車的駕駛學(xué)習(xí)。遷移學(xué)習(xí)已成功應(yīng)用于文本處理、圖像分類、人臉識別、語音識別、信號處理等領(lǐng)域。例如，從Wikipedia文檔到Twitter文本的知識遷移，從互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)頁到 Flick 圖像的知識遷移，從圖書等已知產(chǎn)品領(lǐng)域到未知產(chǎn)品領(lǐng)域的喜好、感受、觀點(diǎn)等在線評價的遷移學(xué)習(xí)等。

1.2 正遷移和負(fù)遷移

美國心理學(xué)家桑代克認(rèn)為，舊學(xué)習(xí)之所以能對新學(xué)習(xí)有遷移效果，主要在于新舊學(xué)習(xí)之間存在共同要素。兩者相同要素越多，則遷移分量越大。某些概念和方法之間存在著驚人的類同性，在教學(xué)和科研中要善于對比相似的學(xué)習(xí)情境，挖掘它們的相同成分，以創(chuàng)設(shè)積極的遷移氛圍，從而引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的正遷移。然而，當(dāng)新學(xué)習(xí)與與舊學(xué)習(xí)彼此不相關(guān)時，強(qiáng)制遷移是不足取或不成功的；當(dāng)遷移時機(jī)欠佳，盲目遷移則會帶來干擾和抑制作用，甚至產(chǎn)生“負(fù)遷移”的嚴(yán)重后果。在教學(xué)和科研中，如何辨認(rèn)各種問題的本質(zhì)特征，是尋求克服負(fù)遷移教學(xué)策略的出發(fā)點(diǎn)。從本質(zhì)上講，遷移學(xué)習(xí)就是對所學(xué)新舊知識的再整合再加工過程，運(yùn)用正遷移學(xué)習(xí)更好地幫助學(xué)生提升自主學(xué)習(xí)和科研能力，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和提高科研能力有十分重要的作用。

2.遷移學(xué)習(xí)教學(xué)方法的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)備故障診斷全過程包括信號檢測、征兆收集、狀態(tài)判別、故障定位和維修決策，與醫(yī)生給病人看病有諸多相似之處。待診斷的設(shè)備就相當(dāng)于病人，設(shè)備診斷實(shí)施者就相當(dāng)于醫(yī)生?？梢姡瑱C(jī)械故障診斷跟人看病相同要素很多，而作為研究生在這方面已積累了很多“知識”，將這些知識遷移到機(jī)械故障診斷是完全可行的。

2.1 概念的遷移

體檢與狀態(tài)監(jiān)測。人要經(jīng)常進(jìn)行體檢，如學(xué)生的入學(xué)體檢，教師的年度體檢。通過體檢能獲知身體的健康狀態(tài)。機(jī)械設(shè)備的“體檢”叫狀態(tài)監(jiān)測，可以為定期監(jiān)測，如每月一次，也可以為在線監(jiān)測，將各種傳感器安裝在設(shè)備上，實(shí)時采集數(shù)據(jù)、分析設(shè)備狀況。

聽診器與振聲采集器。聽診器由拾音部分、傳導(dǎo)部分及聽音部分組成，用來診斷各種心肺等胸部疾病。振聲采集器由拾振（音）部分、傳導(dǎo)部分及存儲部分組成，用來采集設(shè)備運(yùn)動部件產(chǎn)生的振動或聲音，從而診斷零部件的磨損、裂紋等故障。

疾病的早期診斷與機(jī)械故障的早期診斷。人體疾病的早期發(fā)現(xiàn)對于治療非常重要。例如，癌癥防治的唯一出路為“三早”，即：早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療。機(jī)械設(shè)備的早期故障具有癥狀不明顯、特征信息微弱等特點(diǎn)，不易識別，需要研究有效的微弱故障特征增強(qiáng)方法，還需要建立故障演化過程與征兆間的映射關(guān)系，保證特征提取的準(zhǔn)確性。

2.2 物理量的遷移

振動信號監(jiān)測分析是機(jī)械故障診斷常用的方法，其中振動位移、振動速度和振動加速度是振動信號分析中最常用的三個物理量。機(jī)械設(shè)備上某一點(diǎn)的振動是由多個部件振動的合成，也即多個簡諧振動的合成。而簡諧振動就是高中物理中的簡詢運(yùn)動。與簡詢運(yùn)動研究運(yùn)動的周期（頻率）和幅值一樣，通過研究振動的頻率和幅值來判斷故障的部件及其嚴(yán)重程度。

2.3 研究方法的遷移

信號檢測方法。在醫(yī)學(xué)上，扁鵲提出了“望、聞、問、切”四診法，至今依然普遍使用，是中醫(yī)辨證施治的重要依據(jù)。在機(jī)械設(shè)備診斷中，也有“望、聞、問、切”四種信號檢測方法。其中，望診是利用紅外熱像儀采集設(shè)備的紅外輻射能量，根據(jù)紅外圖像的不同顏色及其隨時間的變化來診斷“溫度相關(guān)”故障，如摩擦磨損故障。聞診是利用氣體傳感器檢測設(shè)備內(nèi)部氣體、液體的泄漏情況，從而判斷設(shè)備密封部件的完好狀態(tài)。問診是詢問設(shè)備的病史及狀態(tài)，如歷史故障情況、設(shè)備維修情況、運(yùn)行時間、負(fù)載工況等。切診是利用振聲傳感器采集設(shè)備關(guān)鍵部位的振動和噪聲，并進(jìn)行時域、頻域分析。

多源融合診療方法。在醫(yī)學(xué)上，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生通過四診法對病情綜合分析；或者是多科室、多專業(yè)大夫聯(lián)合會診，最后給出綜合診療意見。在機(jī)械設(shè)備診斷中，通過對熱圖像、泄漏信號、振聲信號及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用信息融合方法分析，給出設(shè)備的狀態(tài)、故障情況及維護(hù)對策。

2.4負(fù)遷移的克服endprint

在遷移學(xué)習(xí)中，要注意克服負(fù)遷移影響。如果盲目遷移，有時甚至帶來負(fù)面效果。如有人把騎自行車的方法遷移到騎三輪車，結(jié)果不會拐彎。因?yàn)榍罢呖績A斜身體的方法拐彎，后者靠轉(zhuǎn)動把手。認(rèn)清二者的本質(zhì)區(qū)別是克服負(fù)遷移的關(guān)鍵。在機(jī)械故障診斷的教研中，也要注意克服負(fù)遷移影響。例如對比評價方法的遷移。對病人診治常用對比評價方法，比如體檢中的血常規(guī)化驗(yàn)，就是跟標(biāo)準(zhǔn)對比，看是指標(biāo)否超標(biāo)、從而判斷是否有相應(yīng)的疾病。設(shè)備診斷也常用對比評價方法，如振動信號幅值對比。但是，對比評價方法是要有條件的，如抽血化驗(yàn)要求空腹、禁水等。設(shè)備對比則要求工況相同，也就是設(shè)備轉(zhuǎn)速、負(fù)載相同。然而，很多設(shè)備運(yùn)行是變速變載的，因此，要么把設(shè)備調(diào)整到相同工況再檢測，要么把變工況產(chǎn)生的影響剔除后進(jìn)行對比，否則對比的結(jié)論就不可信。

3.結(jié)論

遷移學(xué)習(xí)能有效地在相似的任務(wù)之間進(jìn)行信息的共享和遷移，利用從一個領(lǐng)域中學(xué)習(xí)到的知識來幫助完成新領(lǐng)域中的學(xué)習(xí)任務(wù)。在教學(xué)和科研中，辨清源域和目標(biāo)域之間的本質(zhì)區(qū)別是善用正遷移、克服負(fù)遷移的關(guān)鍵。在機(jī)械故障診斷中，可以將體檢與狀態(tài)監(jiān)測、聽診器與振聲采集器、疾病的早期診斷與機(jī)械故障的早期診斷等概念進(jìn)行遷移；將位移、速度和加速度等物理量進(jìn)行遷移；將“望、聞、問、切”和多源融合診療方法進(jìn)行遷移；同時，要克服負(fù)遷移的影響。本文提出的遷移學(xué)習(xí)教學(xué)方法，有助于提高課程教學(xué)效果，同時可以推廣到其它課程的教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳超，沈飛，嚴(yán)如強(qiáng). 改進(jìn)LSSVM遷移學(xué)習(xí)方法的軸承故障診斷[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，52（01）：33-40.

[2]李丹，袁凌，胡迎松，朱玲玲. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的遷移學(xué)習(xí)實(shí)踐教學(xué)模型[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（05）：51-54.

[3]Sinno Jialin Pan， Qiang Yang. A survey on transfer learning[J]. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering， 2010， 22（10）： 1345-1359.

[4]劉建偉，孫正康，羅雄麟. 域自適應(yīng)學(xué)習(xí)研究進(jìn)展[J]. 自動化學(xué)報(bào)，2014，40（8）：1576-1600.

[5]Jose Costa Pereira， Nuno Vasconcelos. Cross-modal domain adaptation for text-based regularization of image semantics in image retrieval systems[J]. Computer Vision and Image Understanding， 2014， 124（SI）： 123-135.

[6]付奎. 遷移理論在物理教學(xué)中的應(yīng)用探索[J]. 陜西教育（高教版），2011，Z2： 199-200.

作者簡介：

段禮祥（1969年10月-），男，四川瀘州人。主要從事設(shè)備安全監(jiān)測與智能診斷的教學(xué)和科研工作。endprint