研究生機(jī)械故障診斷學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革探討

劉文藝 張昱

摘 ?要 在分析機(jī)械故障診斷學(xué)教學(xué)問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)模式，提出“教學(xué)—討論—測試”（TDT）這一實(shí)踐教學(xué)模式。教師根據(jù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和班級(jí)人數(shù)，將學(xué)生分為講解組和其余組，并在教學(xué)環(huán)節(jié)與討論環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)全程引導(dǎo)與組織，在測試環(huán)節(jié)則轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞒?。講解組采用多種教學(xué)方式完成實(shí)踐教學(xué)的講解，并在教師引導(dǎo)下組織相關(guān)專業(yè)問題的討論與思考。通過振動(dòng)測試實(shí)踐教學(xué)案例分析，可以證明該模式能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生掌握新知識(shí)和新技能的能力，值得在實(shí)踐教學(xué)過程中進(jìn)一步推廣。

關(guān)鍵詞 TDT;實(shí)踐教學(xué);機(jī)械故障診斷學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G643.2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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

機(jī)械故障診斷學(xué)是很多高校機(jī)械工程專業(yè)碩士研究生的必修課程，主要講授機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息處理和狀態(tài)監(jiān)測、機(jī)械故障診斷的機(jī)理及故障診斷技術(shù)[1-2]。該課程融合了信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械科學(xué)、測試技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理等綜合課程知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力及設(shè)備維護(hù)維修能力。因而，實(shí)踐環(huán)節(jié)是該課程教學(xué)過程中必不可少的一部分。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式多是以教師講授為主，學(xué)生通過觀察教師的演示操作，學(xué)習(xí)并模仿進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐操作[3-5]。這種教學(xué)模式雖然起到一定的教學(xué)效果，但在學(xué)生實(shí)踐積極性引導(dǎo)、動(dòng)手能力鍛煉等方面仍需加強(qiáng)，在教學(xué)理念創(chuàng)新、教學(xué)模式改革等方面仍值得進(jìn)一步完善。

翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式（Flipped Classroom Model）是一種將教師職責(zé)和學(xué)生身份翻轉(zhuǎn)互換的教學(xué)模式，最初由美國的Maureen Lage在美國邁阿密大學(xué)提出，并通過實(shí)踐研究了取得的相應(yīng)效果[6-7]。該模式可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)知識(shí)，充分挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到鼓勵(lì)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的目的，有效地提升教學(xué)質(zhì)量[8]。

在機(jī)械故障診斷學(xué)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，本文在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的思路基礎(chǔ)上，提出一種“教學(xué)（Teaching）—討論（Discussing）—測試（Testing）”（以下簡稱TDT）實(shí)踐教學(xué)新模式。該模式可以充分挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，全程由學(xué)生起主要作用，教師負(fù)責(zé)過程引導(dǎo)、問題激發(fā)、討論思路引導(dǎo)等。

2 實(shí)踐教學(xué)新模式探討

“教學(xué)—討論—測試”（TDT）模式的實(shí)踐教學(xué)，充分結(jié)合了翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式理論，其主要實(shí)踐流程如圖1所示。在TDT實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，主要分為教學(xué)、討論與測試三大環(huán)節(jié)，教師主要負(fù)責(zé)教學(xué)、討論環(huán)節(jié)全程的引導(dǎo)，以及測試環(huán)節(jié)的參與主持。教師根據(jù)授課人數(shù)將學(xué)生分為若干組，每組均有機(jī)會(huì)負(fù)責(zé)某部分實(shí)踐內(nèi)容的教學(xué)，其一為講解組，其余組在非講解任務(wù)時(shí)參與TDT實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

在教學(xué)環(huán)節(jié)，講解組負(fù)責(zé)將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容以更容易接受的方式講授給其余組，教學(xué)形式多樣化，可以選擇板書、PPT、動(dòng)畫、視頻等。在討論環(huán)節(jié)，由其余組根據(jù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容提出相關(guān)問題，講解組負(fù)責(zé)解答或組織大家討論，以多途徑獲得準(zhǔn)確的問題答案。在測試環(huán)節(jié)，教師的職能從引導(dǎo)逐漸過渡到參與，而講解組也轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y試對(duì)象，由教師組織相關(guān)問題進(jìn)行測試，進(jìn)一步根據(jù)測試結(jié)果評(píng)價(jià)授課質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)案例

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇機(jī)械故障診斷學(xué)課程中的振動(dòng)信號(hào)測試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)案例分析。振動(dòng)信號(hào)測試是實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障診斷流程關(guān)鍵的一步，實(shí)驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)量直接影響后續(xù)故障診斷的數(shù)據(jù)處理速度，實(shí)驗(yàn)測試的精確度直接影響后續(xù)特征提取及故障診斷的準(zhǔn)確度。因此，設(shè)置好振動(dòng)信號(hào)測試的參數(shù)，選擇合適的硬件及軟件，不僅影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，更影響實(shí)踐教學(xué)的效果。

振動(dòng)信號(hào)測試的對(duì)象是JSNU-WT-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由控制柜、三相異步電動(dòng)機(jī)、太陽行星輪減速箱、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制箱體等組成，可以完成機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械故障診斷、測試技術(shù)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)[9]。振動(dòng)信號(hào)測試實(shí)驗(yàn)主要完成不同頻率下太陽行星輪減速箱輸入端或輸出端的振動(dòng)信號(hào)測試。采用振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的捕獲，通過CoinV采集儀將信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析等后續(xù)操作。其振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示。

實(shí)踐任務(wù)實(shí)驗(yàn)班級(jí)為江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)2017級(jí)碩士研究生，人數(shù)為15人。根據(jù)班級(jí)人數(shù)分為五組，每組為三人。要求：每組獨(dú)立設(shè)計(jì)振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)參數(shù)（如測試位置、測試采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)等）應(yīng)體現(xiàn)出差異;完成實(shí)驗(yàn)的講授和組織討論;完成振動(dòng)信號(hào)的采集和獲取;完成基本的信號(hào)后續(xù)分析和處理。

實(shí)踐過程以講解小組夏同學(xué)、潘同學(xué)、楊同學(xué)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)為例。在TDT實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)（T）環(huán)節(jié)，由夏同學(xué)介紹實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)施、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟等，并由潘同學(xué)和楊同學(xué)負(fù)責(zé)指示相應(yīng)的設(shè)施位置及基本操作。經(jīng)過這個(gè)環(huán)節(jié)，大家對(duì)實(shí)驗(yàn)硬件有了初步認(rèn)識(shí)。進(jìn)一步，夏同學(xué)介紹了、振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)所設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，如采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、傳輸及存儲(chǔ)方式等，并由潘同學(xué)負(fù)責(zé)在計(jì)算機(jī)中演示并設(shè)置完成相關(guān)參數(shù)。

振動(dòng)信號(hào)測試過程包括傳感器的布置與測點(diǎn)的固定等，由楊同學(xué)主要完成，潘同學(xué)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。三位同學(xué)共同配合，完成實(shí)驗(yàn)中減速箱輸出端的振動(dòng)信號(hào)獲取，采樣頻率為4000 Hz，采樣時(shí)間為3 s，共存儲(chǔ)數(shù)據(jù)12 000點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)后，可以進(jìn)行后續(xù)分析和處理，如時(shí)頻域分析等。

在TDT實(shí)踐教學(xué)的討論（D）環(huán)節(jié)，教師和其他學(xué)生針對(duì)三位同學(xué)講解的內(nèi)容提出問題并進(jìn)行討論。問題主要集中在：為何確定測點(diǎn)位置在減速箱的輸出端？確定測點(diǎn)位置的原則是什么？采樣頻率的選擇有何要求？數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、采樣時(shí)間、采樣頻率三者的關(guān)系如何？振動(dòng)加速度傳感器的工作原理如何？采集儀的主要作用是什么？什么是時(shí)頻分析？等等。在教師的引導(dǎo)下，大家針對(duì)這些問題展開熱烈的討論，并逐漸鞏固了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

在TDT實(shí)踐教學(xué)的最后一個(gè)測試（T）環(huán)節(jié)，由教師提出測試問題，作為實(shí)踐考核的通關(guān)題，其成績可以考慮作為實(shí)驗(yàn)成績。這個(gè)吸收內(nèi)化過程是在課堂上通過互動(dòng)來完成的，教師能夠提前了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，在課堂上給予有效的輔導(dǎo)，學(xué)生之間的相互交流更有助于促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的吸收內(nèi)化過程。

通過結(jié)果分析，TDT實(shí)踐教學(xué)模式的運(yùn)行測試，該組學(xué)生成功地組織了該實(shí)驗(yàn)的部分教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生通過興趣引導(dǎo)激發(fā)了實(shí)驗(yàn)熱情與學(xué)習(xí)激情，在更加輕松活潑的環(huán)境中掌握了相關(guān)知識(shí)。在本次實(shí)踐的討論（D）環(huán)節(jié)，講解組能夠較好地組織討論，并根據(jù)教師的引導(dǎo)將問題限制在課程知識(shí)范圍內(nèi)，引導(dǎo)同學(xué)們共同尋求答案。通過TDT模式的應(yīng)用，振動(dòng)測試整體實(shí)驗(yàn)取得良好的教學(xué)效果，學(xué)生實(shí)驗(yàn)測試成績得到較大提升。對(duì)比未實(shí)行TDT實(shí)踐教學(xué)模式的班級(jí)，本班實(shí)驗(yàn)成績要高出20%～30%，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握能力和實(shí)踐動(dòng)手能力有了明顯增強(qiáng)。

4 結(jié)語

在翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，提出一種TDT實(shí)踐教學(xué)模式，并在機(jī)械故障診斷學(xué)實(shí)踐教學(xué)中推廣應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

1）該模式分為教學(xué)（T）、討論（D）與測試（T）三個(gè)環(huán)節(jié)，教師主要負(fù)責(zé)引導(dǎo)教學(xué)與討論并參與主持測試環(huán)節(jié);

2）講解組引入多種教學(xué)方式將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和其余組分享，并爭取用輕松的方式完成授課知識(shí)的推廣;

3）通過TDT實(shí)踐教學(xué)模式的引入，可以有效地激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)積極性，鍛煉邏輯思維能力、語言表達(dá)能力及新知識(shí)的獲取能力，提升了教學(xué)質(zhì)量。

實(shí)踐證實(shí)，該方法值得在相關(guān)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)一步推廣應(yīng)用，具有較高的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王國彪，何正嘉，陳雪峰，等.機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)研究“何去何從”[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（1）：63-72.

[2]蘇祖強(qiáng)，熊英，羅久飛，等.《機(jī)械故障診斷》研究生教學(xué)課程改革的探討[J].教育教學(xué)論壇，2017，10（41）：242-243.

[3]裴宏杰，王貴成，沈春根，等.“機(jī)械故障診斷技術(shù)”課程教學(xué)改革研究[J].科教導(dǎo)刊，2019，4（2）：101-103.

[4]段禮祥.“教研文”相結(jié)合的《機(jī)械故障診斷學(xué)》教改探討[J].教育教學(xué)論壇，2012（20）：178-179.

[5]鞏曉赟，侯俊劍，馬建榮.機(jī)械故障診斷課程的教學(xué)研究與實(shí)踐[J].中國輕工教育，2015（5）：74-76.

[6]陳芳芳，劉萬松.教育信息化背景下翻轉(zhuǎn)課堂問題研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2018，12（24）：101-103.

[7]黃珊，周志強(qiáng)，韋良，等.基于翻轉(zhuǎn)課堂的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探[J].大學(xué)教育，2019（5）：98-100.

[8]鄭朝霞，馬紅兵.翻轉(zhuǎn)課堂在工程訓(xùn)練教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].中國教育技術(shù)裝備，2018，9（18）：86-87，92.

[9]單夢晨，劉文藝，李雨，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019（3）：33-35.