基于CDIO的機械故障診斷課程改革實踐

宿磊+李可+吳靜靜+化春鍵+周德強+張秋菊

【摘 要】為了提高機械故障診斷課程的教學質量，基于CDIO先進理念進行課程改革實踐。針對機械故障診斷這一大機械類專業課程的教學全過程，通過貫徹CDIO先進理念進行教學改革，教學結果表明，該方法著力提高了學生的動手能力、創新能力以及團隊意識，對實踐大機械類卓越工程師培養起到了較好的示范作用。

【關鍵詞】CDIO；機械故障診斷；卓越工程師

【Abstract】In order to improve the quality of mechanical fault diagnosis teaching， CDIO（Conceive， Design， Implement and Operate） was introduced for curriculum reform. For the teaching process of mechanical fault diagnosis course， CDIO was thoroughly implemented. The results show that the new approach improves the practical ability， innovation ability and team consciousness of the students， and plays a good demonstration effect for the practice of outstanding engineers.

【Key words】CDIO； Mechanical Fault Diagnosis； Outsanding Engineer

0 前言

CDIO工程教育模式是在Knut and Alice Wallenberg基金會近2000萬美元巨額資助下由麻省理工學院聯合查爾莫斯工業大學、瑞典皇家工學院以及林雪平大學共同開展教育探索研究而創立的一個國際性、全面廣泛且系統的工程教育改革模式[1]。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate），以產品的全壽命周期為對象，讓學生主動完成整個學習、探索、研究過程，能夠極大地提高學生的學習熱情，完善學生的課程知識體系，充分挖掘學生的學習潛力。

機械故障診斷課程是面向機械工程專業學生開設的一門專業選修課程，該課程涉及機械、信息、控制、力學等多學科理論，具有典型的學科交叉性；同時，該課程面臨理論性強、知識量大以及學生先修課程基礎薄弱等不利因素，導致課程教學環節枯燥，學生知識獲取熱情不高，課程最終教學效果較差。CDIO的提出為機械故障診斷課程教學改革提供了有力保障。在該課程教學實踐中通過貫徹CDIO先進理念優化教學過程，以項目為載體，將理論知識傳授、學生知識獲取、動手編程實踐、團隊合作以及項目評估進行有機融合，提高學生獲取知識的積極性，活躍課堂氣氛，提高學生自主學習能力，培養學生的團隊協作能力，最終達成CDIO培育卓越工程師的目標。

1 機械故障診斷課程教學改革研究現狀

機械故障診斷課程作為一門綜合性學科課程，涉及面廣，應用性強。針對課程教學面臨的難題，國內學者開展了教學改革探索研究。向家偉教授利用NI公司的LabView圖形化編程平臺，制作了具有較好的人機界面的CAI教學系統，通過該系統對機械故障診斷的基本理論進行虛擬化展示，提高了學生對課程的認知度[2]。河南理工大學冷軍發[3]等對機械故障診斷課程存在的問題進行了有效探析，提出了多媒體/網絡化教學、啟發式教學、綜合性教學及案例教學的課程教學模式，以激發學生對該課程的學習熱情。安徽工業大學鄭近德[4]等針對本科生機械故障診斷課程教學現狀進行剖析，提出了教學聯系實際、夯實基礎知識、加大實驗環節、布置隨堂練習與課后作業以及多種考核方式相結合的課程教學提升手段，獲得了較好的教學效果。

CDIO作為國際廣泛認可工程教育模式，尤其針對卓越工程師教育具有較好的效果。課程組根據機械故障診斷課程特點，將CDIO的先進理念與課程教學進行有機融合，并對教學實踐過程進行優化，針對教學內容、教學目標進行了系統性的探索，取得了一定的效果。

2 基于CDIO的機械故障診斷課程教學探索

機械工程專業尤其是卓越工程師教育的目標是培養專業基礎知識扎實，動手實踐能力強，能夠在生產一線、科研部門以及其他相關性單位從事機電一體化系統的設計、裝配、調試，具有高尚的道德品質、較強的創新能力以及積極的合作意識的優秀人才。CDIO先進理念對推動卓越工程師教育向更高層次發展具有重要意義。在機械故障診斷課程改革中，引入CDIO先進理念，以“項目”為載體，讓學生主動參加學習，團結協作，將理論知識與工程實踐有機地結合起來。

2.1 課程教學存在問題

傳統機械故障診斷課程主要講授機械故障診斷的基本原理、故障診斷的信號分析與處理技術、振動診斷的理論基礎、機械故障的振動診斷技術、油樣分析技術、溫度監測方法以及無損檢測技術等幾個方面的內容，主要集中于理論知識的灌輸。由于課程內容豐富，知識點多，學生難于有效掌握核心知識。同時，教學內容形式長久不變，不能適應時代的最新發展，難于提升學生的學習積極性。主要表現在：（1）先修課程尚未開課或掌握不足，導致學生在學習故障診斷過程中理解能力欠缺，容易產生“聽不懂”的狀況；（2）課時量少，機械故障診斷涉及較多的內容，知識點豐富，較少的課時很難支撐廣泛知識點的講授；（3）課程教學內容陳舊，與上世紀90年代內容相比，尚未更新，難于跟上新的發展形式，同時極少涉及最新的理論技術知識。因此，引入CDIO先進理念開展基于項目驅動的機械故障診斷課程教學改革具有十分重要的意義。

2.2 課程教學改革思路

CDIO先進理念注重實踐，在機械故障診斷課程改革探索中，將CDIO先進理念通過項目驅動的形式在課程教學中開展起來，項目采取“進階”式，由易到難，最終將教師傳授和自學知識融會貫通于項目實踐中，深化對課程知識的理解，提高自學及團隊協作能力。

根據CDIO的四個要點，機械故障診斷課程開展了理論教學、項目進階、項目評價三個環節的“項目”驅動教學探索，具體實施過程：

第一，通過少量的課堂教學時間對學生進行故障診斷基礎理論知識的傳授，提供自主學習的線索和思路，對相關先修專業知識點進行系統性回顧，對學生基礎不牢及欠缺的知識進行彌補。基礎理論傳授過程為項目的開展奠定基礎，是“項目”驅動模式的根基，是學生未來對項目進行構思、設計的理論源泉。

第二，根據學生所具備的知識水平，設置難度進階式的具有工程性質的2-4個研究型項目，課程選修同學都要進行項目實踐，每個項目根據課程教學周的安排確定給定完成時間。給予學生充分的自由構思、設計、實施的時間和空間，培養他們的自主學習能力、動手實踐能力、程序編寫能力、創新能力以及自主思考能力，并對課程傳授的基礎理論知識和先修知識進行融會貫通，提高學習積極性，鞏固課堂教學的效果。

第三，針對每個項目，要求在規定的時間內完成并進行報告的撰寫和PPT的制作，學生進行自由式選擇匯報項目，使不同難度的項目匯報人數呈現均分，通過項目報告的撰寫和PPT的匯報，培養學生的科技報告撰寫能力，提高學生的表達展示水平。“項目”進階驅動的教學新模式，要求學生在項目完成過程中，充分合作，互相討論，積極踐行團隊合作意識，對團隊協作精神的培養具有重要作用。

基于CDIO的“項目”驅動型機械故障診斷課程教學新模式是對傳統的純理論教學方式的擴展，也是一種新的改革探索。課程教學內容通過2-4個進階型“項目”展開，信號頻譜分析儀設計將機械故障診斷的基本原理知識、信號分析和處理的常規手段進行融合，通過matlab的GUI界面搭建分析儀平臺，通過編寫底層代碼對實際時域信號進行多域分析和展示。學生能夠對Fourier變換、功率譜分析、小波分析等知識進行充分的學習，理解內涵并直觀的查看分析效果，也能夠使得學生感受到項目完成后的自豪感。機械故障信號診斷儀設計將最新的統計學理論、機器學習、深度學習理論應用到實際信號處理中，學生需要通過不斷地學習理論知識，充分回顧先修基礎知識，從而完成該項目的工作。每個項目根據CDIO的標準進行評估，在項目的報告中完成文獻分析、構思、方案設計、技術難點、實施方法以及運行效果等各個部分，最終做成APP的形式。同時要求PPT演示匯報時間不低于8分鐘。

3 基于CDIO的機械故障診斷課程教學效果

為了對機械故障診斷課程教學新模式的實施效果進行有效分析，筆者認真整理學生完成的項目報告并對學生編寫的matlab程序進行一一核驗，總結經驗，分析效果。通過分析可以看出，基于CDIO的“項目”進階式教學模式不僅使學生掌握了機械故障診斷的基礎理論知識，同時提高了學生自主學習能力、自主思考能力、動手實踐能力、程序編寫能力、創新能力、科技報告撰寫能力以及表達能力，初步達到了預期的教學目標。同時，通過課程結束后對學生的問卷調查及結合學生的評教情況可以看出，課程受到學生的大力歡迎。從幾位學生的評教留言中，可以看出基于CDIO的教學改革實踐受到學生的肯定。

學生1：機械故障診斷真是上的忐忑不安，緊張，但是回味無窮。老師帶來了新的方式，每一個項目都充滿了挑戰性。沒想到我竟然把matlab短期學會了，并且自己完成了每一個項目，老師棒棒噠。

學生2：我深深地被自己所具有的自學能力打動了，從未有過像故障診斷課程的認真學習態度，從開始面對項目時的茫然無措，到努力查找資料，復習以前學習的知識，自己學習matlab，動手編寫程序，刺激，感謝老師讓我重新發現了自己的學習能力。

學生3：老師估計是我大學中印象最深的老師，從開始做項目時恨死他，我覺得他是在摧殘我們。現在我知道他對課程的良苦用心，通過做幾個項目，我認真學習了基礎知識，能夠用matlab把常用信號處理算法實踐出來，沒想到我能夠把項目做得這么完美，還受到了老師的表揚，奇跡啊。

4 結束語

CDIO先進工程教育模式遵從教學規律，契合現代卓越工程師教育的發展趨勢，注重學生創新能力的培養，極力推動學生的創業熱情和個性發展，踐行了因材施教理念。機械故障診斷課程通過借鑒CDIO工程教育理念，對傳統灌輸式教學模式進行了深化改革，開展了“項目”驅動的教學實踐新模式，構建了“知識-能力-素質-過程-目標-評價”的卓越工程師培養結構，充分調動了學生對課程知識及相關專業知識的自學和互學積極性，極大提高了學生的創新能力和創新意識，加強了學生之間的團隊協作能力，使得團隊協作精神深入學生內心，大大增強了學生的動手能力和工程實踐能力，拓展了學生的知識面，提升了學生的綜合能力。

【參考文獻】

[1]高雪梅，孫子文，紀志成.CDIO方法與我國高等工程教育改革[J].江蘇高教，2008，5：69-71.

[2]向家偉.基于LabView的《機械故障診斷學》課程CAI教學系統設計[J].科技教育創新，2009，30（2）：180-182.

[3]冷軍發，荊雙喜.機械故障診斷課程教學改革探析[J].中國現代教育裝備，2011，11：88-90.

[4]鄭近德，潘海洋，潘紫微.本科生機械故障診斷學課程教學改革研究[J]. 安徽工業大學學報（社會科學版），2016，33（2）：101-102.

[責任編輯：朱麗娜]