新工科及其在機械故障診斷課程教學改革中的探討

程道來　朱駿毅　賈玉琛

[摘 要]在描述傳統(tǒng)工科內涵、存在不足的基礎上，給出新工科的由來、新工科何以為新以及我國高校新工科專業(yè)分類發(fā)展的思路，闡述了新工科背景下機械故障診斷技術發(fā)展的機遇。 最后從課程內容設置的改革、學習方式方法和實踐教學的改革等方面就如何開展機械故障診斷碩士課程教學改革進行探討，為更有效開展教學提供指導。

[關鍵詞]新工科;機械;故障診斷;課程;教學改革

[中圖分類號] G420; TH17 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0044-03

一、傳統(tǒng)工科與新工科

（一）傳統(tǒng)工科

傳統(tǒng)工科是相對于理科等其他學科而言的一門學科，又稱工程學，如材料科學、計算機、信息等。在高校中，將自然科學原理應用至工業(yè)、農業(yè)等各個生產部門所形成的諸多工程學科也稱為工科或工學。工科是應用科學和技術的原理來解決社會發(fā)展過程中與企業(yè)工程實際相關的理論支撐和技術途徑問題，但傳統(tǒng)工科具有人文基礎不夠、專業(yè)劃分偏窄、偏細，缺乏交叉性等不足[1-2]。

（二）新工科

新工科是相對傳統(tǒng)工科而言的，是隨著信息技術、計算機技術、人工智能、互聯(lián)技術等新興技術的發(fā)展而形成的一種教育工作者培養(yǎng)新型工科學生的工科形式，是對傳統(tǒng)工科的優(yōu)化、升級，有著傳統(tǒng)工科沒有的新特點、新應用和新內涵。新工科建設必然不斷促進新工科專業(yè)的發(fā)展和校企緊密結合[3-6]。正因如此，教育部主動適應新變革，主導推進新工科建設，為國內高校開展新工科教育提出新目標、新任務和新要求，加快推進我國高等教育強國建設戰(zhàn)略。

職業(yè)化是高校人才培養(yǎng)的載體，在新形勢下高校要不斷培養(yǎng)新的人才來滿足市場的需求。新的工程學科基于專業(yè)變革，導致人才需求不斷變化。圖1是對新工科專業(yè)、新課程形成的簡單圖解。

（三）新工科何以為新[7-9]

國內某著名專家認為，新工科的新主要在于以下幾方面：1.對“超世界存在”的關注——一種使命感和價值感;2.應該幫助學生樹立多學科意識，培養(yǎng)其在多學科空間中觀察和思考問題的習慣; 3.應該幫助學生建立專業(yè)節(jié)點或信息來源的聯(lián)系，使其成為獲取知識的重要途徑，這也是未來創(chuàng)作者應具備的基本素養(yǎng); 4.應該關注多學科的交叉點，這是新技術的發(fā)展動力源泉;5.新工科還需體現(xiàn)在新的教育教學方法上。 在新工科背景下，“上九天攬月，下五洋捉鱉”“千里江陵一日還”的想法都已變成現(xiàn)實。

（四）我國高校新工科專業(yè)分類思路及特點

我國有不同類型的高校，他們的新工科專業(yè)分類發(fā)展思路不同。1.具有綜合學科優(yōu)勢的大學群體，其主要用于解決全球化、涉及國家安全和利益的重大科技研發(fā)問題，教學方法以培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新人才和綜合復雜的工科和科技人才為主。2.具有工程優(yōu)勢的大學群體，其主要服務于跨國企業(yè)、國家重點行業(yè)企業(yè)，以及重點領域的實際需求和未來發(fā)展。其教學方法側重于課堂教學與現(xiàn)場實驗相結合，側重于現(xiàn)場實驗，注重培養(yǎng)復合工程技術創(chuàng)新人才。3.具有區(qū)域資源優(yōu)勢的地方高校，其主要服務于區(qū)域新經濟的發(fā)展，注重傳統(tǒng)工程的交叉合成。其教學方法是基于現(xiàn)場實驗，密切與當?shù)仄髽I(yè)的聯(lián)系，培養(yǎng)應用工程科技創(chuàng)新人才、科技產業(yè)人才，為區(qū)域經濟社會發(fā)展服務。

表1是對新工科專業(yè)的簡單分類和特點總結。

由表1可以看出，當今社會不斷興起的新工科專業(yè)是多種專業(yè)的復雜結合。 它側重于跨學科、跨行業(yè)的人才培訓，強調寬口徑、厚基礎、綜合能力，重點是人才培養(yǎng)模式的多樣性，側重于國際發(fā)展和精細培訓，強調學科與工業(yè)發(fā)展之間的聯(lián)系。 與此同時，新工科專業(yè)的不斷建設，對現(xiàn)代機械故障診斷技術的革新也產生了重大影響。

二、新工科背景下的機械故障診斷 [11-14]

（一）機械故障診斷技術在新工科背景下的發(fā)展機遇

機械故障診斷是20世紀60年代隨著科學技術的發(fā)展和應用而發(fā)展起來的綜合性技術。中國社會經濟和科學技術的迅速發(fā)展，使得機械越來越智能化、復雜化和規(guī)模化。在具體使用機械故障診斷的過程中，不可避免地受到各種外部因素的影響，例如振動等，從而引發(fā)各種各樣的故障。而設備一旦發(fā)生故障將會給生產和人們的生命安全帶來巨大的損失。傳統(tǒng)的故障診斷技術已經無法滿足系統(tǒng)的實際需求，應不斷改進機器的故障診斷技術。

在新工科建設不斷發(fā)展的情況之下，學科交叉不斷深化，新興技術不斷發(fā)展和成熟，機械故障診斷勢必在這種趨勢之下得到極大的發(fā)展。機械故障診斷這門學科本身就是多個學科的交叉集合，比如信號獲取與傳感器技術、故障機理與征兆聯(lián)系、信號處理與診斷方法等。

新工科的發(fā)展會促進各種技術不斷創(chuàng)新，這對于機械故障診斷這門學科的發(fā)展來說是個機遇。

（二）在新工科背景下，機械故障診斷技術的不斷發(fā)展

隨著科學技術的不斷發(fā)展，當今的信息技術、計算機技術和傳感器技術都取得了長足的進步。應用于工程上的機械故障診斷技術正逐步從以前的單一模式發(fā)展到現(xiàn)在智能化和全息化，并在石油、化工、電力、冶金等領域的大型企業(yè)得到高度重視和廣泛應用。其應用主要有以下幾方面：1.多傳感器數(shù)據融合技術;2.混合智能故障診斷技術;3.故障診斷技術結合最新的信號處理方法;4.遠程故障診斷技術。其中使用多個傳感器同時監(jiān)控多個位置的多傳感器數(shù)據融合技術，能及時分析和處理這些信息; 混合智能故障診斷技術主要是專家系統(tǒng)與神經網絡系統(tǒng)的結合、神經網絡系統(tǒng)與案例推理的結合;專家系統(tǒng)，模糊邏輯和神經網絡等的結合，最后的組合也是最有希望的組合。結合最新信號處理方法的故障診斷技術是利用近年來出現(xiàn)的數(shù)學形狀濾波和小波分析。 各種新的信息處理模式，能結合故障診斷的實際需要選擇故障信息通道序列，進一步搜索故障源。遠程故障診斷技術主要是利用計算機網絡、機載模塊、無線通信等技術，有效地跨空間和遠距離實時診斷工程機械故障。

三、新工科背景下機械故障診斷課程的教學改革探討

（一）傳統(tǒng)的機械故障診斷課程

機械故障診斷課程是機械工程類高校研究生的基礎理論課程，其在清華大學、上海交通大學、西安交通大學等國內著名高校都有開設。機械故障診斷也是一門綜合性課程，該課程不僅涉及很多公式推理，還涉及許多新的理論和方法。我校自有機械工程學科一級碩士點起，機械故障診斷課程就作為碩士研究生的 一門非學位專業(yè)選修課，該課程得到了機械類碩士的偏愛，選課率高。由于研究生要學的知識多，該課程設置為32小時，小時數(shù)相對較少，在有限時間內很難開展相關的知識教學;同時，該課程是一門非常實用的課程，理論與實踐的結合非常緊密。此外，該學科的內容具有較高的學術價值，可作為研究生學習的研究方向。傳統(tǒng)的教學模式仍然以教師的講座為主，這極大限制了課程教學。

機械故障診斷課程與工業(yè)實踐緊密結合，所涉及的內容極為實用。讓學生真正掌握故障診斷的核心思想和相關的理論方法，能促進學生創(chuàng)新思維能力、工程實踐能力、解決現(xiàn)場問題能力的提升。 然而，大多數(shù)現(xiàn)有的教學模式都是以書本為基礎，并且嚴重缺乏實用的教學環(huán)節(jié)。對課程知識理解的不徹底、不明白知識的實際應用，這些都會降低學生對課程的學習興趣，使得教師的教學效果低下。

（二）機械故障診斷課程教學改革路徑

雖然我國教育在不斷改革，但是在新環(huán)境下，工科人才的培養(yǎng)不能僅僅滿足于傳統(tǒng)的學科基礎知識和基本技能訓練，還需繼續(xù)深入開展課程教學改革，以適合新形勢的需要。

1.課程內容設置的改革

機械故障診斷課程內容中有力學、電學、故障診斷學等知識，這門課程在機械行業(yè)很實用、指導性強，但該門課作為研究生課程內容豐富，理論性強。在教學過程中必須引入工程應用案例，將知識點的講解和來自工業(yè)一線的故障案例有機結合起來，這樣才能把課程講好，才能使受教育者到企業(yè)后理論和實踐不脫節(jié)。例如：齒輪在機械領域應用很廣泛，在應用中會出現(xiàn)缺齒、斷齒、齒輪裂紋、軸承故障、軸不對中、軸偏心等引起齒輪或齒輪箱的不同故障，它們的機理不同。因此，需根據不同故障的特點進行課程內容講解的設計，同時采用不同的信號分析方法。在課程內容設置中，需充分利用不同的軟件，教師應指導學生熟練運用這些軟件，最好是能將這些軟件、語言、算法和企業(yè)現(xiàn)場需求直接結合起來。

2.實踐教學的改革

機械故障診斷實踐教學改革源于這門課程的實用性強。通過實踐教學改革，一方面能提升授課教師的實踐教學能力，另一方面也能培養(yǎng)學生的實踐動手能力。實踐教學改革主要包括幾個方面。1.學生要提前熟悉或掌握故障信息采集知識，因為機械運行過程中產生的信號及其故障特征信息是分析機械及其運行狀態(tài)之源，這是故障診斷的前提。2.做好機械故障診斷課程設計多重實踐教學環(huán)節(jié)，包括認識實習、生產實習實踐、專業(yè)實習實踐，乃至畢業(yè)實習實踐。學生盡量去企業(yè)一線對機械零部件或機械系統(tǒng)拆卸、安裝，去企業(yè)監(jiān)控室實踐引起機械的征兆，和一線有經驗的運行技術人員、集控室操作人員等交流，掌握機械系統(tǒng)的特性，再結合課堂所學知識，這樣才能更有效地對機械故障進行診斷。3.開展實驗或現(xiàn)場案例教學。例如：齒輪或齒輪箱是機械行業(yè)廣泛使用的零部件，在故障診斷中具有一定的代表性。建議通過實驗室齒輪箱故障診斷試驗臺現(xiàn)場教學，這能夠有效模擬缺齒、斷齒等常見的齒輪箱故障，并且拆卸和安裝方便，使用成本低廉，非常適合教學。此外，還可去企業(yè)現(xiàn)場或利用企業(yè)現(xiàn)場損毀的齒輪（箱）開展解剖教學。企業(yè)機床狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷實踐教學也是如此：通過學校實訓中心老式車床、銑床和磨床等開展現(xiàn)場教學，通過對部件信號采集進行故障診斷，同樣也可以通過去企業(yè)開展實踐教學。

3.教學方式方法的改革

研究生教學方式方法重在對研究生知識的引領，充分發(fā)揮研究生的主觀能動性，讓研究生主動通過問題與教師互動。因此，在教學過程中，每位研究生都可以做一次或幾次小老師展示自己。 為此，教師先安排研究生主動展示的內容，學生必須徹底整理和分析相關知識，同時對文獻進行消解和總結。教師應鼓勵學生多查資料、自己動手做PPT，主動在課堂上進行講解。授課教師需用案例法、現(xiàn)場儀器演示法、企業(yè)專家講解法等教學方式開展機械故障診斷的教學，這能極大地提高學生學習的興趣，擴展學生的視野，盡量避免學生被動接受知識的學習模式。

四、結論

新工科正在從思想理念走向實踐，其加強了學校和企業(yè)的結合。本文在描述傳統(tǒng)工科內涵、存在不足的基礎上，給出新工科的由來、新工科何以為新以及我國高校新工科專業(yè)分類發(fā)展的思路， 然后，在新工科背景下討論了引領機械故障診斷發(fā)展的新機遇，最后從課程內容設置的改革、學習方式方法和實踐教學的改革等就如何開展機械故障診斷碩士課程教學改革進行探討，以期為更有效地開展教學提供參考。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] ? ?Te Han，Dongxiang Jiang，Yankui Sun，Nanfei Wang，Yizhou Yang. Intelligent fault diagnosis method for rotating machinery via dictionary learning and sparse representation-based classification [J]. Measurement， 2018，118.

[2] 李玉倩，蔡瑞林，陳萬明.面向新工科的集成化產教融合平臺構建——基于不完全契約的視角[J].中國高教研究，2018（3）：38-43.

[3] 李正良，廖瑞金，董凌燕.新工科專業(yè)建設：內涵、路徑與培養(yǎng)模式[J].高等工程教育研究，2018（2）：20-24+51.

[4] 張海生.我國高校“新工科”建設的實踐探索與分類發(fā)展[J].重慶高教研究，2018（1）：41-55.

[5] 智井然.工程機械能故障診斷技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].內燃機與配件，2018（2）：133-134.

[6] 李軍，李佳，張世義，束海波.采用EEMD算法與互信息法的機械故障診斷方法[J].華僑大學學報（自然科學版），2018（1）：7-13.

[7] 梁居正.機械故障自動化診斷研究[J].電子測試，2018（Z1）：97-98.

[8] 雷亞國，賈峰，孔德同，林京，邢賽博.大數(shù)據下機械智能故障診斷的機遇與挑戰(zhàn)[J].機械工程學報，2018（5）：94-104.

[9] 王國彪，何正嘉，陳雪峰，賴一楠.機械故障診斷基礎研究“何去何從” [J].機械工程學報，2013（1）：63-72.

[10] 王煥云，馬力.傳感器信號融合的機械故障診斷[J].激光雜志，2017（7）：184-187.

[11] 蘇祖強，熊英，羅久飛，張毅.《機械故障診斷》研究生教學課程改革的探討[J].教育教學論壇，2017（41）：242-243.

[12] Ruonan Liu，Boyuan Yang，Enrico Zio，Xuefeng Chen. Artificial intelligence for fault diagnosis of rotating machinery： A review [J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2018，108：142-149.

[13] 吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：2-9.

[14] 周昌靜，李強.“機械設備故障診斷”課程教學改革與探索[J].教書育人：高教論壇，2016（15）：15-20.

[責任編輯：陳 明]