新工科及其在机械故障诊断课程教学改革中的探讨

程道来　朱骏毅　贾玉琛

[摘 要]在描述传统工科内涵、存在不足的基础上，给出新工科的由来、新工科何以为新以及我国高校新工科专业分类发展的思路，阐述了新工科背景下机械故障诊断技术发展的机遇。 最后从课程内容设置的改革、學习方式方法和实践教学的改革等方面就如何开展机械故障诊断硕士课程教学改革进行探讨，为更有效开展教学提供指导。

[关键词]新工科;机械;故障诊断;课程;教学改革

[中图分类号] G420; TH17 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）07-0044-03

一、传统工科与新工科

（一）传统工科

传统工科是相对于理科等其他学科而言的一门学科，又称工程学，如材料科学、计算机、信息等。在高校中，将自然科学原理应用至工业、农业等各个生产部门所形成的诸多工程学科也称为工科或工学。工科是应用科学和技术的原理来解决社会发展过程中与企业工程实际相关的理论支撑和技术途径问题，但传统工科具有人文基础不够、专业划分偏窄、偏细，缺乏交叉性等不足[1-2]。

（二）新工科

新工科是相对传统工科而言的，是随着信息技术、计算机技术、人工智能、互联技术等新兴技术的发展而形成的一种教育工作者培养新型工科学生的工科形式，是对传统工科的优化、升级，有着传统工科没有的新特点、新应用和新内涵。新工科建设必然不断促进新工科专业的发展和校企紧密结合[3-6]。正因如此，教育部主动适应新变革，主导推进新工科建设，为国内高校开展新工科教育提出新目标、新任务和新要求，加快推进我国高等教育强国建设战略。

职业化是高校人才培养的载体，在新形势下高校要不断培养新的人才来满足市场的需求。新的工程学科基于专业变革，导致人才需求不断变化。图1是对新工科专业、新课程形成的简单图解。

（三）新工科何以为新[7-9]

国内某著名专家认为，新工科的新主要在于以下几方面：1.对“超世界存在”的关注——一种使命感和价值感;2.应该帮助学生树立多学科意识，培养其在多学科空间中观察和思考问题的习惯; 3.应该帮助学生建立专业节点或信息来源的联系，使其成为获取知识的重要途径，这也是未来创作者应具备的基本素养; 4.应该关注多学科的交叉点，这是新技术的发展动力源泉;5.新工科还需体现在新的教育教学方法上。 在新工科背景下，“上九天揽月，下五洋捉鳖”“千里江陵一日还”的想法都已变成现实。

（四）我国高校新工科专业分类思路及特点

我国有不同类型的高校，他们的新工科专业分类发展思路不同。1.具有综合学科优势的大学群体，其主要用于解决全球化、涉及国家安全和利益的重大科技研发问题，教学方法以培养高水平的创新人才和综合复杂的工科和科技人才为主。2.具有工程优势的大学群体，其主要服务于跨国企业、国家重点行业企业，以及重点领域的实际需求和未来发展。其教学方法侧重于课堂教学与现场实验相结合，侧重于现场实验，注重培养复合工程技术创新人才。3.具有区域资源优势的地方高校，其主要服务于区域新经济的发展，注重传统工程的交叉合成。其教学方法是基于现场实验，密切与当地企业的联系，培养应用工程科技创新人才、科技产业人才，为区域经济社会发展服务。

表1是对新工科专业的简单分类和特点总结。

由表1可以看出，当今社会不断兴起的新工科专业是多种专业的复杂结合。 它侧重于跨学科、跨行业的人才培训，强调宽口径、厚基础、综合能力，重点是人才培养模式的多样性，侧重于国际发展和精细培训，强调学科与工业发展之间的联系。 与此同时，新工科专业的不断建设，对现代机械故障诊断技术的革新也产生了重大影响。

二、新工科背景下的机械故障诊断 [11-14]

（一）机械故障诊断技术在新工科背景下的发展机遇

机械故障诊断是20世纪60年代随着科学技术的发展和应用而发展起来的综合性技术。中国社会经济和科学技术的迅速发展，使得机械越来越智能化、复杂化和规模化。在具体使用机械故障诊断的过程中，不可避免地受到各种外部因素的影响，例如振动等，从而引发各种各样的故障。而设备一旦发生故障将会给生产和人们的生命安全带来巨大的损失。传统的故障诊断技术已经无法满足系统的实际需求，应不断改进机器的故障诊断技术。

在新工科建设不断发展的情况之下，学科交叉不断深化，新兴技术不断发展和成熟，机械故障诊断势必在这种趋势之下得到极大的发展。机械故障诊断这门学科本身就是多个学科的交叉集合，比如信号获取与传感器技术、故障机理与征兆联系、信号处理与诊断方法等。

新工科的发展会促进各种技术不断创新，这对于机械故障诊断这门学科的发展来说是个机遇。

（二）在新工科背景下，机械故障诊断技术的不断发展

随着科学技术的不断发展，当今的信息技术、计算机技术和传感器技术都取得了长足的进步。应用于工程上的机械故障诊断技术正逐步从以前的单一模式发展到现在智能化和全息化，并在石油、化工、电力、冶金等领域的大型企业得到高度重视和广泛应用。其应用主要有以下几方面：1.多传感器数据融合技术;2.混合智能故障诊断技术;3.故障诊断技术结合最新的信号处理方法;4.远程故障诊断技术。其中使用多个传感器同时监控多个位置的多传感器数据融合技术，能及时分析和处理这些信息; 混合智能故障诊断技术主要是专家系统与神经网络系统的结合、神经网络系统与案例推理的结合;专家系统，模糊逻辑和神经网络等的结合，最后的组合也是最有希望的组合。结合最新信号处理方法的故障诊断技术是利用近年来出现的数学形状滤波和小波分析。 各种新的信息处理模式，能结合故障诊断的实际需要选择故障信息通道序列，进一步搜索故障源。远程故障诊断技术主要是利用计算机网络、机载模块、无线通信等技术，有效地跨空间和远距离实时诊断工程机械故障。

三、新工科背景下机械故障诊断课程的教学改革探讨

（一）传统的机械故障诊断课程

机械故障诊断课程是机械工程类高校研究生的基础理论课程，其在清华大学、上海交通大学、西安交通大学等国内著名高校都有开设。机械故障诊断也是一门综合性課程，该课程不仅涉及很多公式推理，还涉及许多新的理论和方法。我校自有机械工程学科一级硕士点起，机械故障诊断课程就作为硕士研究生的 一门非学位专业选修课，该课程得到了机械类硕士的偏爱，选课率高。由于研究生要学的知识多，该课程设置为32小时，小时数相对较少，在有限时间内很难开展相关的知识教学;同时，该课程是一门非常实用的课程，理论与实践的结合非常紧密。此外，该学科的内容具有较高的学术价值，可作为研究生学习的研究方向。传统的教学模式仍然以教师的讲座为主，这极大限制了课程教学。

机械故障诊断课程与工业实践紧密结合，所涉及的内容极为实用。让学生真正掌握故障诊断的核心思想和相关的理论方法，能促进学生创新思维能力、工程实践能力、解决现场问题能力的提升。 然而，大多数现有的教学模式都是以书本为基础，并且严重缺乏实用的教学环节。对课程知识理解的不彻底、不明白知识的实际应用，这些都会降低学生对课程的学习兴趣，使得教师的教学效果低下。

（二）机械故障诊断课程教学改革路径

虽然我国教育在不断改革，但是在新环境下，工科人才的培养不能仅仅满足于传统的学科基础知识和基本技能训练，还需继续深入开展课程教学改革，以适合新形势的需要。

1.课程内容设置的改革

机械故障诊断课程内容中有力学、电学、故障诊断学等知识，这门课程在机械行业很实用、指导性强，但该门课作为研究生课程内容丰富，理论性强。在教学过程中必须引入工程应用案例，将知识点的讲解和来自工业一线的故障案例有机结合起来，这样才能把课程讲好，才能使受教育者到企业后理论和实践不脱节。例如：齿轮在机械领域应用很广泛，在应用中会出现缺齿、断齿、齿轮裂纹、轴承故障、轴不对中、轴偏心等引起齿轮或齿轮箱的不同故障，它们的机理不同。因此，需根据不同故障的特点进行课程内容讲解的设计，同时采用不同的信号分析方法。在课程内容设置中，需充分利用不同的软件，教师应指导学生熟练运用这些软件，最好是能将这些软件、语言、算法和企业现场需求直接结合起来。

2.实践教学的改革

机械故障诊断实践教学改革源于这门课程的实用性强。通过实践教学改革，一方面能提升授课教师的实践教学能力，另一方面也能培养学生的实践动手能力。实践教学改革主要包括几个方面。1.学生要提前熟悉或掌握故障信息采集知识，因为机械运行过程中产生的信号及其故障特征信息是分析机械及其运行状态之源，这是故障诊断的前提。2.做好机械故障诊断课程设计多重实践教学环节，包括认识实习、生产实习实践、专业实习实践，乃至毕业实习实践。学生尽量去企业一线对机械零部件或机械系统拆卸、安装，去企业监控室实践引起机械的征兆，和一线有经验的运行技术人员、集控室操作人员等交流，掌握机械系统的特性，再结合课堂所学知识，这样才能更有效地对机械故障进行诊断。3.开展实验或现场案例教学。例如：齿轮或齿轮箱是机械行业广泛使用的零部件，在故障诊断中具有一定的代表性。建议通过实验室齿轮箱故障诊断试验台现场教学，这能够有效模拟缺齿、断齿等常见的齿轮箱故障，并且拆卸和安装方便，使用成本低廉，非常适合教学。此外，还可去企业现场或利用企业现场损毁的齿轮（箱）开展解剖教学。企业机床状态监测与故障诊断实践教学也是如此：通过学校实训中心老式车床、铣床和磨床等开展现场教学，通过对部件信号采集进行故障诊断，同样也可以通过去企业开展实践教学。

3.教学方式方法的改革

研究生教学方式方法重在对研究生知识的引领，充分发挥研究生的主观能动性，让研究生主动通过问题与教师互动。因此，在教学过程中，每位研究生都可以做一次或几次小老师展示自己。 为此，教师先安排研究生主动展示的内容，学生必须彻底整理和分析相关知识，同时对文献进行消解和总结。教师应鼓励学生多查资料、自己动手做PPT，主动在课堂上进行讲解。授课教师需用案例法、现场仪器演示法、企业专家讲解法等教学方式开展机械故障诊断的教学，这能极大地提高学生学习的兴趣，扩展学生的视野，尽量避免学生被动接受知识的学习模式。

四、结论

新工科正在从思想理念走向实践，其加强了学校和企业的结合。本文在描述传统工科内涵、存在不足的基础上，给出新工科的由来、新工科何以为新以及我国高校新工科专业分类发展的思路， 然后，在新工科背景下讨论了引领机械故障诊断发展的新机遇，最后从课程内容设置的改革、学习方式方法和实践教学的改革等就如何开展机械故障诊断硕士课程教学改革进行探讨，以期为更有效地开展教学提供参考。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：陈 明]