基于CDIO的机械故障诊断课程改革实践

宿磊+李可+吴静静+化春键+周德强+张秋菊

【摘 要】为了提高机械故障诊断课程的教学质量，基于CDIO先进理念进行课程改革实践。针对机械故障诊断这一大机械类专业课程的教学全过程，通过贯彻CDIO先进理念进行教学改革，教学结果表明，该方法着力提高了学生的动手能力、創新能力以及团队意识，对实践大机械类卓越工程师培养起到了较好的示范作用。

【关键词】CDIO；机械故障诊断；卓越工程师

【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基金会近2000万美元巨额资助下由麻省理工学院联合查尔莫斯工业大学、瑞典皇家工学院以及林雪平大学共同开展教育探索研究而创立的一个国际性、全面广泛且系统的工程教育改革模式[1]。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate），以产品的全寿命周期为对象，让学生主动完成整个学习、探索、研究过程，能够极大地提高学生的学习热情，完善学生的课程知识体系，充分挖掘学生的学习潜力。

机械故障诊断课程是面向机械工程专业学生开设的一门专业选修课程，该课程涉及机械、信息、控制、力学等多学科理论，具有典型的学科交叉性；同时，该课程面临理论性强、知识量大以及学生先修课程基础薄弱等不利因素，导致课程教学环节枯燥，学生知识获取热情不高，课程最终教学效果较差。CDIO的提出为机械故障诊断课程教学改革提供了有力保障。在该课程教学实践中通过贯彻CDIO先进理念优化教学过程，以项目为载体，将理论知识传授、学生知识获取、动手编程实践、团队合作以及项目评估进行有机融合，提高学生获取知识的积极性，活跃课堂气氛，提高学生自主学习能力，培养学生的团队协作能力，最终达成CDIO培育卓越工程师的目标。

1 机械故障诊断课程教学改革研究现状

机械故障诊断课程作为一门综合性学科课程，涉及面广，应用性强。针对课程教学面临的难题，国内学者开展了教学改革探索研究。向家伟教授利用NI公司的LabView图形化编程平台，制作了具有较好的人机界面的CAI教学系统，通过该系统对机械故障诊断的基本理论进行虚拟化展示，提高了学生对课程的认知度[2]。河南理工大学冷军发[3]等对机械故障诊断课程存在的问题进行了有效探析，提出了多媒体/网络化教学、启发式教学、综合性教学及案例教学的课程教学模式，以激发学生对该课程的学习热情。安徽工业大学郑近德[4]等针对本科生机械故障诊断课程教学现状进行剖析，提出了教学联系实际、夯实基础知识、加大实验环节、布置随堂练习与课后作业以及多种考核方式相结合的课程教学提升手段，获得了较好的教学效果。

CDIO作为国际广泛认可工程教育模式，尤其针对卓越工程师教育具有较好的效果。课程组根据机械故障诊断课程特点，将CDIO的先进理念与课程教学进行有机融合，并对教学实践过程进行优化，针对教学内容、教学目标进行了系统性的探索，取得了一定的效果。

2 基于CDIO的机械故障诊断课程教学探索

机械工程专业尤其是卓越工程师教育的目标是培养专业基础知识扎实，动手实践能力强，能够在生产一线、科研部门以及其他相关性单位从事机电一体化系统的设计、装配、调试，具有高尚的道德品质、较强的创新能力以及积极的合作意识的优秀人才。CDIO先进理念对推动卓越工程师教育向更高层次发展具有重要意义。在机械故障诊断课程改革中，引入CDIO先进理念，以“项目”为载体，让学生主动参加学习，团结协作，将理论知识与工程实践有机地结合起来。

2.1 课程教学存在问题

传统机械故障诊断课程主要讲授机械故障诊断的基本原理、故障诊断的信号分析与处理技术、振动诊断的理论基础、机械故障的振动诊断技术、油样分析技术、温度监测方法以及无损检测技术等几个方面的内容，主要集中于理论知识的灌输。由于课程内容丰富，知识点多，学生难于有效掌握核心知识。同时，教学内容形式长久不变，不能适应时代的最新发展，难于提升学生的学习积极性。主要表现在：（1）先修课程尚未开课或掌握不足，导致学生在学习故障诊断过程中理解能力欠缺，容易产生“听不懂”的状况；（2）课时量少，机械故障诊断涉及较多的内容，知识点丰富，较少的课时很难支撑广泛知识点的讲授；（3）课程教学内容陈旧，与上世纪90年代内容相比，尚未更新，难于跟上新的发展形式，同时极少涉及最新的理论技术知识。因此，引入CDIO先进理念开展基于项目驱动的机械故障诊断课程教学改革具有十分重要的意义。

2.2 课程教学改革思路

CDIO先进理念注重实践，在机械故障诊断课程改革探索中，将CDIO先进理念通过项目驱动的形式在课程教学中开展起来，项目采取“进阶”式，由易到难，最终将教师传授和自学知识融会贯通于项目实践中，深化对课程知识的理解，提高自学及团队协作能力。

根据CDIO的四个要点，机械故障诊断课程开展了理论教学、项目进阶、项目评价三个环节的“项目”驱动教学探索，具体实施过程：

第一，通过少量的课堂教学时间对学生进行故障诊断基础理论知识的传授，提供自主学习的线索和思路，对相关先修专业知识点进行系统性回顾，对学生基础不牢及欠缺的知识进行弥补。基础理论传授过程为项目的开展奠定基础，是“项目”驱动模式的根基，是学生未来对项目进行构思、设计的理论源泉。

第二，根据学生所具备的知识水平，设置难度进阶式的具有工程性质的2-4个研究型项目，课程选修同学都要进行项目实践，每个项目根据课程教学周的安排确定给定完成时间。给予学生充分的自由构思、设计、实施的时间和空间，培养他们的自主学习能力、动手实践能力、程序编写能力、创新能力以及自主思考能力，并对课程传授的基础理论知识和先修知识进行融会贯通，提高学习积极性，巩固课堂教学的效果。

第三，针对每个项目，要求在规定的时间内完成并进行报告的撰写和PPT的制作，学生进行自由式选择汇报项目，使不同难度的项目汇报人数呈现均分，通过项目报告的撰写和PPT的汇报，培养学生的科技报告撰写能力，提高学生的表达展示水平。“项目”进阶驱动的教学新模式，要求学生在项目完成过程中，充分合作，互相讨论，积极践行团队合作意识，对团队协作精神的培养具有重要作用。

基于CDIO的“项目”驱动型机械故障诊断课程教学新模式是对传统的纯理论教学方式的扩展，也是一种新的改革探索。课程教学内容通过2-4个进阶型“项目”展开，信号频谱分析仪设计将机械故障诊断的基本原理知识、信号分析和处理的常规手段进行融合，通过matlab的GUI界面搭建分析仪平台，通过编写底层代码对实际时域信号进行多域分析和展示。学生能够对Fourier变换、功率谱分析、小波分析等知识进行充分的学习，理解内涵并直观的查看分析效果，也能够使得学生感受到项目完成后的自豪感。机械故障信号诊断仪设计将最新的统计学理论、机器学习、深度学习理论应用到实际信号处理中，学生需要通过不断地学习理论知识，充分回顾先修基础知识，从而完成该项目的工作。每个项目根据CDIO的标准进行评估，在项目的报告中完成文献分析、构思、方案设计、技术难点、实施方法以及运行效果等各个部分，最终做成APP的形式。同时要求PPT演示汇报时间不低于8分钟。

3 基于CDIO的机械故障诊断课程教学效果

为了对机械故障诊断课程教学新模式的实施效果进行有效分析，笔者认真整理学生完成的项目报告并对学生编写的matlab程序进行一一核验，总结经验，分析效果。通过分析可以看出，基于CDIO的“项目”进阶式教学模式不仅使学生掌握了机械故障诊断的基础理论知识，同时提高了学生自主学习能力、自主思考能力、动手实践能力、程序编写能力、创新能力、科技报告撰写能力以及表达能力，初步达到了预期的教学目标。同时，通过课程结束后对学生的问卷调查及结合学生的评教情况可以看出，课程受到学生的大力欢迎。从几位学生的评教留言中，可以看出基于CDIO的教学改革实践受到学生的肯定。

学生1：机械故障诊断真是上的忐忑不安，紧张，但是回味无穷。老师带来了新的方式，每一个项目都充满了挑战性。没想到我竟然把matlab短期学会了，并且自己完成了每一个项目，老师棒棒哒。

学生2：我深深地被自己所具有的自学能力打动了，从未有过像故障诊断课程的认真学习态度，从开始面对项目时的茫然无措，到努力查找资料，复习以前学习的知识，自己学习matlab，动手编写程序，刺激，感谢老师让我重新发现了自己的学习能力。

学生3：老师估计是我大学中印象最深的老师，从开始做项目时恨死他，我觉得他是在摧残我们。现在我知道他对课程的良苦用心，通过做几个项目，我认真学习了基础知识，能够用matlab把常用信号处理算法实践出来，没想到我能够把项目做得这么完美，还受到了老师的表扬，奇迹啊。

4 结束语

CDIO先进工程教育模式遵从教学规律，契合现代卓越工程师教育的发展趋势，注重学生创新能力的培养，极力推动学生的创业热情和个性发展，践行了因材施教理念。机械故障诊断课程通过借鉴CDIO工程教育理念，对传统灌输式教学模式进行了深化改革，开展了“项目”驱动的教学实践新模式，构建了“知识-能力-素质-过程-目标-评价”的卓越工程师培养结构，充分调动了学生对课程知识及相关专业知识的自学和互学积极性，极大提高了学生的创新能力和创新意识，加强了学生之间的团队协作能力，使得团队协作精神深入学生内心，大大增强了学生的动手能力和工程實践能力，拓展了学生的知识面，提升了学生的综合能力。

【参考文献】

[1]高雪梅，孙子文，纪志成.CDIO方法与我国高等工程教育改革[J].江苏高教，2008，5：69-71.

[2]向家伟.基于LabView的《机械故障诊断学》课程CAI教学系统设计[J].科技教育创新，2009，30（2）：180-182.

[3]冷军发，荆双喜.机械故障诊断课程教学改革探析[J].中国现代教育装备，2011，11：88-90.

[4]郑近德，潘海洋，潘紫微.本科生机械故障诊断学课程教学改革研究[J]. 安徽工业大学学报（社会科学版），2016，33（2）：101-102.

[责任编辑：朱丽娜]