机电系统质量工程系列课程体系的构建与实践

机电系统质量工程系列课程体系的构建与实践

贾民平　钟秉林　许飞云　胡建中　彭　英

机电系统是现代化企业的基石，是国民经济的支柱。机电系统质量工程包括机电系统的制造质量和工作质量，是涉及机电系统全生命周期的质量工程，直接影响国民经济的各个层面，因此，对机电系统制造质量和工作质量的测控与故障诊断越来越受到重视。

机电系统是机械工程领域的主要研究对象，为此，我们从培养高素质的机电系统质量工程人才出发，经过十多年的摸索和努力，从无到有，陆续开设了一系列相关课程，包括本科课程：机械测试与控制技术（三年级），机械故障诊断学基础（四年级）；硕士研究生课程：时间序列分析与系统辨识，生产过程质量控制，机械故障诊断学；博士研究生课程：智能诊断理论与技术。形成了从本科三年级到硕士研究生、博士研究生阶段的多层次多角度的质量工程人才培养模式的系列课程，是对机电系统质量测控与故障诊断课程的有机整合。

目前，“机械测试与控制技术”是本科三年级的必修课程，“机械故障诊断学基础”为本科四年级选修课程。该系列课程的“机械故障诊断学”、“时间序列分析与系统辨识”、“生产过程质量控制”和“智能诊断理论与技术”已成为机械制造及其自动化博士点三个支撑方向之一“机电设备测控与质量保障”的主干课程。

由于本成果的相关内容在国内外均没有相关的资料可以借鉴，因此，在建立本成果的过程中经过了反复研讨、论证，有些思路也是在实践中和研究中不断发展、升华，逐渐形成目前的体系。现将取得的成果总结如下。

一、探索机电系统质量工程系列课程的教学与实践体系

该系列课程自1978年恢复高考招生后陆续开设，是随着教学和科研的深入自然开设的。20世纪80年代初开设的本科课程“机械工程测试技术”和“控制工程基础”，随着研究生招生和科学研究的深入，在80年代中期开设硕士研究生课程“机械故障诊断学”和“时间序列分析与系统辨识”，同时在本科生中开设“机械故障诊断学基础”课程；90年代末随着机械制造及其自动化博士点的建立和研究方向的拓展，开设了博士生课程“智能诊断理论与技术”和硕士生课程“生产过程质量控制”。最近几年，开始对“机械工程测试技术”和“控制工程基础”课程进行有机整合优化，开设“机械测试与控制技术”课程，相关实验课程已经整合完成。

该系列课程内容联系紧密，涉及质量测控、质量分析、故障诊断等多个学科领域，具有机械、电子、力学、数学、自动化及信号分析、人工智能等多学科交叉、融合的特点：

1.测试技术是机电系统的基础，是机电控制、故障诊断的技术保证，没有检测也就谈不上真正意义上的控制，没有检测也就没有生产过程的质量控制和故障诊断。

2.生产过程质量控制是机电系统制造质量的保证，没有控制也就没有质量。

3.故障诊断是提高机电系统工作质量的关键，不仅能够保证机器的安全高效运行，而且可以给设计、制造等环节提供有用的信息，真正实现全生命周期的质量管理。

4.而控制与系统辨识是问题的正解与逆解，是保证机电系统质量的两把利剑。

时间序列分析与系统辨识有效地解决了机械过程动态信号的分析与应用问题。

目前国内高校中能够形成这种从本科、硕士至博士阶段质量工程系列课程的只有东南大学一家，尤其是“生产过程质量控制”与“智能诊断理论与技术”目前只有东南大学开设，形成了自己的特色。在国外也没有相关的课程及教学体系。因此，该成果为国内外首创。

二、以质量工程为主线，多学科交叉渗透的高素质人才培养模式

随着科学技术的不断进步和人们对事物认识的不断提高，学科之间的相互交叉和相互渗透越来越多，在机电系统质量工程系列课程建设过程中着重在系列课程和人才两方面进行了建设。

在人才建设方面，本系列课程的教师队伍均来自东南大学设备监控与故障诊断研究所，原学专业分别为机械、动力、电子等多个学科，充分体现了围绕质量工程的多学科结合。在研究生的来源方面也采取多学科学生兼收的政策，有来自机械、动力、自动控制、精密仪器、应用数学等专业的学生。多学科结合与渗透拓展了研究方向，开拓了质量工程研究的新方向，取得了一批丰硕成果；多学科结合与渗透拓宽了学生的知识面和就业面，培养了一批综合性人才，在质量工程领域完成了一系列研究课题，尤其是在机电结合、故障诊断理论、系统辨识、人工智能等交叉学科取得丰硕成果，学生毕业后在各自领域也取得很大的成就。如钟秉林现任北京师范大学校长（副部长级），胡望明（1990年硕士毕业）现为国家特大型企业武汉钢铁（集团）股份公司副总经理。

在上述研究生层面的培养模式探索以外，近三年，以本项目组为主还承担了我系的免试研究生实践能力的考核工作。在考核过程中，根据学生已有课程的知识体系，以机械为对象以测控为主线，也体现了多学科交叉培养模式的培养，注重考核学生的思考问题能力、动手能力和实验报告撰写能力。初步摸索出了一套比较适合机械类学生实践能力的考核方法。

三、编著高质量的教材，其中两本入选教育部推荐全国研究生教学用书

高质量的教材是培养高质量学生的基础之一，本创新研究小组自始至终十分重视教材的建设。至今共编著、编写与本成果相关教材四本（《机械故障诊断学》、《测试技术》、《质量检测与控制》、《现代控制理论与应用》），讲义两本（《机械故障诊断学》、《时间序列分析与系统辨识》），其中两本入选教育部推荐全国研究生教学用书。

自20世纪80年代后期开始自编讲义《机械故障诊断学》和《时间序列分析与系统辨识》在研究生中试用，《机械故障诊断学》一书1997年由机械工业出版社出版，并于2000年被教育部遴选为1999—2000年度研究生教学用书，为当时机械工业出版社唯一的一本教育部推荐全国研究生教学用书，也是东南大学第二本全国研究生教学用书。2002年2月出版第2版，发行量已超一万册，为同类教材全国之最，目前正在着手修订第3版。在编著过程中，注重理论与实践的结合，注重该领域知识的交叉。同时，通过不断修改以充分反映该领域国内外的最新研究成果。《现代控制理论与应用》也于2004年被教育部遴选为研究生教学用书。

主编的本科生教材《测试技术》（高等教育出版社出版）2002年被教育部列为“十五”规划教材。相关的教育部新世纪网络课程于2003年通过验收，结论为优秀。

四、教学方式多样化，实现全方位立体教学模式

在教学方式上，根据不同的学生类型实现分层、多种形式的立体化教学模式，相互之间贯通，着重培养学生的实践能力和创新能力。

对于本科生，由于面对的是机械类学生，学生普遍对“机械测试与控制技术”课程不够重视，并且在学习上存在较大的困难。为此，我们除了出版高质量的教材以外，还承担了这门课程的教育部新世纪网络课程，利用网络的优势辅助学生学习，并通过实验环节和网络课程中的计算机模拟、动画等加深学生的理解。

对于研究生，则除了正常授课教学以外，还采用专题研究、软件编程、撰写读书报告、就某一专题让学生自己上台讲授（类似seminar形式）、科研成果展示等，从多方面培养学生的能力，提高学生学习本课程的兴趣。并自筹资金建立了国际域名网站http://www.rccmfd.com，通过该网站和校园网http://202.119.10.101提供相关教学资源供学生参考，尤其是有关该学科的最新进展等，实现全方位立体化教学。

在“机械故障诊断学”课程教学中，就有多篇学生的读书报告在杂志和会议上发表，反映出良好的教学效果。

五、教学促进科研，科研带动教学

研究生教学与科研密切相关，研究生教育内容来自于科研、服务于科研。因此，我们在教改中不断更新教学内容，跟踪学科前言，以提高学生的竞争能力。

本课程建设的教师自1990年以来负责承担有关质量工程方面的国家自然科学基金8项；承担九五、十五国家高技术发展计划（863）项目3项；其他省部、企业委托项目十余项。其中近3年负责承担国家自然科学基金5项；十五国家863项目2项；企业委托项目6项。近3年获省科技进步奖2项，申请国家发明专利1项，受理号200310106003.5。

在科研中提出的非线性非平稳信号处理理论与方法、基于行为的故障诊断理论等已在“机械故障诊断学”、“智能诊断理论与技术”、“时间序列分析与系统辨识”等课程得到应用。同时，还把我们在科研项目中的软硬件成果在课程中展示，提高教学效果，提升学生的学习兴趣。

通过这种教学与科研的互动，硕士生和博士生均有高质量的论文发表。

六、课程建设屡获殊荣

通过长期的积累，本系列课程近4年所获的奖励及荣誉称号有：

（1）研究生教材《机械故障诊断学》2000年被教育部遴选为1999—2000年度“研究生教学用书”；

（2）研究生教材《现代控制理论与应用》2004年被教育部遴选为2003—2004年度“研究生教学用书”；

（3）“机械故障诊断学”课程2003年12月被江苏省教育厅、江苏省学位委员会评选为江苏省研究生培养创新工程“江苏省研究生培养开放课程”（全省所有学科共30门）；

（4）“机械故障诊断学”课程2002年12月被江苏省教育厅评选为省优秀研究生课程（全省所有学科共100门）；

（5）“机械工程测试技术网络课程”2002年获江苏省高校多媒体课件竞赛二等奖；

（6）“控制工程基础”获2004年东南大学优秀课程一等奖；

（7）“测试技术”获2004年东南大学优秀课程二等奖。

七、实验室建设

在实验室建设方面，多方筹集经费，探索创新机制，筹建了相关的实验室：

（1）利用世界银行贷款更新建设了机械系的测控实验设备，这是目前测控实验的基础；

（2）利用985一期经费建设了齿轮箱故障实验台，为今后开始相关实验和科研提供了良好的实验环境；

（3）利用机械设计制造品牌专业建设的经费，自己研制部分实验装置；

（4）利用创新设计项目，研制改造测控实验装置。

综上所述，本课程体系的创新点概括如下：

针对机电系统的特点，根据本—硕—博学生的特点以及科研工作的进展，经十多年的不懈努力，开设了涵盖本科三年级至硕士、博士生阶段有关质量工程的系列课程，形成了多学科融合的机电系统质量工程系列课程教学体系，在国内开创了机电系统质量测控与故障诊断领域贯穿本—硕—博阶段的全新系列课程，为培养高层次的质量工程人才创出了新路。

以质量工程为主线，多学科相互交叉渗透，涉及机械、数学、力学、电子、控制等学科与方向。多学科结合与渗透拓宽了学生的知识面和就业面，培养了一批综合性人才，在机电一体化、动态信号处理、故障诊断、系统辨识、人工智能等交叉学科取得了丰硕成果。

针对本—硕—博不同层次的学生采用不同的教学模式，改变以往的填鸭式教学模式。采用授课、网站学习、专题研究、实验、软件编程、读书报告等立体化教学方式，培养学生思考问题、解决问题的能力。

编著、编写了多本高质量的教材，《机械故障诊断学》和《现代控制理论与应用》被选为全国研究生教材。