新工科背景下工程案例與虛擬仿真驅(qū)動(dòng)課程建設(shè)研究

張洪鑫，杜海艷，孫桂濤

摘? ? 要：工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，秉承以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向的教育理念，面向新工科的高等教育改革需要在課程建設(shè)上不斷探索和創(chuàng)新。文章提出以工程案例和虛擬仿真相結(jié)合來驅(qū)動(dòng)課程建設(shè)，探尋工程案例、虛擬仿真與課程內(nèi)容三條主線之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，按照解決工程問題的邏輯，將課程內(nèi)容模塊化，并與工程案例和虛擬仿真有機(jī)結(jié)合，使得課程的教學(xué)圍繞工程需求推進(jìn)。

關(guān)鍵詞：工程案例;虛擬仿真;新工科;課程建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2022）04-0004-03

一、引言

近幾年，國內(nèi)高校教師利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和多媒體技術(shù)進(jìn)行課程改革，如O2O網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)、錄制慕

課、探究SPOC教學(xué)、設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)課堂等，為學(xué)生提供了豐富的在線學(xué)習(xí)資源和靈活的學(xué)習(xí)方式[1-3]。然而，一些工科課程改革的關(guān)注點(diǎn)更多是如何通過多種信息化技術(shù)手段呈現(xiàn)課程知識(shí)，教學(xué)手段是更加豐富了，但是基于新工科理念的課程內(nèi)容的改革還須注重學(xué)生對(duì)工程實(shí)際問題的認(rèn)知，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

新形勢下，高校傳統(tǒng)的工程教育面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，因此，將新工科教育理念內(nèi)化到本科課程教育體系的改革和建設(shè)中刻不容緩。將工程案例和虛擬仿真相結(jié)合驅(qū)動(dòng)課程內(nèi)容建設(shè)是探索新工科課程建設(shè)的一種方法[4-6]。工程案例呈現(xiàn)的是工程現(xiàn)場所遇到的實(shí)際問題，往往能激發(fā)學(xué)生的興趣，引起他們的關(guān)注。工程實(shí)踐中出現(xiàn)的問題不是預(yù)先設(shè)定好的，因此解決方案也不是預(yù)先想好的，這就需要學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐，而不是單純依賴于學(xué)習(xí)了多少理論知識(shí)。

如果教師能夠從科研項(xiàng)目中提煉復(fù)雜工程問題，并通過虛擬仿真對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行建模、推演、分析和佐證，形成解決復(fù)雜工程問題的邏輯和方法，那對(duì)于提高學(xué)生的能力和開闊工程視野是非常有效的[7]。深化新工科課程改革，通過工程案例與虛擬仿真驅(qū)動(dòng)課程建設(shè)，對(duì)于達(dá)成工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求具有重要意義。

本文以面向機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的專業(yè)核心課“機(jī)械工程測試技術(shù)”為依托，探索新工科課程建設(shè)的方法與舉措。構(gòu)建工程案例與虛擬仿真并行驅(qū)動(dòng)課程內(nèi)容建設(shè)的框架與思路，研究工程案例、虛擬仿真和課程知識(shí)三條主線的有機(jī)對(duì)接與相互支撐關(guān)系。

二、課程體系建設(shè)的構(gòu)想與框架

在充分了解企業(yè)對(duì)工程人才能力的需求和人才自我能力提升要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)校和專業(yè)的人才培養(yǎng)定位，有針對(duì)性地制定課程教學(xué)目標(biāo)，依據(jù)課程目標(biāo)建設(shè)課程內(nèi)容，課程體系建設(shè)框架如圖1所示。

課程內(nèi)容建設(shè)的目的是將課程教學(xué)由傳統(tǒng)的理論知識(shí)傳授，轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生分析問題、解決復(fù)雜工程問題以及終身學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)過程，培養(yǎng)學(xué)生從知識(shí)的記憶、理解轉(zhuǎn)向知識(shí)的靈活運(yùn)用，通過課程單元的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生形成應(yīng)用專業(yè)知識(shí)分析、研究和解決機(jī)械工程問題的能力。以工程案例牽動(dòng)課程內(nèi)容，重組原課程的知識(shí)框架，并將知識(shí)群模塊化，按照解決工程問題的過程展開。

工程案例分析能夠使學(xué)生以工程思維和觀點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)分析機(jī)械工程中存在的問題，找出問題的本質(zhì)和有效的解決方法，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。工程案例和虛擬仿真與課程內(nèi)容相結(jié)合，驅(qū)動(dòng)課程內(nèi)容圍繞解決工程問題展開，使得學(xué)生有目的地學(xué)習(xí)知識(shí)，因渴望解決問題而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的興奮點(diǎn)。工程案例的設(shè)計(jì)應(yīng)取材于解決企業(yè)實(shí)際工程問題的科研項(xiàng)目，教師從科研項(xiàng)目中提煉工程案例要比講別人的案例得心應(yīng)手，更加深入具體。還應(yīng)該對(duì)案例進(jìn)行二次加工，提煉案例中涉及課程知識(shí)點(diǎn)的部分并進(jìn)行細(xì)化。

虛擬仿真的開發(fā)應(yīng)該圍繞工程案例展開，通過幫助學(xué)生搞懂案例中蘊(yùn)含的工程基礎(chǔ)理論，對(duì)工程問題從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，達(dá)到舉一反三的教學(xué)效果。考核評(píng)價(jià)主要評(píng)價(jià)工程案例驅(qū)動(dòng)課程內(nèi)容教學(xué)效果如何和是否達(dá)成課程目標(biāo)。考核評(píng)價(jià)主要由過程考核與成果考核組成。過程考核主要伴隨課程教學(xué)的全過程，其主要作用是起到對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)全過程的監(jiān)督和評(píng)價(jià)作用。

三、工程案例和虛擬仿真驅(qū)動(dòng)課程內(nèi)容建設(shè)實(shí)施

以工程案例和虛擬仿真作為驅(qū)動(dòng)，重新優(yōu)化課程知識(shí)模塊，按照解決工程問題的思路展開知識(shí)模塊，將工程案例與課程內(nèi)容有機(jī)結(jié)合。工程案例來自于任課教師從事的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障檢測與診斷科研項(xiàng)目，而項(xiàng)目研究依托的恰恰是工程測試技術(shù)的理論和方法。工程案例和虛擬仿真驅(qū)動(dòng)課程知識(shí)模塊展開，這三條主線有機(jī)結(jié)合，具有內(nèi)在驅(qū)動(dòng)關(guān)系。

（一）旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷案例設(shè)計(jì)

從教師的科研項(xiàng)目中提煉工程案例，并非拿來就用，而是要結(jié)合課程的定位和課程內(nèi)容，選擇合適的項(xiàng)目并從中提煉案例。在眾多科研項(xiàng)目中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的故障診斷研究最適合用于“機(jī)械工程測試技術(shù)”課程。故障診斷過程恰好需要用到課程涉及的測試原理和方法。以“轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障診斷”為案例，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障現(xiàn)象很多都能夠從轉(zhuǎn)子工作時(shí)軸心運(yùn)動(dòng)的軌跡形狀反映出來，所以設(shè)計(jì)了工程案例“基于不變矩轉(zhuǎn)子軸心軌跡故障檢測法”。借助于實(shí)驗(yàn)設(shè)備轉(zhuǎn)子故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，搭建了一個(gè)測試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠模擬轉(zhuǎn)子偏心、聯(lián)軸器不對(duì)中、軸承油膜渦動(dòng)等故障現(xiàn)象，故障信號(hào)的拾取采用電渦流傳感器及配套測量電路。利用LabVIEW程序開發(fā)了數(shù)據(jù)采集程序、故障信號(hào)模擬程序、信號(hào)分析與處理程序和故障自動(dòng)診斷程序。在完成轉(zhuǎn)子故障模擬與診斷過程中，需要選擇傳感器并搭建測量電路，檢測故障信號(hào);啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)采集卡，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存;啟動(dòng)應(yīng)用程序，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和時(shí)頻觀察等信號(hào)分析與處理;通過一定的模式識(shí)別算法識(shí)別故障特征并提取故障信息;最后通過故障特征分析得出有效的故障結(jié)論。案例的分析過程貫穿了課程主要的知識(shí)體系。具體涉及到傳感器原理、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)分析與處理、數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)運(yùn)算和圖像處理技術(shù)等，這個(gè)案列的分析過程與課程知識(shí)緊密結(jié)合。今后還將科研項(xiàng)目“基于自適應(yīng)濾波的滾動(dòng)軸承故障在線檢測方法”和“基于小波變換的齒輪故障在線檢測方法”等編寫成工程案例。

（二）優(yōu)化課程知識(shí)并將其模塊化

在分析和解決工程案例過程中，需要選擇傳感器和搭建測量電路對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行檢測;開發(fā)LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序并設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，完成A/D轉(zhuǎn)換;對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域觀察、分析、處理;采用一定的算法提取故障頻率和信號(hào)特征，進(jìn)行故障特征識(shí)別和故障結(jié)論獲取等。如果采用案例驅(qū)動(dòng)法，課程的知識(shí)體系就要按照解決工程問題的程序開展。因此，引導(dǎo)學(xué)生完成工程案例分析，需要將工程測試技術(shù)的原理和知識(shí)模塊化，并打破傳統(tǒng)課程內(nèi)容的教學(xué)順序，按照解決工程問題的過程對(duì)知識(shí)模塊進(jìn)行重構(gòu)。優(yōu)化課程知識(shí)并將其模塊，按照展開順序依次為：機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)、傳感器原理及信號(hào)調(diào)理電路、測試系統(tǒng)基本特性、數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)、信號(hào)描述與頻譜分析、信號(hào)相關(guān)分析、功率譜分析和小波分析等。優(yōu)化后的課程知識(shí)模塊，與傳統(tǒng)課程知識(shí)章節(jié)從組合與開展順序上都有較大變化，傳統(tǒng)課程知識(shí)章節(jié)開展順序?yàn)椋盒盘?hào)描述與頻譜分析、測試系統(tǒng)基本特性、傳感器原理及信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)相關(guān)分析和功率譜分析、機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)。優(yōu)化后的知識(shí)模塊更加突出了解決工程問題的知識(shí)需求。

（三）虛擬仿真輔助課程知識(shí)與案例分析

在課程內(nèi)容建設(shè)中，虛擬仿真起到輔助工程案例分析、連接理論知識(shí)與工程案例的作用，同時(shí)也幫助學(xué)生從原理層面理解工程問題。虛擬仿真模擬故障信號(hào)不僅能夠幫助學(xué)生從理論上理解造成故障的原因和故障源機(jī)理，用數(shù)學(xué)方法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行建模分析，還能超前工程問題，預(yù)測故障發(fā)生率，驗(yàn)證故障診斷方法的有效性。虛擬仿真程序開發(fā)可以使用基于NI的LabVIEW程序和matlab程序來實(shí)現(xiàn)。

開發(fā)的虛擬仿真平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)模擬故障信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、時(shí)頻分析、故障特征提取、各種算法運(yùn)算和分析、故障結(jié)論驗(yàn)證等。將虛擬仿真程序用于工程問題建模、計(jì)算、預(yù)測、反演和驗(yàn)證，使得工程問題的分析具有較強(qiáng)的理論依據(jù)和可視性，為培養(yǎng)學(xué)生形成解決復(fù)雜工程問題的能力提供支撐。虛擬仿真平臺(tái)的開發(fā)綜合了多門理論課程的知識(shí)和原理，不但有助于學(xué)生掌握運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題，而且也為課程群模式的學(xué)習(xí)提供了一條有益的途徑。虛擬仿真平臺(tái)還可進(jìn)行二次開發(fā)，通用性強(qiáng)，既可獨(dú)立進(jìn)行各種仿真實(shí)驗(yàn)，也可與真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備接口。

工程案例、虛擬仿真和課程模塊三條主線按照內(nèi)在支撐和驅(qū)動(dòng)關(guān)系，有機(jī)結(jié)合，并行推進(jìn)。這種新的課程建設(shè)，從根本上解決了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題。新的課程體系轉(zhuǎn)變了教師以教好理論知識(shí)為目標(biāo)的教學(xué)思想和觀念，促進(jìn)了理論結(jié)合實(shí)踐。以工程案例驅(qū)動(dòng)課程教學(xué)，遵循案例的分析和解決過程，開展理論知識(shí)的教學(xué)和研討，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣。新的課程體系發(fā)揮了虛擬仿真的輔助作用。以labVIEW為仿真平臺(tái)，開發(fā)虛擬仿真程序，搭建旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)、故障檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可供學(xué)生獨(dú)立操作和開發(fā)。彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中實(shí)驗(yàn)臺(tái)過于老化陳舊，無法貼近工程實(shí)際，無法提供給學(xué)生鍛煉數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和信息綜合能力的不足。

四、課程建設(shè)效果的考核評(píng)價(jià)

制定科學(xué)合理的考核評(píng)價(jià)方法是衡量人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以能力評(píng)價(jià)為導(dǎo)向，側(cè)重學(xué)習(xí)的過程性監(jiān)控，弱化期末考核的比例，借助于討論分析、總結(jié)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、成果報(bào)告、項(xiàng)目報(bào)告等各種形式來考查學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的過程表現(xiàn)，并適當(dāng)結(jié)合最終評(píng)價(jià)結(jié)果來評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，有利于反映學(xué)生能力發(fā)展的真實(shí)水平。首先制定考核評(píng)價(jià)細(xì)則，量化打分監(jiān)控。然后將考核劃分為課堂測驗(yàn)、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期末考試、項(xiàng)目報(bào)告、小組討論、項(xiàng)目成果等七個(gè)部分，其中課堂測驗(yàn)、課后作業(yè)、期末考試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等側(cè)重于過程考核，而項(xiàng)目報(bào)告、小組討論、項(xiàng)目成果側(cè)重于成果考核。七項(xiàng)考核對(duì)學(xué)生能力的評(píng)價(jià)是從低到高階梯式遞進(jìn)，分別是對(duì)知識(shí)的記憶、理解、運(yùn)用、綜合以及創(chuàng)新。課程結(jié)束后，對(duì)考核成績進(jìn)行達(dá)成度分析，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)存在的問題，在下一輪課程中進(jìn)行改進(jìn)。

五、結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)的工科課程教學(xué)偏重于理論，無法滿足學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐問題認(rèn)知的需求，難以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力的問題，本文將工程案例與虛擬仿真相結(jié)合驅(qū)動(dòng)課程內(nèi)容建設(shè)，形成一系列工程問題、解決方案、措施、分析和結(jié)論等。該研究的實(shí)施能夠有效支撐企業(yè)對(duì)工程人才具備機(jī)械設(shè)備調(diào)試、維護(hù)、維修能力的需求，培養(yǎng)學(xué)生掌握分析工程問題的常規(guī)方法和途徑，使他們學(xué)會(huì)基于測控技術(shù)和信號(hào)分析原理，科學(xué)地思考工程問題。

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