新工科背景下工程案例與虛擬仿真驅(qū)動課程建設(shè)研究

張洪鑫，杜海艷，孫桂濤

摘? ? 要：工程教育專業(yè)認證背景下，秉承以學生為中心、成果為導向的教育理念，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結(jié)合，使得課程的教學圍繞工程需求推進。

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：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）04-0004-03

一、引言

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

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

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)場所遇到的實際問題，往往能激發(fā)學生的興趣，引起他們的關(guān)注。工程實踐中出現(xiàn)的問題不是預先設(shè)定好的，因此解決方案也不是預先想好的，這就需要學生將理論應(yīng)用于實踐，而不是單純依賴于學習了多少理論知識。

如果教師能夠從科研項目中提煉復雜工程問題，并通過虛擬仿真對復雜問題進行建模、推演、分析和佐證，形成解決復雜工程問題的邏輯和方法，那對于提高學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)動課程建設(shè)，對于達成工程教育專業(yè)認證的要求具有重要意義。

本文以面向機械制造及其自動化專業(yè)開設(shè)的專業(yè)核心課“機械工程測試技術(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三條主線的有機對接與相互支撐關(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)學校和專業(yè)的人才培養(yǎng)定位，有針對性地制定課程教學目標，依據(jù)課程目標建設(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由傳統(tǒng)的理論知識傳授，轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學生分析問題、解決復雜工程問題以及終身學習能力的培養(yǎng)過程，培養(yǎng)學生從知識的記憶、理解轉(zhuǎn)向知識的靈活運用，通過課程單元的教學，培養(yǎng)學生形成應(yīng)用專業(yè)知識分析、研究和解決機械工程問題的能力。以工程案例牽動課程內(nèi)容，重組原課程的知識框架，并將知識群模塊化，按照解決工程問題的過程展開。

工程案例分析能夠使學生以工程思維和觀點進行科學分析機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，提高學生解決實際工程問題的能力。工程案例和虛擬仿真與課程內(nèi)容相結(jié)合，驅(qū)動課程內(nèi)容圍繞解決工程問題展開，使得學生有目的地學習知識，因渴望解決問題而激發(fā)學生學習知識的興奮點。工程案例的設(shè)計應(yīng)取材于解決企業(yè)實際工程問題的科研項目，教師從科研項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)該對案例進行二次加工，提煉案例中涉及課程知識點的部分并進行細化。

虛擬仿真的開發(fā)應(yīng)該圍繞工程案例展開，通過幫助學生搞懂案例中蘊含的工程基礎(chǔ)理論，對工程問題從感性認識上升到理性認識，達到舉一反三的教學效果。考核評價主要評價工程案例驅(qū)動課程內(nèi)容教學效果如何和是否達成課程目標?？己嗽u價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的全過程，其主要作用是起到對學生學習全過程的監(jiān)督和評價作用。

三、工程案例和虛擬仿真驅(qū)動課程內(nèi)容建設(shè)實施

以工程案例和虛擬仿真作為驅(qū)動，重新優(yōu)化課程知識模塊，按照解決工程問題的思路展開知識模塊，將工程案例與課程內(nèi)容有機結(jié)合。工程案例來自于任課教師從事的旋轉(zhuǎn)機械故障檢測與診斷科研項目，而項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)動課程知識模塊展開，這三條主線有機結(jié)合，具有內(nèi)在驅(qū)動關(guān)系。

（一）旋轉(zhuǎn)機械故障診斷案例設(shè)計

從教師的科研項目中提煉工程案例，并非拿來就用，而是要結(jié)合課程的定位和課程內(nèi)容，選擇合適的項目并從中提煉案例。在眾多科研項目中，旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的故障診斷研究最適合用于“機械工程測試技術(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)子工作時軸心運動的軌跡形狀反映出來，所以設(shè)計了工程案例“基于不變矩轉(zhuǎn)子軸心軌跡故障檢測法”。借助于實驗設(shè)備轉(zhuǎn)子故障模擬實驗臺，搭建了一個測試系統(tǒng)，實驗臺能夠模擬轉(zhuǎn)子偏心、聯(lián)軸器不對中、軸承油膜渦動等故障現(xiàn)象，故障信號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、故障信號模擬程序、信號分析與處理程序和故障自動診斷程序。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;啟動驅(qū)動程序驅(qū)動采集卡，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)，進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存;啟動應(yīng)用程序，對信號進行預處理和時頻觀察等信號分析與處理;通過一定的模式識別算法識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體系。具體涉及到傳感器原理、信號調(diào)理電路、信號分析與處理、數(shù)字信號處理、信號運算和圖像處理技術(shù)等，這個案列的分析過程與課程知識緊密結(jié)合。今后還將科研項目“基于自適應(yīng)濾波的滾動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故障信號進行檢測;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;對信號進行時域和頻域觀察、分析、處理;采用一定的算法提取故障頻率和信號特征，進行故障特征識別和故障結(jié)論獲取等。如果采用案例驅(qū)動法，課程的知識體系就要按照解決工程問題的程序開展。因此，引導學生完成工程案例分析，需要將工程測試技術(shù)的原理和知識模塊化，并打破傳統(tǒng)課程內(nèi)容的教學順序，按照解決工程問題的過程對知識模塊進行重構(gòu)。優(yōu)化課程知識并將其模塊，按照展開順序依次為：機械故障診斷基礎(chǔ)、傳感器原理及信號調(diào)理電路、測試系統(tǒng)基本特性、數(shù)字信號處理基礎(chǔ)、信號描述與頻譜分析、信號相關(guān)分析、功率譜分析和小波分析等。優(yōu)化后的課程知識模塊，與傳統(tǒng)課程知識章節(jié)從組合與開展順序上都有較大變化，傳統(tǒng)課程知識章節(jié)開展順序為：信號描述與頻譜分析、測試系統(tǒng)基本特性、傳感器原理及信號調(diào)理電路、信號相關(guān)分析和功率譜分析、機械故障診斷基礎(chǔ)。優(yōu)化后的知識模塊更加突出了解決工程問題的知識需求。

（三）虛擬仿真輔助課程知識與案例分析

在課程內(nèi)容建設(shè)中，虛擬仿真起到輔助工程案例分析、連接理論知識與工程案例的作用，同時也幫助學生從原理層面理解工程問題。虛擬仿真模擬故障信號不僅能夠幫助學生從理論上理解造成故障的原因和故障源機理，用數(shù)學方法對故障信號進行建模分析，還能超前工程問題，預測故障發(fā)生率，驗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程序來實現(xiàn)。

開發(fā)的虛擬仿真平臺能實現(xiàn)模擬故障信號，對信號進行濾波、時頻分析、故障特征提取、各種算法運算和分析、故障結(jié)論驗證等。將虛擬仿真程序用于工程問題建模、計算、預測、反演和驗證，使得工程問題的分析具有較強的理論依據(jù)和可視性，為培養(yǎng)學生形成解決復雜工程問題的能力提供支撐。虛擬仿真平臺的開發(fā)綜合了多門理論課程的知識和原理，不但有助于學生掌握運用所學理論知識解決工程實際問題，而且也為課程群模式的學習提供了一條有益的途徑。虛擬仿真平臺還可進行二次開發(fā)，通用性強，既可獨立進行各種仿真實驗，也可與真實實驗設(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)動關(guān)系，有機結(jié)合，并行推進。這種新的課程建設(shè)，從根本上解決了傳統(tǒng)教學中存在的問題。新的課程體系轉(zhuǎn)變了教師以教好理論知識為目標的教學思想和觀念，促進了理論結(jié)合實踐。以工程案例驅(qū)動課程教學，遵循案例的分析和解決過程，開展理論知識的教學和研討，激發(fā)了學生學習理論知識的興趣。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，開發(fā)虛擬仿真程序，搭建旋轉(zhuǎn)機械故障診斷實驗臺、故障檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可供學生獨立操作和開發(fā)。彌補了實驗環(huán)節(jié)中實驗臺過于老化陳舊，無法貼近工程實際，無法提供給學生鍛煉數(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)效果的考核評價

制定科學合理的考核評價方法是衡量人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以能力評價為導向，側(cè)重學習的過程性監(jiān)控，弱化期末考核的比例，借助于討論分析、總結(jié)報告、實驗報告、成果報告、項目報告等各種形式來考查學生在完成項目任務(wù)的過程表現(xiàn)，并適當結(jié)合最終評價結(jié)果來評定學生的學習成績，有利于反映學生能力發(fā)展的真實水平。首先制定考核評價細則，量化打分監(jiān)控。然后將考核劃分為課堂測驗、課后作業(yè)、實驗報告、期末考試、項目報告、小組討論、項目成果等七個部分，其中課堂測驗、課后作業(yè)、期末考試、實驗報告等側(cè)重于過程考核，而項目報告、小組討論、項目成果側(cè)重于成果考核。七項考核對學生能力的評價是從低到高階梯式遞進，分別是對知識的記憶、理解、運用、綜合以及創(chuàng)新。課程結(jié)束后，對考核成績進行達成度分析，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)存在的問題，在下一輪課程中進行改進。

五、結(jié)語

針對傳統(tǒng)的工科課程教學偏重于理論，無法滿足學生對工程實踐問題認知的需求，難以提高學生解決復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。該研究的實施能夠有效支撐企業(yè)對工程人才具備機械設(shè)備調(diào)試、維護、維修能力的需求，培養(yǎng)學生掌握分析工程問題的常規(guī)方法和途徑，使他們學會基于測控技術(shù)和信號分析原理，科學地思考工程問題。

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