機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷課程教學(xué)模式改進(jìn)研究

劉樹勇 柴凱 楊慶超 李婧 張帥

［摘 要］為了進(jìn)一步提高機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷課程教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生崗位任職能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，文章探討了如何構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合分層遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)新模式。課程組設(shè)計(jì)了虛擬沉浸體驗(yàn)、實(shí)裝操作實(shí)踐、實(shí)船崗位訓(xùn)練、多科目綜合演練的四步進(jìn)階式實(shí)訓(xùn)模式；深度融合信息技術(shù)，依托一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和兩個(gè)能力提高平臺(tái)建設(shè)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空局限，有效地完成了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)裝實(shí)訓(xùn)和崗位實(shí)踐以及以崗位能力為導(dǎo)向的實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)本領(lǐng)，以期為提升艦艇裝備監(jiān)測專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)質(zhì)量提供科學(xué)指導(dǎo)。

［關(guān)鍵詞］虛實(shí)結(jié)合；信息技術(shù)；實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)；機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）20-0069-04

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在人才培養(yǎng)中起著舉足輕重的作用。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程還存在一些問題，如課前學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)質(zhì)量不高、實(shí)際儀器臺(tái)套數(shù)不夠等；又比如由于機(jī)械設(shè)備具有復(fù)雜性以及實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練具有綜合性，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備難以開展案例復(fù)盤，導(dǎo)致教學(xué)目標(biāo)與任職崗位的需求脫節(jié)等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷課程中采用虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式，可以有效地解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中存在的部分相關(guān)問題。鐘志賢等采用虛實(shí)結(jié)合的方法，研究了機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，將電子技術(shù)課程、控制理論和仿真軟件有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)生對數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)分析方法和穩(wěn)定性理論的感官認(rèn)識(shí)[1]。梁軍等的研究表明，采用虛實(shí)結(jié)合的方法可使學(xué)生感受到理論和工程實(shí)際的緊密聯(lián)系，理論的“虛”和工程現(xiàn)實(shí)機(jī)械設(shè)備的“實(shí)”是一致的；學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣，能夠積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)和思考，這反過來又促進(jìn)了教學(xué)，形成了良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)效果正反饋[2]。張丹等研究了船舶海洋工程專業(yè)的模擬訓(xùn)練問題，通過航海模擬器顯著改善了航海專業(yè)的教學(xué)條件，提升了教學(xué)效果[3]。朱乾坤等研究了“真實(shí)+仿真”實(shí)驗(yàn)場景的同步推進(jìn)方法，構(gòu)建了“虛實(shí)結(jié)合，虛中有實(shí)、實(shí)中有虛”的實(shí)踐教學(xué)體系，學(xué)生在虛擬和真實(shí)的操作環(huán)境中鍛煉和提升了實(shí)際動(dòng)手能力[4]。

在機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷課程教學(xué)中，課程組制訂了虛實(shí)結(jié)合的訓(xùn)練大綱、實(shí)施方案、考核辦法，開展了虛擬訓(xùn)練教學(xué)，同時(shí)依托配套的優(yōu)質(zhì)慕課課程，采取線上線下相結(jié)合以及以翻轉(zhuǎn)課堂和開放性實(shí)驗(yàn)室為補(bǔ)充的學(xué)習(xí)方式，取得了一定的效果。但要形成虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)的完整的實(shí)踐教學(xué)體系，還需對相關(guān)問題開展深入研究，以虛實(shí)結(jié)合為手段，以提升綜合監(jiān)測能力為核心，培養(yǎng)出大批高素質(zhì)、專業(yè)化的新型監(jiān)測診斷人才。

一、監(jiān)測診斷虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建

課程組以培養(yǎng)學(xué)生監(jiān)測診斷實(shí)戰(zhàn)能力為牽引，深入地分析了機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷課程體系（面向輪機(jī)工程、能源與動(dòng)力工程兩個(gè)專業(yè)）中虛擬實(shí)驗(yàn)、半實(shí)物模擬器實(shí)驗(yàn)、實(shí)裝實(shí)驗(yàn)之間的區(qū)別與聯(lián)系，厘清了相同專業(yè)不同層次實(shí)驗(yàn)之間的相互關(guān)系，明確了各類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)以及實(shí)驗(yàn)之間的分層遞進(jìn)關(guān)系，完成了一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和兩個(gè)能力提高平臺(tái)建設(shè)。虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)教學(xué)模式研究框架如圖1所示。針對不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，有效利用虛擬實(shí)驗(yàn)、半實(shí)物模擬器實(shí)驗(yàn)、實(shí)裝實(shí)驗(yàn)等各種實(shí)驗(yàn)手段，實(shí)現(xiàn)多類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的綜合運(yùn)用。

（一）虛擬沉浸式環(huán)境的建設(shè)

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街校疤摗笔鞘侄?，“?shí)”是目的，虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)。虛實(shí)結(jié)合并不是簡單的虛實(shí)相加，而是一種優(yōu)化整合的結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場地不足的問題，并為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和考試提供很好的條件[5-6]。學(xué)生在掌握理論知識(shí)的前提下，可以從虛擬實(shí)驗(yàn)中觀察熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器，通過虛擬實(shí)驗(yàn)操作了解設(shè)備功能和工作原理，通過適應(yīng)性訓(xùn)練初步形成認(rèn)知技能和操作要領(lǐng)，讓每個(gè)學(xué)生都有獨(dú)立思考和操作的機(jī)會(huì)[7-9]。機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷課程建設(shè)了軸承等設(shè)備故障監(jiān)測診斷VR平臺(tái)，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中臺(tái)套數(shù)嚴(yán)重偏少、精密儀器設(shè)備昂貴易損的不足。虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練模式拓展既可以在校訓(xùn)練，也可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訓(xùn)練（見圖2），為學(xué)生畢業(yè)入職后的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)提供了新途徑。

（二）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

在設(shè)計(jì)這一類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過程中，課程組統(tǒng)籌考慮學(xué)生四年學(xué)習(xí)期間的所有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，著重構(gòu)造以課程實(shí)驗(yàn)為單元、以系列課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為模塊、以學(xué)科方向?yàn)橄到y(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)體系，形成了由易到難、由基礎(chǔ)到綜合，將課程基本理論貫穿滲透到各實(shí)踐環(huán)節(jié)之中的分模塊、成系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)群。同時(shí)，開展個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，這一類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要輔助學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽以及綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。目前實(shí)驗(yàn)室的儀器配置大都是一個(gè)實(shí)驗(yàn)多個(gè)臺(tái)套，尚未考慮到學(xué)生的個(gè)性化培養(yǎng)，以及課外的研究、創(chuàng)新或者學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣愛好。因此，有必要開展個(gè)性化基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。

（三）實(shí)裝實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)

目前監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室雖然或多或少已經(jīng)具備了一些實(shí)裝和半實(shí)物模擬器，但還未系統(tǒng)歸類整理好，實(shí)驗(yàn)課程還存在一定的隨意性，需要厘清虛擬實(shí)驗(yàn)、半實(shí)物模擬器實(shí)驗(yàn)、實(shí)裝實(shí)驗(yàn)之間的相互關(guān)系，全面分析實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，按虛擬實(shí)驗(yàn)、半實(shí)物模擬器實(shí)驗(yàn)、實(shí)裝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類，歸納總結(jié)各種實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的和教學(xué)效果，進(jìn)而分析各種類型實(shí)驗(yàn)之間的相互關(guān)系，同時(shí)探究同專業(yè)不同層次實(shí)驗(yàn)的相互遞進(jìn)關(guān)系。以機(jī)電指揮專業(yè)為例，全面分析學(xué)生在校期間所開設(shè)的各種實(shí)驗(yàn)，弄清其教學(xué)目的和教學(xué)效果，進(jìn)而分析不同層次實(shí)驗(yàn)之間的相互遞進(jìn)關(guān)系。同時(shí)，需要針對不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，開展各類實(shí)驗(yàn)手段的融合應(yīng)用研究。虛擬實(shí)驗(yàn)、半實(shí)物模擬器實(shí)驗(yàn)、實(shí)裝實(shí)驗(yàn)之間各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要針對不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯績?yōu)化各類實(shí)驗(yàn)手段的融合應(yīng)用方法。

二、虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

（一）體驗(yàn)監(jiān)測診斷虛擬工作環(huán)境

在機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷課程建設(shè)中，課程組開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測故障診斷平臺(tái)，為學(xué)生開展專業(yè)學(xué)習(xí)提供了重要手段。軸承等設(shè)備故障監(jiān)測診斷VR平臺(tái)主要包括認(rèn)知模塊、訓(xùn)練模塊、考核模塊，不同班次的學(xué)生在實(shí)際操作體驗(yàn)后，一致認(rèn)為這種教學(xué)模式能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。特別是其中的訓(xùn)練模塊和考核模塊給學(xué)生留下了深刻的印象，監(jiān)測診斷流程和實(shí)際工作完全接軌同步，為學(xué)生實(shí)際開展設(shè)備操作奠定了良好的基礎(chǔ)。

（二）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)群夯實(shí)分層遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)

為了夯實(shí)分層遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，課程組加強(qiáng)了模塊化、系統(tǒng)化基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)建設(shè)。在設(shè)計(jì)這一類實(shí)驗(yàn)過程時(shí)，考慮到學(xué)歷與任職教育融合培養(yǎng)模式的特點(diǎn)，統(tǒng)籌兼顧了學(xué)生四年學(xué)習(xí)期間的所有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包括轉(zhuǎn)子故障模擬實(shí)驗(yàn)、振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率測試等，使學(xué)生真正掌握工程技術(shù)的系統(tǒng)思維，同時(shí)開展了個(gè)性化創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯俊W(xué)生除了有必修實(shí)驗(yàn)課程，還應(yīng)該有普及層次的選修實(shí)驗(yàn)課程；除了有課堂上的學(xué)習(xí)，還應(yīng)該有課外的創(chuàng)新研究，如根據(jù)自己的興趣愛好開展科學(xué)探索等。

（三）構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的多層次、綜合性訓(xùn)練模式

現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)條件主要包括船舶實(shí)裝設(shè)備、科研樣機(jī)、模擬故障臺(tái)、虛擬訓(xùn)練設(shè)備，目前各種設(shè)備各自獨(dú)立運(yùn)行。因此，通過統(tǒng)籌規(guī)劃，將相關(guān)實(shí)踐教學(xué)條件進(jìn)行了整合，設(shè)計(jì)為統(tǒng)一的綜合實(shí)踐監(jiān)測診斷教學(xué)網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)裝設(shè)備、科研樣機(jī)、硬件模擬故障臺(tái)、虛擬訓(xùn)練設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的單機(jī)監(jiān)測、機(jī)組監(jiān)測、系統(tǒng)檢測以及整船監(jiān)測。同時(shí)，在綜合實(shí)踐監(jiān)測診斷教學(xué)網(wǎng)絡(luò)中增加故障數(shù)據(jù)庫，用于根據(jù)不同訓(xùn)練目的、設(shè)置不同訓(xùn)練設(shè)備之間的組合方式，產(chǎn)生不同的訓(xùn)練環(huán)境，并進(jìn)行訓(xùn)練科目給定和訓(xùn)練效果評估。對于具備實(shí)裝設(shè)備、科研樣機(jī)、硬件模擬故障臺(tái)、虛擬訓(xùn)練設(shè)備等多種實(shí)踐條件的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)不同訓(xùn)練目的，通過綜合實(shí)踐監(jiān)測診斷教學(xué)網(wǎng)絡(luò)靈活選擇何種設(shè)備以何種方式接入訓(xùn)練系統(tǒng)，從而產(chǎn)生不同的訓(xùn)練環(huán)境。對于既無實(shí)裝設(shè)備和科研樣機(jī)又無硬件模擬器的實(shí)驗(yàn)則多采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過虛擬訓(xùn)練快速補(bǔ)齊學(xué)生的學(xué)習(xí)短板。

通過統(tǒng)籌規(guī)劃，促進(jìn)硬件建設(shè)和軟件建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生同步提高開展設(shè)備監(jiān)測診斷與狀態(tài)評估的能力，使實(shí)踐教學(xué)具備多角色協(xié)同訓(xùn)練條件，從而改善監(jiān)測與評估沒有深度融合的狀況，為實(shí)驗(yàn)室開展現(xiàn)場監(jiān)測、實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測、跟蹤監(jiān)測以及設(shè)備級、分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級的多層次監(jiān)測診斷、健康評估等綜合訓(xùn)練提供條件。

（四）取得的成效與存在的問題

課程組以機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷課程為例，將上述研究成果應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，受到學(xué)生的一致好評，并期待將開發(fā)的故障診斷虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)配發(fā)到基層單位，供任職崗位訓(xùn)練使用。部分本科學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)獲得了多項(xiàng)競賽大獎(jiǎng)，包括國家級一等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，省級一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，這極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和增強(qiáng)了其學(xué)習(xí)自信心。

然而，在教學(xué)中也存在一些問題。當(dāng)前，實(shí)訓(xùn)部分仍需要加強(qiáng)崗位實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)。崗位實(shí)踐的主要平臺(tái)是學(xué)生在畢業(yè)實(shí)習(xí)階段在退役的某型艦船上完成的。在該退役船上，雖然教師可以嚴(yán)格按照教學(xué)大綱實(shí)施現(xiàn)場教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生完成崗位實(shí)踐，但是由于該船部分設(shè)備落后于任職崗位所用的設(shè)備，有些主動(dòng)力設(shè)備甚至是接近淘汰的設(shè)備，很多設(shè)備已經(jīng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，學(xué)生不能完完全全體會(huì)到崗位對個(gè)人能力素質(zhì)的要求，可能導(dǎo)致學(xué)生對崗位和專業(yè)的認(rèn)同度不高。而在畢業(yè)實(shí)習(xí)階段的崗位實(shí)踐，其主要優(yōu)勢在于設(shè)備都是無故障、能運(yùn)轉(zhuǎn)的甚至是一流的；其不足之處是相關(guān)師資少，沒有足夠的教師和時(shí)間手把手地教學(xué)生。因此，需要通過建設(shè)岸基機(jī)艙等手段，將動(dòng)力類專業(yè)的崗位實(shí)踐進(jìn)行統(tǒng)籌考慮和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其有利于開展機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷實(shí)戰(zhàn)化崗位訓(xùn)練[10]。

三、結(jié)語

本次教學(xué)改革通過改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，極大地提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。但仍需要改進(jìn)以下工作：（1）進(jìn)一步完善虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)實(shí)踐教學(xué)模式?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)電設(shè)備故障診斷訓(xùn)練系統(tǒng)不僅可以在校訓(xùn)練，也可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訓(xùn)練，為學(xué)生畢業(yè)后的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)提供新途徑，并依托智慧校園網(wǎng)搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)。（2）教學(xué)平臺(tái)的升級和推廣。在教學(xué)改革中只嘗試了虛擬現(xiàn)實(shí)軸承故障、振動(dòng)烈度測試的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但教學(xué)內(nèi)容可以擴(kuò)展到故障診斷其他訓(xùn)練科目中，如軸系的對中、油液分析儀器的操作等。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)用于遠(yuǎn)程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)組聯(lián)合訓(xùn)練、艙室漫游等功能；也可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，精確地掌握學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的難點(diǎn)和常見錯(cuò)誤等，有針對性地改進(jìn)教學(xué)，提升教學(xué)效果。

總之，虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)施將有助于進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)的有效開展，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合能力。課程組雖然已經(jīng)對虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法進(jìn)行了初步探索，但是還需要進(jìn)一步搭建開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，循序漸進(jìn)地開展各個(gè)階段的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)；建立多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生客觀、全面、開放和科學(xué)的評價(jià)，以此保障新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系下的教學(xué)工作正常、有效開展。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 鐘志賢，楊桂華.虛實(shí)結(jié)合的《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課堂教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，12（9）：97-98.

[2］ 梁軍，梁福沛.“虛實(shí)結(jié)合，能虛不實(shí)，能實(shí)不虛”的化學(xué)工程與工藝實(shí)踐教學(xué)改革與實(shí)踐：化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革系列研究之二[J].高教論壇，2016（8）：15-17.

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