基于信息化教學(xué)的機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)過程實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測

摘 要：隨著當(dāng)前信息化教學(xué)不斷推進(jìn)，實(shí)踐類教學(xué)信息化水平亟須提升，本文提出搭建實(shí)訓(xùn)過程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，旨在通過信息技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)深度融合，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量與保障實(shí)訓(xùn)安全。本文通過搭建動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和反饋機(jī)制等，有效保障實(shí)踐教學(xué)安全實(shí)施，全面提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)高素質(zhì)機(jī)械加工人才提供有力支持。

關(guān)鍵詞：信息化教學(xué) 機(jī)工技能 實(shí)訓(xùn)教學(xué) 動態(tài)監(jiān)測

2020年9月16日教育部等九部門印發(fā)了《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計(jì)劃（2020-2023年）》（教職成〔2020〕7號），明確提出提升職業(yè)教育專業(yè)和課程教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)，實(shí)踐性教學(xué)學(xué)時(shí)原則上占總學(xué)時(shí)數(shù)50%以上[1]；在信息技術(shù)方面，明確提出推動信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，鼓勵職業(yè)學(xué)校利用現(xiàn)代信息技術(shù)推動人才培養(yǎng)模式改革，滿足學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)需求，大力推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”“智能+”教育新形態(tài)，推動教育教學(xué)變革創(chuàng)新。2024年7月教育部印發(fā)了《職業(yè)教育信息化標(biāo)桿學(xué)校建設(shè)指南》，該指南強(qiáng)調(diào)了職業(yè)教育信息化建設(shè)的重要性，提出了加快推進(jìn)職業(yè)教育信息化的政策背景，指出要促進(jìn)信息技術(shù)與職業(yè)教育的深度融合，提高職業(yè)院校教育教學(xué)質(zhì)量[2]。

職業(yè)教育“雙高計(jì)劃”建設(shè)強(qiáng)調(diào)將院校自身改善和循環(huán)發(fā)展轉(zhuǎn)化為服務(wù)力、貢獻(xiàn)力，為國家和地方經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級提供有力支撐，機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)作為面向全校工科的一門專業(yè)基礎(chǔ)性、實(shí)踐性課程，是職業(yè)素養(yǎng)、人才培養(yǎng)、行業(yè)服務(wù)的重要環(huán)節(jié)，其中，信息技術(shù)應(yīng)用、實(shí)訓(xùn)安全、教學(xué)質(zhì)量又是教學(xué)環(huán)節(jié)的重中之重，為嚴(yán)格落實(shí)職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計(jì)劃，積極配合做好雙高建設(shè)要求，機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)課程在不斷探索信息技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，積極推動教育教學(xué)變革創(chuàng)新，現(xiàn)提出基于信息化教學(xué)的機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)過程性動態(tài)監(jiān)測的探索研究，通過對實(shí)訓(xùn)設(shè)備平臺進(jìn)行信息化升級，實(shí)現(xiàn)對實(shí)踐教學(xué)全過程動態(tài)監(jiān)控，進(jìn)一步提升信息技術(shù)運(yùn)用水平，推進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新，保障教學(xué)過程中的實(shí)訓(xùn)安全和教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)新時(shí)代機(jī)加工技術(shù)技能型人才奠定基礎(chǔ)。

1 機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

隨著職業(yè)教育“雙高計(jì)劃”建設(shè)要求的提升及高校實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量建設(shè)的不斷深入，現(xiàn)有機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)存在以下問題：一是線下教學(xué)信息化手段單一。在機(jī)工實(shí)踐教學(xué)中，雖實(shí)現(xiàn)了線上線下融合教學(xué)，線上教學(xué)資源庫建設(shè)在不斷更新完善，但是在線下教學(xué)中缺少對實(shí)訓(xùn)設(shè)備的定期信息技術(shù)升級，信息技術(shù)運(yùn)用手段較為單一。二是實(shí)訓(xùn)過程缺少實(shí)時(shí)動態(tài)反饋。受現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)設(shè)備和教學(xué)條件影響，學(xué)生人數(shù)多，設(shè)備臺數(shù)多，指導(dǎo)教師少，學(xué)生在實(shí)操練習(xí)環(huán)節(jié)中缺少實(shí)時(shí)動態(tài)反饋，一方面可能導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)中產(chǎn)生安全隱患，另一方面直接影響教學(xué)效果。三是實(shí)訓(xùn)安全監(jiān)控方式單一。當(dāng)前機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)的安全監(jiān)控方式主要是，教師巡回監(jiān)督與練習(xí)小組組內(nèi)互相監(jiān)督相結(jié)合的方式，缺少信息化監(jiān)控手段。

2 基于信息化實(shí)踐教學(xué)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)搭建

結(jié)合當(dāng)前機(jī)工技能實(shí)踐教學(xué)實(shí)際情況，為有效推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)中信息技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)一步保障實(shí)踐實(shí)訓(xùn)安全，切實(shí)提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，本文通過對實(shí)訓(xùn)設(shè)備平臺進(jìn)行信息化升級，從而搭建實(shí)踐教學(xué)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)踐教學(xué)全過程動態(tài)監(jiān)控。如圖1所示，本監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及反饋機(jī)制部分組成，具體如下。

2.1 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

基于信息化實(shí)踐教學(xué)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分包含數(shù)據(jù)采集類型、數(shù)據(jù)采集方式和采集點(diǎn)選取三個(gè)方面。

2.1.1 機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)中實(shí)訓(xùn)設(shè)備動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集類型

機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)中使用的設(shè)備為普通車床、普通銑床、砂輪機(jī)、臺鉆等機(jī)械設(shè)備，學(xué)生在開展教學(xué)前大多無機(jī)械設(shè)備操作基礎(chǔ)，僅有部分理論知識鋪墊，同時(shí)此類機(jī)械設(shè)備均有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，每年因機(jī)械設(shè)備操作不當(dāng)引發(fā)的安全事故層出不窮，因此在對教學(xué)過程動態(tài)監(jiān)測中要尤其關(guān)注實(shí)踐教學(xué)安全隱患，本文以普通車床為例搭建動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型為振動、位置、有無、溫度及安全區(qū)域監(jiān)測，動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作者行為數(shù)據(jù)，前者包含振動、溫度、壓力等參數(shù)，后者包含操作位置、操作頻率、違規(guī)次數(shù)等參數(shù)，以上數(shù)據(jù)的多樣性和完整性實(shí)現(xiàn)了對教學(xué)過程的全面監(jiān)測。

2.1.2 機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)中實(shí)訓(xùn)設(shè)備動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集方式

動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用傳感器、熱像儀等監(jiān)測單元，對車刀、主軸、卡盤扳手、安全區(qū)域等部位進(jìn)行振動、位置、有無、溫度及安全區(qū)域等數(shù)據(jù)采集，從而完成對實(shí)訓(xùn)全過程動態(tài)監(jiān)測的目的。

2.1.3 機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)中實(shí)訓(xùn)設(shè)備動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)選取

根據(jù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集類型和采集方式，科學(xué)合理地選取車刀、主軸、卡盤扳手、安全區(qū)域等對象作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，具體的采集點(diǎn)位如圖2所示。

2.2 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

實(shí)踐教學(xué)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示和記錄全過程動態(tài)情況，采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)會先存儲到數(shù)據(jù)庫，后續(xù)對信號進(jìn)行小波閾值去噪、濾波和歸一化等預(yù)處理，然后對時(shí)域特征、頻域特征、時(shí)頻特征進(jìn)行特征提取，例如均值、方差、頻譜分析等特征，通過分析振動頻譜、溫度趨勢、操作者位置違規(guī)次數(shù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

2.2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲

監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。考慮到數(shù)據(jù)庫存儲的高效性和快速檢索性，數(shù)據(jù)庫采用分布式來滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲需求。同時(shí)，系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)備份和容錯機(jī)制，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，以防數(shù)據(jù)丟失或損壞。

2.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于監(jiān)測系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)通常包含噪聲、異常值和缺失值，直接進(jìn)行特征提取和分析可能會導(dǎo)致處理結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此，數(shù)據(jù)預(yù)處理是確保后續(xù)特征提取和分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟，預(yù)處理主要包括去噪、濾波和歸一化等步驟。

小波閾值去噪：采用小波變換的去噪方法，能夠在不丟失重要信息的前提下去除高頻噪聲，監(jiān)測系統(tǒng)通過對信號進(jìn)行小波分解，提取出噪聲成分并進(jìn)行閾值處理，能夠有效提高信號的質(zhì)量[3]。

濾波處理：采用帶通濾波數(shù)字濾波技術(shù)消除信號中的干擾成分，對信號進(jìn)行處理。

歸一化處理：由于涉及多種不同類型的傳感器和其他監(jiān)測模塊，其量綱和取值范圍也都不一致，為了便于后續(xù)特征提取和分析，監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將其轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的數(shù)值范圍內(nèi)。

2.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)提取和分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理提取出能夠反映師生實(shí)踐教學(xué)狀態(tài)的關(guān)鍵信息，根據(jù)數(shù)據(jù)的特性，采用時(shí)域、頻域和時(shí)頻域等方法進(jìn)行特征提取。

時(shí)域特征：該特征反映信號在時(shí)間維度上的變化規(guī)律，常用的時(shí)域特征包括均值、方差、峰值、峭度等，用于描述實(shí)訓(xùn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)或操作者的行為模式。

頻域特征：該特征通過傅里葉變換將信號從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域后完成提取，常用于頻譜分析、功率譜密度等。對后期分析實(shí)訓(xùn)設(shè)備的振動特性或異常頻率具有重要意義。

時(shí)頻特征：該特征結(jié)合了時(shí)域和頻域的信息，能夠反映信號在時(shí)間和頻率上的動態(tài)變化，常用的時(shí)頻特征方法包括短時(shí)傅里葉變換（STFT）和小波變換（WT），用于分析實(shí)訓(xùn)過程中設(shè)備產(chǎn)生的非平穩(wěn)信號[4]。

在完成特征提取后，監(jiān)測系統(tǒng)對提取的特征進(jìn)行深入分析，挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律和變化趨勢。例如，分析振動頻譜可以判斷實(shí)訓(xùn)設(shè)備是否存在異常振動，分析溫度變化可以監(jiān)測設(shè)備、工具的運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)操作人員位置違規(guī)次數(shù)可以評價(jià)操作人員的規(guī)范性和熟練程度。

2.3 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)反饋機(jī)制

實(shí)踐教學(xué)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過設(shè)置三級預(yù)警系統(tǒng)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）投影實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋。三級預(yù)警系統(tǒng)：一級預(yù)警為“提示”等級，表現(xiàn)為LED黃燈閃爍，二級預(yù)警為“警告”等級，表現(xiàn)為蜂鳴器報(bào)警，三級預(yù)警為“強(qiáng)制停機(jī)”等級，表現(xiàn)為繼電器切斷主軸電源，設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。操作指導(dǎo)AR投影：系統(tǒng)根據(jù)加工任務(wù)的要求，在機(jī)床表面疊加虛擬標(biāo)線和操作提示，能夠提示操作者工件的加工位置、加工路徑和加工深度，當(dāng)操作者行為接近違規(guī)閾值或出現(xiàn)操作失誤時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供AR投影提示具體的糾正建議，從而避免實(shí)訓(xùn)設(shè)備發(fā)生損壞或出現(xiàn)安全事故，大大提升監(jiān)測系統(tǒng)反饋的及時(shí)性、直觀性和可操作性。

同時(shí)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建多維評價(jià)機(jī)制，該評價(jià)機(jī)制從設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和安全規(guī)范四個(gè)維度，選取六個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行綜合評價(jià)，分別就實(shí)訓(xùn)過程中振動、尺寸精度、刀具壽命、工作效率及安全操作規(guī)范參數(shù)進(jìn)行評價(jià)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)踐教學(xué)過程科學(xué)反饋，如表1所示。多維評價(jià)機(jī)制根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求可對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具有良好的適應(yīng)性、擴(kuò)展性、規(guī)范性和科學(xué)性，為學(xué)生技能水平的量化評估提供可靠依據(jù)，對培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才具有重要意義。

3 基于信息化實(shí)踐教學(xué)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）多源監(jiān)測信息融合。通過整合多種傳感器模塊、熱成像模塊用以監(jiān)測不同維度的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)振動、溫度、位置等多維度數(shù)據(jù)同步采集與分析，從而更全面、準(zhǔn)確地反映被監(jiān)測對象的真實(shí)狀態(tài)，為安全保障、故障診斷、預(yù)測性維護(hù)、教學(xué)創(chuàng)新等應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（2）動態(tài)監(jiān)測智能預(yù)警。基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的智能預(yù)警系統(tǒng)能夠從實(shí)踐教學(xué)過程中的歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)正常工況和異常工況的特征模式[5]，并實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)操設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在隱患和故障發(fā)生的初期及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，為操作人員和教師提供決策支持。

（3）多維反饋評價(jià)機(jī)制。通過建立多維度、可量化的動態(tài)監(jiān)測反饋評價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)對師生實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果的客觀評估，避免單一評價(jià)指標(biāo)的片面性，明確具體的評價(jià)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)可以引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，同時(shí)掌握教學(xué)中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)，更好地推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量提升。

4 結(jié)語

基于信息化實(shí)踐教學(xué)的機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為實(shí)踐教學(xué)的改革和創(chuàng)新提供了新的思路和方法，通過機(jī)工實(shí)踐教學(xué)信息化和實(shí)踐教學(xué)動態(tài)監(jiān)測的實(shí)施，可以有效提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)安全管理，有力提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，全面推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新。動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，提供精準(zhǔn)的反饋和指導(dǎo)，還能為教學(xué)管理和安全管理提供數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。

在未來實(shí)踐教學(xué)中，可以進(jìn)一步探索人工智能技術(shù)在動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，例如利用深度學(xué)習(xí)算法提高實(shí)訓(xùn)結(jié)果評價(jià)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，開發(fā)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的個(gè)性化教學(xué)，借助系統(tǒng)的完善不斷推進(jìn)教師信息素養(yǎng)的提升，以充分發(fā)揮信息化實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)勢，為行業(yè)培養(yǎng)更多高素質(zhì)機(jī)械加工人才做出貢獻(xiàn)。

基金項(xiàng)目：1.2021年度鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級教改項(xiàng)目“基于信息化教學(xué)的機(jī)工技能實(shí)訓(xùn)過程實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測”（2305220131）；2.2024年河南省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目“復(fù)雜列車運(yùn)行環(huán)境下鐵路軸承在線故障診斷關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究”（252102220035）。

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