新工科背景下工程案例与虚拟仿真驱动课程建设研究

张洪鑫，杜海艳，孙桂涛

摘    要：工程教育专业认证背景下，秉承以学生为中心、成果为导向的教育理念，面向新工科的高等教育改革需要在课程建设上不断探索和创新。文章提出以工程案例和虚拟仿真相结合来驱动课程建设，探寻工程案例、虚拟仿真与课程内容三条主线之间的内在关联性，按照解决工程问题的逻辑，将课程内容模块化，并与工程案例和虚拟仿真有机结合，使得课程的教学围绕工程需求推进。

关键词：工程案例;虚拟仿真;新工科;课程建设

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2022）04-0004-03

一、引言

近几年，国内高校教师利用先进的计算机和多媒体技术进行课程改革，如O2O网络课程建设、录制慕

课、探究SPOC教学、设计翻转课堂等，为学生提供了丰富的在线学习资源和灵活的学习方式[1-3]。然而，一些工科课程改革的关注点更多是如何通过多种信息化技术手段呈现课程知识，教学手段是更加丰富了，但是基于新工科理念的课程内容的改革还须注重学生对工程实际问题的认知，提高学生解决复杂工程问题的能力。

新形势下，高校传统的工程教育面临新的机遇和挑战，因此，将新工科教育理念内化到本科课程教育体系的改革和建设中刻不容缓。将工程案例和虚拟仿真相结合驱动课程内容建设是探索新工科课程建设的一种方法[4-6]。工程案例呈现的是工程现场所遇到的实际问题，往往能激发学生的兴趣，引起他们的关注。工程实践中出现的问题不是预先设定好的，因此解决方案也不是预先想好的，这就需要学生将理论应用于实践，而不是单纯依赖于學习了多少理论知识。

如果教师能够从科研项目中提炼复杂工程问题，并通过虚拟仿真对复杂问题进行建模、推演、分析和佐证，形成解决复杂工程问题的逻辑和方法，那对于提高学生的能力和开阔工程视野是非常有效的[7]。深化新工科课程改革，通过工程案例与虚拟仿真驱动课程建设，对于达成工程教育专业认证的要求具有重要意义。

本文以面向机械制造及其自动化专业开设的专业核心课“机械工程测试技术”为依托，探索新工科课程建设的方法与举措。构建工程案例与虚拟仿真并行驱动课程内容建设的框架与思路，研究工程案例、虚拟仿真和课程知识三条主线的有机对接与相互支撑关系。

二、课程体系建设的构想与框架

在充分了解企业对工程人才能力的需求和人才自我能力提升要求的基础上，根据学校和专业的人才培养定位，有针对性地制定课程教学目标，依据课程目标建设课程内容，课程体系建设框架如图1所示。

课程内容建设的目的是将课程教学由传统的理论知识传授，转变为培养学生分析问题、解决复杂工程问题以及终身学习能力的培养过程，培养学生从知识的记忆、理解转向知识的灵活运用，通过课程单元的教学，培养学生形成应用专业知识分析、研究和解决机械工程问题的能力。以工程案例牵动课程内容，重组原课程的知识框架，并将知识群模块化，按照解决工程问题的过程展开。

工程案例分析能够使学生以工程思维和观点进行科学分析机械工程中存在的问题，找出问题的本质和有效的解决方法，提高学生解决实际工程问题的能力。工程案例和虚拟仿真与课程内容相结合，驱动课程内容围绕解决工程问题展开，使得学生有目的地学习知识，因渴望解决问题而激发学生学习知识的兴奋点。工程案例的设计应取材于解决企业实际工程问题的科研项目，教师从科研项目中提炼工程案例要比讲别人的案例得心应手，更加深入具体。还应该对案例进行二次加工，提炼案例中涉及课程知识点的部分并进行细化。

虚拟仿真的开发应该围绕工程案例展开，通过帮助学生搞懂案例中蕴含的工程基础理论，对工程问题从感性认识上升到理性认识，达到举一反三的教学效果。考核评价主要评价工程案例驱动课程内容教学效果如何和是否达成课程目标。考核评价主要由过程考核与成果考核组成。过程考核主要伴随课程教学的全过程，其主要作用是起到对学生学习全过程的监督和评价作用。

三、工程案例和虚拟仿真驱动课程内容建设实施

以工程案例和虚拟仿真作为驱动，重新优化课程知识模块，按照解决工程问题的思路展开知识模块，将工程案例与课程内容有机结合。工程案例来自于任课教师从事的旋转机械故障检测与诊断科研项目，而项目研究依托的恰恰是工程测试技术的理论和方法。工程案例和虚拟仿真驱动课程知识模块展开，这三条主线有机结合，具有内在驱动关系。

（一）旋转机械故障诊断案例设计

从教师的科研项目中提炼工程案例，并非拿来就用，而是要结合课程的定位和课程内容，选择合适的项目并从中提炼案例。在众多科研项目中，旋转机械设备的故障诊断研究最适合用于“机械工程测试技术”课程。故障诊断过程恰好需要用到课程涉及的测试原理和方法。以“转子系统的故障诊断”为案例，转子系统的故障现象很多都能够从转子工作时轴心运动的轨迹形状反映出来，所以设计了工程案例“基于不变矩转子轴心轨迹故障检测法”。借助于实验设备转子故障模拟实验台，搭建了一个测试系统，实验台能够模拟转子偏心、联轴器不对中、轴承油膜涡动等故障现象，故障信号的拾取采用电涡流传感器及配套测量电路。利用LabVIEW程序开发了数据采集程序、故障信号模拟程序、信号分析与处理程序和故障自动诊断程序。在完成转子故障模拟与诊断过程中，需要选择传感器并搭建测量电路，检测故障信号;启动驱动程序驱动采集卡，并设置数据采集卡参数，进行数据采集和数据保存;启动应用程序，对信号进行预处理和时频观察等信号分析与处理;通过一定的模式识别算法识别故障特征并提取故障信息;最后通过故障特征分析得出有效的故障结论。案例的分析过程贯穿了课程主要的知识体系。具体涉及到传感器原理、信号调理电路、信号分析与处理、数字信号处理、信号运算和图像处理技术等，这个案列的分析过程与课程知识紧密结合。今后还将科研项目“基于自适应滤波的滚动轴承故障在线检测方法”和“基于小波变换的齿轮故障在线检测方法”等编写成工程案例。

（二）优化课程知识并将其模块化

在分析和解决工程案例过程中，需要选择传感器和搭建测量电路对故障信号进行检测;开发LabVIEW数据采集程序并设置数据采集参数，完成A/D转换;对信号进行时域和频域观察、分析、处理;采用一定的算法提取故障频率和信号特征，进行故障特征识别和故障结论获取等。如果采用案例驱动法，课程的知识体系就要按照解决工程问题的程序开展。因此，引导学生完成工程案例分析，需要将工程测试技术的原理和知识模块化，并打破传统课程内容的教学顺序，按照解决工程问题的过程对知识模块进行重构。优化课程知识并将其模块，按照展开顺序依次为：机械故障诊断基础、传感器原理及信号调理电路、测试系统基本特性、数字信号处理基础、信号描述与频谱分析、信号相关分析、功率谱分析和小波分析等。优化后的课程知识模块，与传统课程知识章节从组合与开展顺序上都有较大变化，传统课程知识章节开展顺序为：信号描述与频谱分析、测试系统基本特性、传感器原理及信号调理电路、信号相关分析和功率谱分析、机械故障诊断基础。优化后的知识模块更加突出了解决工程问题的知识需求。

（三）虚拟仿真辅助课程知识与案例分析

在课程内容建设中，虚拟仿真起到辅助工程案例分析、连接理论知识与工程案例的作用，同时也帮助学生从原理层面理解工程问题。虚拟仿真模拟故障信号不仅能够帮助学生从理论上理解造成故障的原因和故障源机理，用数学方法对故障信号进行建模分析，还能超前工程问题，预测故障发生率，验证故障诊断方法的有效性。虚拟仿真程序开发可以使用基于NI的LabVIEW程序和matlab程序来实现。

开发的虚拟仿真平台能实现模拟故障信号，对信号进行滤波、时频分析、故障特征提取、各种算法运算和分析、故障结论验证等。将虚拟仿真程序用于工程问题建模、计算、预测、反演和验证，使得工程问题的分析具有较强的理论依据和可视性，为培养学生形成解决复杂工程问题的能力提供支撑。虚拟仿真平台的开发综合了多门理论课程的知识和原理，不但有助于学生掌握运用所学理论知识解决工程实际问题，而且也为课程群模式的学习提供了一条有益的途径。虚拟仿真平台还可进行二次开发，通用性强，既可独立进行各种仿真实验，也可与真实实验设备接口。

工程案例、虚拟仿真和课程模块三条主线按照内在支撑和驱动关系，有机结合，并行推进。这种新的课程建设，从根本上解决了传统教学中存在的问题。新的课程体系转变了教师以教好理论知识为目标的教学思想和观念，促进了理论结合实践。以工程案例驱动课程教学，遵循案例的分析和解决过程，开展理论知识的教学和研讨，激发了学生学习理论知识的兴趣。新的课程体系发挥了虚拟仿真的辅助作用。以labVIEW为仿真平台，开发虚拟仿真程序，搭建旋转机械故障诊断实验台、故障检测系统和数据分析系统，可供学生独立操作和开发。弥补了实验环节中实验台过于老化陈旧，无法贴近工程实际，无法提供给学生锻炼数据采集、数据分析和信息综合能力的不足。

四、课程建设效果的考核评价

制定科学合理的考核评价方法是衡量人才培养质量的关键环节，以能力评价为导向，侧重学习的过程性监控，弱化期末考核的比例，借助于讨论分析、总结报告、实验报告、成果报告、项目报告等各种形式来考查学生在完成项目任务的过程表现，并适当结合最终评价结果来评定学生的学习成绩，有利于反映学生能力发展的真实水平。首先制定考核评价细则，量化打分监控。然后将考核划分为课堂测验、课后作业、实验报告、期末考试、项目报告、小组讨论、项目成果等七个部分，其中课堂测验、课后作业、期末考试、实验报告等侧重于过程考核，而项目报告、小组讨论、项目成果侧重于成果考核。七项考核对学生能力的评价是从低到高阶梯式递进，分别是对知识的记忆、理解、运用、综合以及创新。课程结束后，对考核成绩进行达成度分析，发现并总结存在的问题，在下一轮课程中进行改进。

五、结语

针对传统的工科课程教学偏重于理论，无法满足学生对工程实践问题认知的需求，难以提高学生解决复杂工程问题的能力的问题，本文将工程案例与虚拟仿真相结合驱动课程内容建设，形成一系列工程问题、解决方案、措施、分析和结论等。该研究的实施能够有效支撑企业对工程人才具备机械设备调试、维护、维修能力的需求，培养学生掌握分析工程问题的常规方法和途径，使他们学会基于测控技术和信号分析原理，科学地思考工程问题。

参考文献：

[1]苏小红，赵玲玲，叶麟，等.基于MOOC+SPOC的混合式教学的探索与实践[J].中国大学教学，2015（7）.

[2]尚岩，李东颖，张桂玲.线上线下（O2O）教学模式——从慕课（MOOCs）运行效果想到的[J].黑龙江高教研究，2016（8）.

[3]伍李春，李廉.新工科背景下的慕课教育[J].高等工程教育研究，2018（6）.

[4]姜海丽，孙秋华，赵言诚.工程教育专业认证背景下工程实例教学模式的探析[J].黑龙江高教研究，2017（2）.

[5]王华荣.以案例教学推动大学课堂教学模式改革的实践与探索[J].中国大学教学，2011（4）.

[6]赵铭超，孫澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017（4）.

[7]李擎，崔家瑞，杨旭，等.面向解决复杂工程问题的自动化专业实践能力培养体系研究[J].高等理科教育，2017（3）.

[责任编辑  杨    波]