機械工程專業(yè)學(xué)位研究生《智能制造》教學(xué)案例庫構(gòu)建及應(yīng)用

機械工程專業(yè)學(xué)位研究生?智能制造?教學(xué)案例庫構(gòu)建及應(yīng)用〔〕:

摘要：案例教學(xué)對機械工程專業(yè)學(xué)位研究生理論及應(yīng)用才能培養(yǎng)意義重大。本文在分析?智能制造?課程特點及案例教學(xué)需求根底上，討論了?智能制造?教學(xué)案例庫的建立思路及架構(gòu)，構(gòu)建了包括深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、智能機床、智能機器人、智能消費線、智能感知、智能檢測與故障診斷等7個技術(shù)專題的智能制造教學(xué)案例庫，給出了典型案例的設(shè)計過程及主要內(nèi)容。教學(xué)理論及調(diào)查問卷結(jié)果說明，智能制造案例得到了學(xué)生的普遍認可，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，案例的覆蓋面能滿足專業(yè)學(xué)位研究生?智能制造?課程的教學(xué)需求。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；專業(yè)學(xué)位；智能制造；案例庫

本文引用格式：郭保蘇，等.機械工程專業(yè)學(xué)位研究生?智能制造?教學(xué)案例庫構(gòu)建及應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化,2022,7(41):135-138,196.

一引言

專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)目的側(cè)重于理論和應(yīng)用才能，以滿足特定行業(yè)需求為培養(yǎng)特色【1】。而機械工程專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的主要目的那么是培養(yǎng)具備獨立從事工程規(guī)劃、工程設(shè)計、工程施行、工程研究、工程開發(fā)或工程管理等專門技術(shù)工作的人才，其培養(yǎng)重心在于專業(yè)理論才能，因此，在培養(yǎng)手段和方法上有別于學(xué)術(shù)型研究生。

案例教學(xué)是以典型工程案例為根底，通過呈現(xiàn)案例的真實情境，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題，并學(xué)會分析和解決問題，進而掌握理論、形成觀點并進步才能的一種教學(xué)方式。案例教學(xué)法自1910年正式引入課堂教學(xué)以來，逐步得到高等教育界的重視。2022年教育部發(fā)布的"關(guān)于加強專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和結(jié)合培養(yǎng)基地建立的意見";〔教研[2022]1號文件〕中強調(diào)，加強案例教學(xué)，是強化專業(yè)學(xué)位研究生理論才能培養(yǎng)，推進教學(xué)改革，促進教學(xué)與理論有機交融的重要途徑，也是推動專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)形式改革的重要手段。近年來，案例教學(xué)已應(yīng)用于法學(xué)、管理學(xué)等人文社會科學(xué)教育【2】，并逐漸拓展的工科類專業(yè)[3,4]。楊滿平構(gòu)建了油藏動態(tài)分析案例庫，并對案例教學(xué)的施行效果進展了評價【5】；邵光芒構(gòu)建了?地基處理新技術(shù)?案例庫，討論了案例庫的建立思路【6】；李紅娟等以?食品新產(chǎn)品開發(fā)?課程為例，討論了農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生案例教學(xué)形式【7】；王福斌以煤氣混合過程智能多變量解耦控制系統(tǒng)為研究對象，構(gòu)建了?智能控制?課程案例教學(xué)庫，并給出了案例教學(xué)效果的保障措施[8]。但因前期積累薄弱，目前基于真實情境、注重理論與理論相結(jié)合的成體系的專業(yè)學(xué)位研究生課程案例庫還很匱乏。建立符合專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)要求的高質(zhì)量案例庫，實在提升專業(yè)學(xué)位研究生的理論才能是值得討論的重要問題。

本文以機械工程專業(yè)學(xué)位研究生?智能制造?課程教學(xué)案例庫構(gòu)建及應(yīng)用為例，在分析課程特點及案例教學(xué)需求的根底上，討論?智能制造?教學(xué)案例庫建立的思路、架構(gòu)，并給出了典型案例的設(shè)計過程及其教學(xué)應(yīng)用效果。

二課程特點及案例教學(xué)需求分析

?智能制造?課程是機械工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生的一門重要的特色專業(yè)課，其主要內(nèi)容包括兩大局部：智能制造根底理論(人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng))和根本技術(shù)(智能機床、智能零部件、智能機器人、智能消費線、機器視覺與測量等)，旨在通過本課程的學(xué)習(xí)使研究生理解智能制造技術(shù)的最新開展動向和典型工程應(yīng)用，拓展研究生的視野，培養(yǎng)其運用智能技術(shù)解決消費實際相關(guān)問題的才能，為今后從事相關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)或研究工作奠定根底。

?智能制造?課程的教學(xué)目的是：1.使學(xué)生理解智能制造開展的現(xiàn)狀、前沿及開展趨勢；2.理解和掌握支撐智能制造的人工智能根底知識；3.理解和掌握人工智能在機械設(shè)計及制造工藝規(guī)劃中的應(yīng)用方法；4.理解和掌握智能制造裝備/智能工廠的涵義及其關(guān)鍵支持技術(shù)。

作為一門前沿理論與先進技術(shù)嚴密結(jié)合的課程，為實現(xiàn)課程教學(xué)目的，必須在教學(xué)內(nèi)容的組織和授課形式上創(chuàng)新，既要講授前沿的理論知識，如人工智能、大數(shù)據(jù)等，又要針對智能機床、智能機器人、智能消費線、故障診斷與智能維護等先進技術(shù)的應(yīng)用進展講解和剖析。完善的課程案例庫是開展案例教學(xué)的根本保證。?智能制造?課程教學(xué)案例庫將以大量貼近研究生將來工作實際的工程案例引導(dǎo)其主動獲取專業(yè)知識，并鍛煉其多方面才能，它改變了傳統(tǒng)教學(xué)的單向形式，注重教師與研究生之間、研究生與研究生之間的多向交流和互動機制；智能制造作為不斷開展完善中的新興技術(shù)，在理論與理論結(jié)合方面還有很長的路要走，不同行業(yè)、不同企業(yè)在工程案例施行的途徑與著力點也各不一樣。因此，在教學(xué)過程中只有結(jié)合實際，搜集、整理、提煉工程案例，并針對性地進展剖析、講解，才能實現(xiàn)課程的教學(xué)目的；以案例為根底，通過呈現(xiàn)案例的真實工程情境，將理論與理論嚴密結(jié)合，引導(dǎo)研究生從案例中發(fā)現(xiàn)問題，并學(xué)會分析和解決問題，進而掌握理論、形成觀點、進步理論才能。這種教學(xué)過程非常有利于研究生理論才能的培養(yǎng)，同時有助于研究生形成討論交流、團隊合作的意識與解決問題的才能，這正契合了新時期對實用型高級工程技術(shù)人才的實際需求。

因此，針對機械工程專業(yè)學(xué)位研究生的?智能制造?課程引入案例教學(xué)法，逐步建立內(nèi)容豐富、體系完善的案例庫是非常必要的，它不僅有助于進步該課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，還能通過課程的教學(xué)過程培養(yǎng)研究生分析與解決實際問題的才能及自主獲取知識的才能，增強研究生的團隊合作意識及綜合素質(zhì)。綜上所述，?智能制造?教學(xué)案例庫建立勢在必行，該項教學(xué)改革工作具有良好的應(yīng)用前景和較大的實用價值。

三案例庫建立思路及典型案例介紹

〔一〕案例庫總體設(shè)計

智能制造是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進展分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等智能活動。該系統(tǒng)通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和局部地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新，并擴展到柔性化、智能化和高度集成化的高度。智能制造系統(tǒng)主要特征包括自律才能、人機一體化、虛擬現(xiàn)實、自組織超柔性、自學(xué)習(xí)及自主維護等。其內(nèi)涵包括智能技術(shù)、測控裝置、制造裝備及運作過程。智能技術(shù)又包括新型傳感技術(shù)、模塊化與嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)、故障診斷與安康維護技術(shù)、高可靠實時通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、識別技術(shù)等；測控裝置包括新型傳感器及其系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能儀表、伺服控制機構(gòu)等；制造裝備包括智能機床、自動化物流成套設(shè)備、工業(yè)機器人與專用機器人、制造消費線等；運作過程包括任務(wù)規(guī)劃、智能Agent、全生命周期管理、智能工廠等。

根據(jù)課程內(nèi)涵、教學(xué)大綱及教學(xué)目的，將課程劃分為根底理論和技術(shù)專題兩個層次。根據(jù)智能制造的內(nèi)涵及特點擬定了7個技術(shù)專題，涵蓋了智能制造所涉及的智能技術(shù)、測控裝置、制造裝備及運作過程等主要內(nèi)容，包括深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、智能機床、智能機器人、智能消費線、智能感知、智能檢測與故障診斷等關(guān)鍵技術(shù)，并針對每個專題和關(guān)鍵技術(shù)搜集、整理并構(gòu)建工程案例。案例庫的總體框架如圖1所示。

〔二〕案例素材搜集

時效性與應(yīng)用性。?智能制造?案例素材挑選的標(biāo)準教學(xué)案例素材應(yīng)來源于消費建立、研究設(shè)計、經(jīng)營管理等工作理論，具有較強的先進性、創(chuàng)新性、是必須具備典型性、真實性、完好性、先進性和可應(yīng)用性，必須注重智能制造關(guān)鍵技術(shù)的表達，并展現(xiàn)不同行業(yè)、不同企業(yè)在施行智能制造過程中的不同思路、不同特點及不同的實現(xiàn)手段。不同于傳統(tǒng)的案例庫，智能制造作為一種新興的開展中的技術(shù)，僅通過文獻或書籍的閱讀很難獲得最有價值和最先進的技術(shù)資料，還需要通過網(wǎng)絡(luò)或消費現(xiàn)場的參觀交流等方式直接搜集相關(guān)視頻、圖片、文檔、宣傳資料等信息，從而獲得大量的第一手資料。因此，素材的搜集需要調(diào)動各方面資源，包括相關(guān)企業(yè)及高校和研究院所，甚至包括選課的研究生，通過多方的共同努力力爭滿足典型性、真實性、完好性、先進性及可應(yīng)用性的要求。

以智能機床為例，該技術(shù)專題搜集了馬扎克〔MAZAK〕、德瑪吉、沈陽機床、華中數(shù)控等國內(nèi)外知名機床企業(yè)的智能機床成功案例，并從文字、圖片、視頻等角度描繪智能機床的功能、特點及其關(guān)鍵技術(shù)，較完好且真實地展示了國內(nèi)外智能機床產(chǎn)品的典型案例。

〔三〕典型案例介紹

本文以數(shù)字孿生技術(shù)為例，介紹案例的設(shè)計過程及主要內(nèi)容。

1.摘要。摘要中給出了案例的根本信息，用于明確案例所針對的教學(xué)目的、課程知識點及分析該案例所需的相關(guān)理論知識，包括案例所涉及的根本概念、關(guān)鍵技術(shù)及知識點、案例主要內(nèi)容及其解決方案等。摘要不僅可以為教師開展案例教學(xué)提供必要的背景性信息，還方便學(xué)生根據(jù)課程內(nèi)容從案例庫中選擇適宜的案例進展自學(xué)。

數(shù)字孿生技術(shù)專題案例摘要的主要內(nèi)容如下：數(shù)字孿生技術(shù)是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程[9]。本案例介紹了數(shù)字孿生的開展和技術(shù)原理，并列舉了數(shù)字孿生技術(shù)的兩個典型應(yīng)用：云上港航和火車HVAC系統(tǒng)仿真測試本案例作為數(shù)字孿生技術(shù)的典型應(yīng)用，可為讀者提供必要的課程知識點及理論根底，也可為技術(shù)人員從事數(shù)字孿生應(yīng)用研究提供方法借鑒。

2.引言。案例的總體概述，通過簡單描繪案例內(nèi)容或相關(guān)背景，吸引讀者對本案例產(chǎn)生興趣，對案例正文起到提綱掣領(lǐng)和激發(fā)閱讀興趣的作用。數(shù)字孿生技術(shù)案例的引言中描繪了案例工程背景信息：數(shù)字孿生包含實體的物理模型和虛擬的數(shù)字模型兩局部，二者通過通訊和感知嚴密地結(jié)合在一起，形成一一映射的關(guān)系。通過數(shù)字孿生技術(shù)可以在信息化平臺上理解物理實體的狀態(tài)，并對物理實體里面預(yù)定義的接口元件進展控制。

3.課程知識點。介紹了案例所涉及的課程知識點及相關(guān)理論，包括根本概念及關(guān)鍵技術(shù)等。數(shù)字孿生技術(shù)專題中給出了數(shù)字孿生的概念、開展過程、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域等關(guān)鍵知識點，詳細地介紹了如何創(chuàng)立數(shù)字孿生(圖2所示)，以及數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、虛擬樣機、車間快速設(shè)計、工藝規(guī)劃、消費物流精準配送、車間裝備智能控制、車間人機交互、產(chǎn)品測試及檢驗、智能裝配、制造能耗管理、產(chǎn)品質(zhì)量分析與追溯、故障預(yù)測與安康管理等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，為后續(xù)的案例分析及數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用提供了必要的理論與技術(shù)支撐。

4.案例分析。根據(jù)給定的案例，根據(jù)相關(guān)理論知識，做出評價，并提出詳細的解決問題的方法或意見。案例分析不僅能考察學(xué)生理解、運用知識的才能，更重要的是它還能考察學(xué)生綜合、分析、評價的才能。在數(shù)字孿生技術(shù)專題中給出了云上港航和火車HVAC系統(tǒng)仿真測試兩個典型的綜合案例，從工程背景、方案分析、總體設(shè)計等幾個方面介紹了案例施行過程及效果，要求學(xué)生通過這兩個實際案例分析數(shù)字孿生技術(shù)施行的難點及關(guān)鍵點，評價施行方案的優(yōu)缺點，并給出改良建議。

5.視頻及圖片資料。通過視頻及圖片資料可以生動而形象地展示案例的施行過程及應(yīng)用效果，可以很好地彌補文字資料的單調(diào)及缺乏。數(shù)字孿生技術(shù)專題中給出的一些視頻資料如圖3所示，包括基于數(shù)字孿生的液壓泵、油井維護、醫(yī)療衛(wèi)生、汽車、智能工廠等等。

6.案例總結(jié)與討論。總結(jié)案例中的工程特點、決定方案的影響因素，施行過程中的難點及技術(shù)關(guān)鍵，并客觀評價其施行效果。在總結(jié)中應(yīng)給出值得考慮的問題，以方便學(xué)生討論交流。如，基于數(shù)字孿生技術(shù)進展港口智能效勞的優(yōu)點？基于數(shù)字孿生的虛擬測試系統(tǒng)的難點？數(shù)字孿生系統(tǒng)建模的關(guān)鍵問題？兩個案例在特點上有何不同？

四案例庫應(yīng)用

本文構(gòu)建的?智能制造?教學(xué)案例庫已在我校機械工程專業(yè)學(xué)位研究生?智能制造?課程教學(xué)中應(yīng)用了2年，并根據(jù)智能制造技術(shù)的開展及教學(xué)效果調(diào)查問卷情況進展了動態(tài)擴大、改良和完善。通過視頻展示和綜合案例分析，有助于強化和深化理解課程中的重要知識點和關(guān)鍵問題，再通過討論進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進步學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨立考慮的才能；為進步學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，教師在課程教學(xué)過程中又通過布置大作業(yè)的形式要求學(xué)生搜集案例素材，并以團隊形式在課上進展匯報。學(xué)生搜集的案例經(jīng)整理完善后再補充進案例庫，從而進一步擴大和完善了案例庫。

調(diào)查問卷說明，?智能制造?案例教學(xué)的施行效果較為明顯，學(xué)生滿意度較高，主要統(tǒng)計結(jié)果如下：(1)案例學(xué)習(xí)可以很好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；(2)案例覆蓋面較廣，能滿足機械工程專業(yè)學(xué)位研究生的教學(xué)需求；(3)大多數(shù)案例具有典型性，但理論與理論的結(jié)合方面有待加強；(4)建議加強案例教學(xué)中的師生互動環(huán)節(jié)，進步學(xué)生分析和解決問題的才能。

五完畢語

?智能制造?是一門前沿理論與先進技術(shù)嚴密結(jié)合的機械工程專業(yè)學(xué)位研究生課程，為實現(xiàn)課程教學(xué)目的，必須在教學(xué)內(nèi)容的組織和授課形式上創(chuàng)新，既要講授前沿的理論知識，又要講解和剖析智能感知、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)的理論應(yīng)用。為此，開展了以工程案例為素材、以理論才能提升為目的的案例教學(xué)改革嘗試。構(gòu)建了包括深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、智能機床、智能機器人、智能消費線、智能感知、智能檢測與故障診斷等7個技術(shù)專題的?智能制造?教學(xué)案例庫，通過視頻、圖片及文字等形式呈現(xiàn)案例的真實工程情境，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題，并學(xué)會分析和解決問題，進而掌握理論、形成觀點并進步理論才能。教學(xué)理論及調(diào)查問卷說明，?智能制造?案例教學(xué)得到了研究生的普遍認可，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，案例的覆蓋面較廣，能滿足機械工程專業(yè)學(xué)位研究生?智能制造?課程的教學(xué)需求，獲得了很好的教學(xué)效果。

參考文獻