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文档简介
机械工程专业学位研究生?智能制造?教学案例库构建及应用〔〕:
摘要:案例教学对机械工程专业学位研究生理论及应用才能培养意义重大。本文在分析?智能制造?课程特点及案例教学需求根底上,讨论了?智能制造?教学案例库的建立思路及架构,构建了包括深度学习与大数据、数字孪生、智能机床、智能机器人、智能消费线、智能感知、智能检测与故障诊断等7个技术专题的智能制造教学案例库,给出了典型案例的设计过程及主要内容。教学理论及调查问卷结果说明,智能制造案例得到了学生的普遍认可,激发了学生学习的积极性,案例的覆盖面能满足专业学位研究生?智能制造?课程的教学需求。
关键词:案例教学;专业学位;智能制造;案例库
本文引用格式:郭保苏,等.机械工程专业学位研究生?智能制造?教学案例库构建及应用[J].教育现代化,2022,7(41):135-138,196.
一引言
专业学位研究生的培养目的侧重于理论和应用才能,以满足特定行业需求为培养特色【1】。而机械工程专业学位研究生培养的主要目的那么是培养具备独立从事工程规划、工程设计、工程施行、工程研究、工程开发或工程管理等专门技术工作的人才,其培养重心在于专业理论才能,因此,在培养手段和方法上有别于学术型研究生。
案例教学是以典型工程案例为根底,通过呈现案例的真实情境,引导学生自主发现问题,并学会分析和解决问题,进而掌握理论、形成观点并进步才能的一种教学方式。案例教学法自1910年正式引入课堂教学以来,逐步得到高等教育界的重视。2022年教育部发布的"关于加强专业学位研究生案例教学和结合培养基地建立的意见";〔教研[2022]1号文件〕中强调,加强案例教学,是强化专业学位研究生理论才能培养,推进教学改革,促进教学与理论有机交融的重要途径,也是推动专业学位研究生培养形式改革的重要手段。近年来,案例教学已应用于法学、管理学等人文社会科学教育【2】,并逐渐拓展的工科类专业[3,4]。杨满平构建了油藏动态分析案例库,并对案例教学的施行效果进展了评价【5】;邵光芒构建了?地基处理新技术?案例库,讨论了案例库的建立思路【6】;李红娟等以?食品新产品开发?课程为例,讨论了农学专业学位硕士研究生案例教学形式【7】;王福斌以煤气混合过程智能多变量解耦控制系统为研究对象,构建了?智能控制?课程案例教学库,并给出了案例教学效果的保障措施[8]。但因前期积累薄弱,目前基于真实情境、注重理论与理论相结合的成体系的专业学位研究生课程案例库还很匮乏。建立符合专业学位研究生教学要求的高质量案例库,实在提升专业学位研究生的理论才能是值得讨论的重要问题。
本文以机械工程专业学位研究生?智能制造?课程教学案例库构建及应用为例,在分析课程特点及案例教学需求的根底上,讨论?智能制造?教学案例库建立的思路、架构,并给出了典型案例的设计过程及其教学应用效果。
二课程特点及案例教学需求分析
?智能制造?课程是机械工程专业学位硕士研究生的一门重要的特色专业课,其主要内容包括两大局部:智能制造根底理论(人工智能、大数据、工业互联网)和根本技术(智能机床、智能零部件、智能机器人、智能消费线、机器视觉与测量等),旨在通过本课程的学习使研究生理解智能制造技术的最新开展动向和典型工程应用,拓展研究生的视野,培养其运用智能技术解决消费实际相关问题的才能,为今后从事相关工程技术应用与开发或研究工作奠定根底。
?智能制造?课程的教学目的是:1.使学生理解智能制造开展的现状、前沿及开展趋势;2.理解和掌握支撑智能制造的人工智能根底知识;3.理解和掌握人工智能在机械设计及制造工艺规划中的应用方法;4.理解和掌握智能制造装备/智能工厂的涵义及其关键支持技术。
作为一门前沿理论与先进技术严密结合的课程,为实现课程教学目的,必须在教学内容的组织和授课形式上创新,既要讲授前沿的理论知识,如人工智能、大数据等,又要针对智能机床、智能机器人、智能消费线、故障诊断与智能维护等先进技术的应用进展讲解和剖析。完善的课程案例库是开展案例教学的根本保证。?智能制造?课程教学案例库将以大量贴近研究生将来工作实际的工程案例引导其主动获取专业知识,并锻炼其多方面才能,它改变了传统教学的单向形式,注重教师与研究生之间、研究生与研究生之间的多向交流和互动机制;智能制造作为不断开展完善中的新兴技术,在理论与理论结合方面还有很长的路要走,不同行业、不同企业在工程案例施行的途径与着力点也各不一样。因此,在教学过程中只有结合实际,搜集、整理、提炼工程案例,并针对性地进展剖析、讲解,才能实现课程的教学目的;以案例为根底,通过呈现案例的真实工程情境,将理论与理论严密结合,引导研究生从案例中发现问题,并学会分析和解决问题,进而掌握理论、形成观点、进步理论才能。这种教学过程非常有利于研究生理论才能的培养,同时有助于研究生形成讨论交流、团队合作的意识与解决问题的才能,这正契合了新时期对实用型高级工程技术人才的实际需求。
因此,针对机械工程专业学位研究生的?智能制造?课程引入案例教学法,逐步建立内容丰富、体系完善的案例库是非常必要的,它不仅有助于进步该课程的教学质量和教学效果,还能通过课程的教学过程培养研究生分析与解决实际问题的才能及自主获取知识的才能,增强研究生的团队合作意识及综合素质。综上所述,?智能制造?教学案例库建立势在必行,该项教学改革工作具有良好的应用前景和较大的实用价值。
三案例库建立思路及典型案例介绍
〔一〕案例库总体设计
智能制造是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统,它在制造过程中能进展分析、推理、判断、构思和决策等智能活动。该系统通过人与智能机器的合作共事,去扩大、延伸和局部地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新,并扩展到柔性化、智能化和高度集成化的高度。智能制造系统主要特征包括自律才能、人机一体化、虚拟现实、自组织超柔性、自学习及自主维护等。其内涵包括智能技术、测控装置、制造装备及运作过程。智能技术又包括新型传感技术、模块化与嵌入式控制系统设计技术、系统协同技术、故障诊断与安康维护技术、高可靠实时通信网络技术、识别技术等;测控装置包括新型传感器及其系统、智能控制系统、智能仪表、伺服控制机构等;制造装备包括智能机床、自动化物流成套设备、工业机器人与专用机器人、制造消费线等;运作过程包括任务规划、智能Agent、全生命周期管理、智能工厂等。
根据课程内涵、教学大纲及教学目的,将课程划分为根底理论和技术专题两个层次。根据智能制造的内涵及特点拟定了7个技术专题,涵盖了智能制造所涉及的智能技术、测控装置、制造装备及运作过程等主要内容,包括深度学习与大数据、数字孪生、智能机床、智能机器人、智能消费线、智能感知、智能检测与故障诊断等关键技术,并针对每个专题和关键技术搜集、整理并构建工程案例。案例库的总体框架如图1所示。
〔二〕案例素材搜集
时效性与应用性。?智能制造?案例素材挑选的标准教学案例素材应来源于消费建立、研究设计、经营管理等工作理论,具有较强的先进性、创新性、是必须具备典型性、真实性、完好性、先进性和可应用性,必须注重智能制造关键技术的表达,并展现不同行业、不同企业在施行智能制造过程中的不同思路、不同特点及不同的实现手段。不同于传统的案例库,智能制造作为一种新兴的开展中的技术,仅通过文献或书籍的阅读很难获得最有价值和最先进的技术资料,还需要通过网络或消费现场的参观交流等方式直接搜集相关视频、图片、文档、宣传资料等信息,从而获得大量的第一手资料。因此,素材的搜集需要调动各方面资源,包括相关企业及高校和研究院所,甚至包括选课的研究生,通过多方的共同努力力争满足典型性、真实性、完好性、先进性及可应用性的要求。
以智能机床为例,该技术专题搜集了马扎克〔MAZAK〕、德玛吉、沈阳机床、华中数控等国内外知名机床企业的智能机床成功案例,并从文字、图片、视频等角度描绘智能机床的功能、特点及其关键技术,较完好且真实地展示了国内外智能机床产品的典型案例。
〔三〕典型案例介绍
本文以数字孪生技术为例,介绍案例的设计过程及主要内容。
1.摘要。摘要中给出了案例的根本信息,用于明确案例所针对的教学目的、课程知识点及分析该案例所需的相关理论知识,包括案例所涉及的根本概念、关键技术及知识点、案例主要内容及其解决方案等。摘要不仅可以为教师开展案例教学提供必要的背景性信息,还方便学生根据课程内容从案例库中选择适宜的案例进展自学。
数字孪生技术专题案例摘要的主要内容如下:数字孪生技术是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[9]。本案例介绍了数字孪生的开展和技术原理,并列举了数字孪生技术的两个典型应用:云上港航和火车HVAC系统仿真测试本案例作为数字孪生技术的典型应用,可为读者提供必要的课程知识点及理论根底,也可为技术人员从事数字孪生应用研究提供方法借鉴。
2.引言。案例的总体概述,通过简单描绘案例内容或相关背景,吸引读者对本案例产生兴趣,对案例正文起到提纲掣领和激发阅读兴趣的作用。数字孪生技术案例的引言中描绘了案例工程背景信息:数字孪生包含实体的物理模型和虚拟的数字模型两局部,二者通过通讯和感知严密地结合在一起,形成一一映射的关系。通过数字孪生技术可以在信息化平台上理解物理实体的状态,并对物理实体里面预定义的接口元件进展控制。
3.课程知识点。介绍了案例所涉及的课程知识点及相关理论,包括根本概念及关键技术等。数字孪生技术专题中给出了数字孪生的概念、开展过程、关键技术及应用领域等关键知识点,详细地介绍了如何创立数字孪生(图2所示),以及数字孪生技术在产品设计、虚拟样机、车间快速设计、工艺规划、消费物流精准配送、车间装备智能控制、车间人机交互、产品测试及检验、智能装配、制造能耗管理、产品质量分析与追溯、故障预测与安康管理等领域的应用情况,为后续的案例分析及数字孪生技术的应用提供了必要的理论与技术支撑。
4.案例分析。根据给定的案例,根据相关理论知识,做出评价,并提出详细的解决问题的方法或意见。案例分析不仅能考察学生理解、运用知识的才能,更重要的是它还能考察学生综合、分析、评价的才能。在数字孪生技术专题中给出了云上港航和火车HVAC系统仿真测试两个典型的综合案例,从工程背景、方案分析、总体设计等几个方面介绍了案例施行过程及效果,要求学生通过这两个实际案例分析数字孪生技术施行的难点及关键点,评价施行方案的优缺点,并给出改良建议。
5.视频及图片资料。通过视频及图片资料可以生动而形象地展示案例的施行过程及应用效果,可以很好地弥补文字资料的单调及缺乏。数字孪生技术专题中给出的一些视频资料如图3所示,包括基于数字孪生的液压泵、油井维护、医疗卫生、汽车、智能工厂等等。
6.案例总结与讨论。总结案例中的工程特点、决定方案的影响因素,施行过程中的难点及技术关键,并客观评价其施行效果。在总结中应给出值得考虑的问题,以方便学生讨论交流。如,基于数字孪生技术进展港口智能效劳的优点?基于数字孪生的虚拟测试系统的难点?数字孪生系统建模的关键问题?两个案例在特点上有何不同?
四案例库应用
本文构建的?智能制造?教学案例库已在我校机械工程专业学位研究生?智能制造?课程教学中应用了2年,并根据智能制造技术的开展及教学效果调查问卷情况进展了动态扩大、改良和完善。通过视频展示和综合案例分析,有助于强化和深化理解课程中的重要知识点和关键问题,再通过讨论进一步激发学生的学习兴趣,进步学生自主学习和独立考虑的才能;为进步学生学习的积极性,教师在课程教学过程中又通过布置大作业的形式要求学生搜集案例素材,并以团队形式在课上进展汇报。学生搜集的案例经整理完善后再补充进案例库,从而进一步扩大和完善了案例库。
调查问卷说明,?智能制造?案例教学的施行效果较为明显,学生满意度较高,主要统计结果如下:(1)案例学习可以很好地调动学生学习的积极性;(2)案例覆盖面较广,能满足机械工程专业学位研究生的教学需求;(3)大多数案例具有典型性,但理论与理论的结合方面有待加强;(4)建议加强案例教学中的师生互动环节,进步学生分析和解决问题的才能。
五完毕语
?智能制造?是一门前沿理论与先进技术严密结合的机械工程专业学位研究生课程,为实现课程教学目的,必须在教学内容的组织和授课形式上创新,既要讲授前沿的理论知识,又要讲解和剖析智能感知、大数据等先进技术的理论应用。为此,开展了以工程案例为素材、以理论才能提升为目的的案例教学改革尝试。构建了包括深度学习与大数据、数字孪生、智能机床、智能机器人、智能消费线、智能感知、智能检测与故障诊断等7个技术专题的?智能制造?教学案例库,通过视频、图片及文字等形式呈现案例的真实工程情境,引导学生自主发现问题,并学会分析和解决问题,进而掌握理论、形成观点并进步理论才能。教学理论及调查问卷说明,?智能制造?案例教学得到了研究生的普遍认可,激发了学生的学习兴趣,案例的覆盖面较广,能满足机械工程专业学位研究生?智能制造?课程的教学需求,获得了很好的教学效果。
参考文献
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