機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生?智能制造?教學(xué)案例庫(kù)構(gòu)建及應(yīng)用〔〕:

摘要：案例教學(xué)對(duì)機(jī)械工程專(zhuān)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(diǎn)及案例教學(xué)需求根底上，討論了?智能制造?教學(xué)案例庫(kù)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(jī)床、智能機(jī)器人、智能消費(fèi)線、智能感知、智能檢測(cè)與故障診斷等7個(gè)技術(shù)專(zhuān)題的智能制造教學(xué)案例庫(kù)，給出了典型案例的設(shè)計(jì)過(guò)程及主要內(nèi)容。教學(xué)理論及調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果說(shuō)明，智能制造案例得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，案例的覆蓋面能滿(mǎn)足專(zhuān)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(zhuān)業(yè)學(xué)位；智能制造；案例庫(kù)

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

一引言

專(zhuān)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(mǎn)足特定行業(yè)需求為培養(yǎng)特色【1】。而機(jī)械工程專(zhuān)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(dú)立從事工程規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、工程施行、工程研究、工程開(kāi)發(fā)或工程管理等專(zhuān)門(mén)技術(shù)工作的人才，其培養(yǎng)重心在于專(zhuān)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(guò)呈現(xiàn)案例的真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并學(xué)會(huì)分析和解決問(wèn)題，進(jìn)而掌握理論、形成觀點(diǎn)并進(jìn)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(lái)，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(qiáng)專(zhuān)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(jiàn)";〔教研[2022]1號(hào)文件〕中強(qiáng)調(diào)，加強(qiáng)案例教學(xué)，是強(qiáng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生理論才能培養(yǎng)，推進(jìn)教學(xué)改革，促進(jìn)教學(xué)與理論有機(jī)交融的重要途徑，也是推動(dòng)專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)形式改革的重要手段。近年來(lái)，案例教學(xué)已應(yīng)用于法學(xué)、管理學(xué)等人文社會(huì)科學(xué)教育【2】，并逐漸拓展的工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)[3,4]。楊滿(mǎn)平構(gòu)建了油藏動(dòng)態(tài)分析案例庫(kù)，并對(duì)案例教學(xué)的施行效果進(jìn)展了評(píng)價(jià)【5】；邵光芒構(gòu)建了?地基處理新技術(shù)?案例庫(kù)，討論了案例庫(kù)的建立思路【6】；李紅娟等以?食品新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)?課程為例，討論了農(nóng)學(xué)專(zhuān)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(guò)程智能多變量解耦控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，構(gòu)建了?智能控制?課程案例教學(xué)庫(kù)，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(shí)情境、注重理論與理論相結(jié)合的成體系的專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生課程案例庫(kù)還很匱乏。建立符合專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)要求的高質(zhì)量案例庫(kù)，實(shí)在提升專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生的理論才能是值得討論的重要問(wèn)題。

本文以機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生?智能制造?課程教學(xué)案例庫(kù)構(gòu)建及應(yīng)用為例，在分析課程特點(diǎn)及案例教學(xué)需求的根底上，討論?智能制造?教學(xué)案例庫(kù)建立的思路、架構(gòu)，并給出了典型案例的設(shè)計(jì)過(guò)程及其教學(xué)應(yīng)用效果。

二課程特點(diǎn)及案例教學(xué)需求分析

?智能制造?課程是機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士研究生的一門(mén)重要的特色專(zhuān)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(jī)床、智能零部件、智能機(jī)器人、智能消費(fèi)線、機(jī)器視覺(jué)與測(cè)量等)，旨在通過(guò)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(kāi)展動(dòng)向和典型工程應(yīng)用，拓展研究生的視野，培養(yǎng)其運(yùn)用智能技術(shù)解決消費(fèi)實(shí)際相關(guān)問(wèn)題的才能，為今后從事相關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用與開(kāi)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(kāi)展的現(xiàn)狀、前沿及開(kāi)展趨勢(shì)；2.理解和掌握支撐智能制造的人工智能根底知識(shí)；3.理解和掌握人工智能在機(jī)械設(shè)計(jì)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(mén)前沿理論與先進(jìn)技術(shù)嚴(yán)密結(jié)合的課程，為實(shí)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(shí)，如人工智能、大數(shù)據(jù)等，又要針對(duì)智能機(jī)床、智能機(jī)器人、智能消費(fèi)線、故障診斷與智能維護(hù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展講解和剖析。完善的課程案例庫(kù)是開(kāi)展案例教學(xué)的根本保證。?智能制造?課程教學(xué)案例庫(kù)將以大量貼近研究生將來(lái)工作實(shí)際的工程案例引導(dǎo)其主動(dòng)獲取專(zhuān)業(yè)知識(shí)，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(dòng)機(jī)制；智能制造作為不斷開(kāi)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(zhǎng)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(diǎn)也各不一樣。因此，在教學(xué)過(guò)程中只有結(jié)合實(shí)際，搜集、整理、提煉工程案例，并針對(duì)性地進(jìn)展剖析、講解，才能實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)目的；以案例為根底，通過(guò)呈現(xiàn)案例的真實(shí)工程情境，將理論與理論嚴(yán)密結(jié)合，引導(dǎo)研究生從案例中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并學(xué)會(huì)分析和解決問(wèn)題，進(jìn)而掌握理論、形成觀點(diǎn)、進(jìn)步理論才能。這種教學(xué)過(guò)程非常有利于研究生理論才能的培養(yǎng)，同時(shí)有助于研究生形成討論交流、團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)與解決問(wèn)題的才能，這正契合了新時(shí)期對(duì)實(shí)用型高級(jí)工程技術(shù)人才的實(shí)際需求。

因此，針對(duì)機(jī)械工程專(zhuān)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(kù)是非常必要的，它不僅有助于進(jìn)步該課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，還能通過(guò)課程的教學(xué)過(guò)程培養(yǎng)研究生分析與解決實(shí)際問(wèn)題的才能及自主獲取知識(shí)的才能，增強(qiáng)研究生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)及綜合素質(zhì)。綜上所述，?智能制造?教學(xué)案例庫(kù)建立勢(shì)在必行，該項(xiàng)教學(xué)改革工作具有良好的應(yīng)用前景和較大的實(shí)用價(jià)值。

三案例庫(kù)建立思路及典型案例介紹

〔一〕案例庫(kù)總體設(shè)計(jì)

智能制造是一種由智能機(jī)器和人類(lèi)專(zhuān)家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過(guò)程中能進(jìn)展分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等智能活動(dòng)。該系統(tǒng)通過(guò)人與智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和局部地取代人類(lèi)專(zhuān)家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)。它把制造自動(dòng)化的概念更新，并擴(kuò)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(jī)一體化、虛擬現(xiàn)實(shí)、自組織超柔性、自學(xué)習(xí)及自主維護(hù)等。其內(nèi)涵包括智能技術(shù)、測(cè)控裝置、制造裝備及運(yùn)作過(guò)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(jì)技術(shù)、系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)、故障診斷與安康維護(hù)技術(shù)、高可靠實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、識(shí)別技術(shù)等；測(cè)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(jī)構(gòu)等；制造裝備包括智能機(jī)床、自動(dòng)化物流成套設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人與專(zhuān)用機(jī)器人、制造消費(fèi)線等；運(yùn)作過(guò)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(zhuān)題兩個(gè)層次。根據(jù)智能制造的內(nèi)涵及特點(diǎn)擬定了7個(gè)技術(shù)專(zhuān)題，涵蓋了智能制造所涉及的智能技術(shù)、測(cè)控裝置、制造裝備及運(yùn)作過(guò)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(jī)床、智能機(jī)器人、智能消費(fèi)線、智能感知、智能檢測(cè)與故障診斷等關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)每個(gè)專(zhuān)題和關(guān)鍵技術(shù)搜集、整理并構(gòu)建工程案例。案例庫(kù)的總體框架如圖1所示。

〔二〕案例素材搜集

時(shí)效性與應(yīng)用性。?智能制造?案例素材挑選的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)案例素材應(yīng)來(lái)源于消費(fèi)建立、研究設(shè)計(jì)、經(jīng)營(yíng)管理等工作理論，具有較強(qiáng)的先進(jìn)性、創(chuàng)新性、是必須具備典型性、真實(shí)性、完好性、先進(jìn)性和可應(yīng)用性，必須注重智能制造關(guān)鍵技術(shù)的表達(dá)，并展現(xiàn)不同行業(yè)、不同企業(yè)在施行智能制造過(guò)程中的不同思路、不同特點(diǎn)及不同的實(shí)現(xiàn)手段。不同于傳統(tǒng)的案例庫(kù)，智能制造作為一種新興的開(kāi)展中的技術(shù)，僅通過(guò)文獻(xiàn)或書(shū)籍的閱讀很難獲得最有價(jià)值和最先進(jìn)的技術(shù)資料，還需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或消費(fèi)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(guò)多方的共同努力力爭(zhēng)滿(mǎn)足典型性、真實(shí)性、完好性、先進(jìn)性及可應(yīng)用性的要求。

以智能機(jī)床為例，該技術(shù)專(zhuān)題搜集了馬扎克〔MAZAK〕、德瑪吉、沈陽(yáng)機(jī)床、華中數(shù)控等國(guó)內(nèi)外知名機(jī)床企業(yè)的智能機(jī)床成功案例，并從文字、圖片、視頻等角度描繪智能機(jī)床的功能、特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)，較完好且真實(shí)地展示了國(guó)內(nèi)外智能機(jī)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(jì)過(guò)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(duì)的教學(xué)目的、課程知識(shí)點(diǎn)及分析該案例所需的相關(guān)理論知識(shí)，包括案例所涉及的根本概念、關(guān)鍵技術(shù)及知識(shí)點(diǎn)、案例主要內(nèi)容及其解決方案等。摘要不僅可以為教師開(kāi)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(kù)中選擇適宜的案例進(jìn)展自學(xué)。

數(shù)字孿生技術(shù)專(zhuān)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(yùn)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(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程[9]。本案例介紹了數(shù)字孿生的開(kāi)展和技術(shù)原理，并列舉了數(shù)字孿生技術(shù)的兩個(gè)典型應(yīng)用：云上港航和火車(chē)HVAC系統(tǒng)仿真測(cè)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(shí)點(diǎn)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(guò)簡(jiǎn)單描繪案例內(nèi)容或相關(guān)背景，吸引讀者對(duì)本案例產(chǎn)生興趣，對(duì)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(shí)體的物理模型和虛擬的數(shù)字模型兩局部，二者通過(guò)通訊和感知嚴(yán)密地結(jié)合在一起，形成一一映射的關(guān)系。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)可以在信息化平臺(tái)上理解物理實(shí)體的狀態(tài)，并對(duì)物理實(shí)體里面預(yù)定義的接口元件進(jìn)展控制。

3.課程知識(shí)點(diǎn)。介紹了案例所涉及的課程知識(shí)點(diǎn)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(zhuān)題中給出了數(shù)字孿生的概念、開(kāi)展過(guò)程、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域等關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，詳細(xì)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(jì)、虛擬樣機(jī)、車(chē)間快速設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、消費(fèi)物流精準(zhǔn)配送、車(chē)間裝備智能控制、車(chē)間人機(jī)交互、產(chǎn)品測(cè)試及檢驗(yàn)、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(cè)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(shí)，做出評(píng)價(jià)，并提出詳細(xì)的解決問(wèn)題的方法或意見(jiàn)。案例分析不僅能考察學(xué)生理解、運(yùn)用知識(shí)的才能，更重要的是它還能考察學(xué)生綜合、分析、評(píng)價(jià)的才能。在數(shù)字孿生技術(shù)專(zhuān)題中給出了云上港航和火車(chē)HVAC系統(tǒng)仿真測(cè)試兩個(gè)典型的綜合案例，從工程背景、方案分析、總體設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面介紹了案例施行過(guò)程及效果，要求學(xué)生通過(guò)這兩個(gè)實(shí)際案例分析數(shù)字孿生技術(shù)施行的難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，評(píng)價(jià)施行方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出改良建議。

5.視頻及圖片資料。通過(guò)視頻及圖片資料可以生動(dòng)而形象地展示案例的施行過(guò)程及應(yīng)用效果，可以很好地彌補(bǔ)文字資料的單調(diào)及缺乏。數(shù)字孿生技術(shù)專(zhuān)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(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、汽車(chē)、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(diǎn)、決定方案的影響因素，施行過(guò)程中的難點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵，并客觀評(píng)價(jià)其施行效果。在總結(jié)中應(yīng)給出值得考慮的問(wèn)題，以方便學(xué)生討論交流。如，基于數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)展港口智能效勞的優(yōu)點(diǎn)？基于數(shù)字孿生的虛擬測(cè)試系統(tǒng)的難點(diǎn)？數(shù)字孿生系統(tǒng)建模的關(guān)鍵問(wèn)題？?jī)蓚€(gè)案例在特點(diǎn)上有何不同？

四案例庫(kù)應(yīng)用

本文構(gòu)建的?智能制造?教學(xué)案例庫(kù)已在我校機(jī)械工程專(zhuān)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(kāi)展及教學(xué)效果調(diào)查問(wèn)卷情況進(jìn)展了動(dòng)態(tài)擴(kuò)大、改良和完善。通過(guò)視頻展示和綜合案例分析，有助于強(qiáng)化和深化理解課程中的重要知識(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題，再通過(guò)討論進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)步學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立考慮的才能；為進(jìn)步學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，教師在課程教學(xué)過(guò)程中又通過(guò)布置大作業(yè)的形式要求學(xué)生搜集案例素材，并以團(tuán)隊(duì)形式在課上進(jìn)展匯報(bào)。學(xué)生搜集的案例經(jīng)整理完善后再補(bǔ)充進(jìn)案例庫(kù)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大和完善了案例庫(kù)。

調(diào)查問(wèn)卷說(shuō)明，?智能制造?案例教學(xué)的施行效果較為明顯，學(xué)生滿(mǎn)意度較高，主要統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：(1)案例學(xué)習(xí)可以很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；(2)案例覆蓋面較廣，能滿(mǎn)足機(jī)械工程專(zhuān)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(qiáng)；(4)建議加強(qiáng)案例教學(xué)中的師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，進(jìn)步學(xué)生分析和解決問(wèn)題的才能。

五完畢語(yǔ)

?智能制造?是一門(mén)前沿理論與先進(jìn)技術(shù)嚴(yán)密結(jié)合的機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生課程，為實(shí)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(shí)，又要講解和剖析智能感知、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的理論應(yīng)用。為此，開(kāi)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(jī)床、智能機(jī)器人、智能消費(fèi)線、智能感知、智能檢測(cè)與故障診斷等7個(gè)技術(shù)專(zhuān)題的?智能制造?教學(xué)案例庫(kù)，通過(guò)視頻、圖片及文字等形式呈現(xiàn)案例的真實(shí)工程情境，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并學(xué)會(huì)分析和解決問(wèn)題，進(jìn)而掌握理論、形成觀點(diǎn)并進(jìn)步理論才能。教學(xué)理論及調(diào)查問(wèn)卷說(shuō)明，?智能制造?案例教學(xué)得到了研究生的普遍認(rèn)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(mǎn)足機(jī)械工程專(zhuān)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(xiàn)