刘树勇 柴凯 杨庆超 李婧 张帅

［摘 要］为了进一步提高机械设备监测诊断课程教学效果，增强学生岗位任职能力、创新实践能力和团队协作能力，文章探讨了如何构建虚实结合分层递进的实践教学新模式。课程组设计了虚拟沉浸体验、实装操作实践、实船岗位训练、多科目综合演练的四步进阶式实训模式；深度融合信息技术，依托一个基础实验平台建设和两个能力提高平台建设，突破传统实验教学的时空局限，有效地完成了基础实验、实装实训和岗位实践以及以岗位能力为导向的实战化教学，增强了学生的实战本领，以期为提升舰艇装备监测专业复合型人才培养质量提供科学指导。

［关键词］虚实结合；信息技术；实战化教学；机械设备监测诊断

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）20-0069-04

实验教学是学生将理论知识转化为动手能力及创新能力的关键环节，在人才培养中起着举足轻重的作用。然而，传统的实验教学课程还存在一些问题，如课前学生对实验的预习质量不高、实际仪器台套数不够等；又比如由于机械设备具有复杂性以及实战训练具有综合性，实验室现有设备难以开展案例复盘，导致教学目标与任职岗位的需求脱节等。随着信息技术的发展，在机械设备监测诊断课程中采用虚拟与现实相结合的教学模式，可以有效地解决传统实践教学中存在的部分相关问题。钟志贤等采用虚实结合的方法，研究了机械工程控制基础课程的教学改革，将电子技术课程、控制理论和仿真软件有机结合，增强了学生对数学模型、系统分析方法和稳定性理论的感官认识[1]。梁军等的研究表明，采用虚实结合的方法可使学生感受到理论和工程实际的紧密联系，理论的“虚”和工程现实机械设备的“实”是一致的；学生表现出极大的兴趣，能够积极主动地学习和思考，这反过来又促进了教学，形成了良性循环，实现了教学效果正反馈[2]。张丹等研究了船舶海洋工程专业的模拟训练问题，通过航海模拟器显著改善了航海专业的教学条件，提升了教学效果[3]。朱乾坤等研究了“真实+仿真”实验场景的同步推进方法，构建了“虚实结合，虚中有实、实中有虚”的实践教学体系，学生在虚拟和真实的操作环境中锻炼和提升了实际动手能力[4]。

在机械设备监测诊断课程教学中，课程组制订了虚实结合的训练大纲、实施方案、考核办法，开展了虚拟训练教学，同时依托配套的优质慕课课程，采取线上线下相结合以及以翻转课堂和开放性实验室为补充的学习方式，取得了一定的效果。但要形成虚实结合、分层递进的完整的实践教学体系，还需对相关问题开展深入研究，以虚实结合为手段，以提升综合监测能力为核心，培养出大批高素质、专业化的新型监测诊断人才。

一、监测诊断虚实结合、分层递进实验教学环境的构建

课程组以培养学生监测诊断实战能力为牵引，深入地分析了机械设备监测诊断课程体系（面向轮机工程、能源与动力工程两个专业）中虚拟实验、半实物模拟器实验、实装实验之间的区别与联系，厘清了相同专业不同层次实验之间的相互关系，明确了各类实验的教学目标以及实验之间的分层递进关系，完成了一个基础实验平台建设和两个能力提高平台建设。虚实结合、分层递进教学模式研究框架如图1所示。针对不同层次的实验教学目的，有效利用虚拟实验、半实物模拟器实验、实装实验等各种实验手段，实现多类实验平台的综合运用。

（一）虚拟沉浸式环境的建设

虚实结合的实验模式中，“虚”是手段，“实”是目的，虚实结合、优势互补。虚实结合并不是简单的虚实相加，而是一种优化整合的结果。虚拟实验可以弥补实验设备、场地不足的问题，并为实验预习、复习和考试提供很好的条件[5-6]。学生在掌握理论知识的前提下，可以从虚拟实验中观察熟悉实验设备和仪器，通过虚拟实验操作了解设备功能和工作原理，通过适应性训练初步形成认知技能和操作要领，让每个学生都有独立思考和操作的机会[7-9]。机械设备监测诊断课程建设了轴承等设备故障监测诊断VR平台，克服了传统实验中台套数严重偏少、精密仪器设备昂贵易损的不足。虚实结合训练模式拓展既可以在校训练，也可以通过网络实现远程训练（见图2），为学生毕业入职后的远程学习提供了新途径。

（二）基础实验平台的建设

在设计这一类实验平台的过程中，课程组统筹考虑学生四年学习期间的所有基础实验，着重构造以课程实验为单元、以系列课程设计实验为模块、以学科方向为系统的实践教学体系，形成了由易到难、由基础到综合，将课程基本理论贯穿渗透到各实践环节之中的分模块、成系统的实验群。同时，开展个性化的实验平台建设，这一类实验平台主要辅助学生完成毕业设计、学科竞赛以及综合设计性实验和创新性实验。目前实验室的仪器配置大都是一个实验多个台套，尚未考虑到学生的个性化培养，以及课外的研究、创新或者学生对实验的兴趣爱好。因此，有必要开展个性化基础实验平台建设。

（三）实装实训平台的建设

目前监测实验室虽然或多或少已经具备了一些实装和半实物模拟器，但还未系统归类整理好，实验课程还存在一定的随意性，需要厘清虚拟实验、半实物模拟器实验、实装实验之间的相互关系，全面分析实验室现有的实验教学条件，按虚拟实验、半实物模拟器实验、实装实验进行分类，归纳总结各种实验的教学目的和教学效果，进而分析各种类型实验之间的相互关系，同时探究同专业不同层次实验的相互递进关系。以机电指挥专业为例，全面分析学生在校期间所开设的各种实验，弄清其教学目的和教学效果，进而分析不同层次实验之间的相互递进关系。同时，需要针对不同的实验目的，开展各类实验手段的融合应用研究。虚拟实验、半实物模拟器实验、实装实验之间各有优缺点，需要針对不同的实验目的研究优化各类实验手段的融合应用方法。

二、虚实结合、分层递进实验教学实践

（一）体验监测诊断虚拟工作环境

在机械设备监测诊断课程建设中，课程组开发了基于虚拟现实的机械设备状态监测故障诊断平台，为学生开展专业学习提供了重要手段。轴承等设备故障监测诊断VR平台主要包括认知模块、训练模块、考核模块，不同班次的学生在实际操作体验后，一致认为这种教学模式能够提高学生的学习兴趣、学习积极性和学习效率。特别是其中的训练模块和考核模块给学生留下了深刻的印象，监测诊断流程和实际工作完全接轨同步，为学生实际开展设备操作奠定了良好的基础。

（二）基础实验群夯实分层递进实验教学基础

为了夯实分层递进实验教学的基础，课程组加强了模块化、系统化基础实验建设。在设计这一类实验过程时，考虑到学历与任职教育融合培养模式的特点，统筹兼顾了学生四年学习期间的所有基础实验，包括转子故障模拟实验、振动系统固有频率測试等，使学生真正掌握工程技术的系统思维，同时开展了个性化创新性实验模式研究。学生除了有必修实验课程，还应该有普及层次的选修实验课程；除了有课堂上的学习，还应该有课外的创新研究，如根据自己的兴趣爱好开展科学探索等。

（三）构建虚实结合的多层次、综合性训练模式

现有的实践教学条件主要包括船舶实装设备、科研样机、模拟故障台、虚拟训练设备，目前各种设备各自独立运行。因此，通过统筹规划，将相关实践教学条件进行了整合，设计为统一的综合实践监测诊断教学网络，将实装设备、科研样机、硬件模拟故障台、虚拟训练设备通过网络连接起来，实现设备的单机监测、机组监测、系统检测以及整船监测。同时，在综合实践监测诊断教学网络中增加故障数据库，用于根据不同训练目的、设置不同训练设备之间的组合方式，产生不同的训练环境，并进行训练科目给定和训练效果评估。对于具备实装设备、科研样机、硬件模拟故障台、虚拟训练设备等多种实践条件的实验，根据不同训练目的，通过综合实践监测诊断教学网络灵活选择何种设备以何种方式接入训练系统，从而产生不同的训练环境。对于既无实装设备和科研样机又无硬件模拟器的实验则多采用虚拟现实技术，通过虚拟训练快速补齐学生的学习短板。

通过统筹规划，促进硬件建设和软件建设协调发展，促进学生同步提高开展设备监测诊断与状态评估的能力，使实践教学具备多角色协同训练条件，从而改善监测与评估没有深度融合的状况，为实验室开展现场监测、实验室监测、跟踪监测以及设备级、分系统级、系统级的多层次监测诊断、健康评估等综合训练提供条件。

（四）取得的成效与存在的问题

课程组以机械设备监测诊断课程为例，将上述研究成果应用于实践教学中，受到学生的一致好评，并期待将开发的故障诊断虚拟现实教学系统配发到基层单位，供任职岗位训练使用。部分本科学生基于实验创新平台获得了多项竞赛大奖，包括国家级一等奖、三等奖各1项，省级一等奖2项、二等奖1项、三等奖1项，这极大提高了学生的学习积极性和增强了其学习自信心。

然而，在教学中也存在一些问题。当前，实训部分仍需要加强岗位实践平台的建设。岗位实践的主要平台是学生在毕业实习阶段在退役的某型舰船上完成的。在该退役船上，虽然教师可以严格按照教学大纲实施现场教学，引导学生完成岗位实践，但是由于该船部分设备落后于任职岗位所用的设备，有些主动力设备甚至是接近淘汰的设备，很多设备已经不能运转，学生不能完完全全体会到岗位对个人能力素质的要求，可能导致学生对岗位和专业的认同度不高。而在毕业实习阶段的岗位实践，其主要优势在于设备都是无故障、能运转的甚至是一流的；其不足之处是相关师资少，没有足够的教师和时间手把手地教学生。因此，需要通过建设岸基机舱等手段，将动力类专业的岗位实践进行统筹考虑和优化设计，使其有利于开展机械设备监测诊断实战化岗位训练[10]。

三、结语

本次教学改革通过改革实验教学模式、拓宽实验教学范围、丰富实验教学内容，极大地提升了实验教学效果。但仍需要改进以下工作：（1）进一步完善虚实结合、分层递进实践教学模式。基于虚拟现实技术的机电设备故障诊断训练系统不仅可以在校训练，也可以通过网络实现远程训练，为学生毕业后的远程学习提供新途径，并依托智慧校园网搭建实验教学管理平台。（2）教学平台的升级和推广。在教学改革中只尝试了虚拟现实轴承故障、振动烈度测试的实验教学，但教学内容可以扩展到故障诊断其他训练科目中，如轴系的对中、油液分析仪器的操作等。利用网络技术，可以将虚拟现实用于远程教学，实现多机组联合训练、舱室漫游等功能；也可以进一步设计增强型虚拟现实系统、大数据虚拟现实系统，精确地掌握学生在学习过程中遇到的难点和常见错误等，有针对性地改进教学，提升教学效果。

总之，虚实结合、分层递进的实践教学体系的实施将有助于进一步促进学生自主学习、合作学习、研究性学习的有效开展，切实提高学生的实践能力和综合能力。课程组虽然已经对虚实结合的教学方法进行了初步探索，但是还需要进一步搭建开放式实验教学管理平台，循序渐进地开展各个阶段的虚实结合实验教学；建立多元化的实验教学评价体系，实现对学生客观、全面、开放和科学的评价，以此保障新实验教学体系下的教学工作正常、有效开展。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 钟志贤，杨桂华.虚实结合的《机械工程控制基础》课堂教学改革与实践[J].科技创新导报，2015，12（9）：97-98.

[2］ 梁军，梁福沛.“虚实结合，能虚不实，能实不虚”的化学工程与工艺实践教学改革与实践：化工类专业实践教学改革系列研究之二[J].高教论坛，2016（8）：15-17.

[3］ 张丹，范晓飚，游泳涛.航海模拟器虚实结合混合教学模式的构建[J].航海教育研究，2011，28（2）：69-71.

[4］ 朱乾坤，李超，崔晓曦.基于虚拟实验系统的教学模式[J].实验室研究与探索，2008（6）：84-86.

[5］ 许惠艳，陆阳清.虚实结合的动物繁殖实践教学方法改革研究[J].实验科学与技术，2022，20（5）：89-94.

[6］ 谢爱娟，刘文杰，孔泳，等.新工科视域下虚实结合的物理化学实验教学改革探索[J].化工高等教育，2022，39（4）：68-73.

[7］ 房朝晖，于赫阳，李祺，等.资源共享的智能制造虚拟实验教学平台建设[J].实验技术与管理，2017，34（4）：118-121.

[8］ 黄建明，杜超，赖天华.虚实结合的数控技术实验教学平台设计与应用[J].实验技术与管理，2016，33（7）：136-139.

[9］ 蔡晓磊，朱孝勇，徐磊，等.新常态下“虚实结合”开展实验教学的探索[J].中国教育信息化，2022，28（8）：110-115.

[10］ 高跃峰，张均东，赵俊豪，等.虚实结合船舶柴油机拆装实验教学实践[J].航海教育研究，2021，38（4）：54-59.

［责任编辑：庞丹丹］