摘要：随着数字孪生技术的不断发展，其在教育教学领域也有了不少的运用案例。为了适应轮机工程专业在新工科建设背景下的人才培养理念，将前沿的科技引入教学改革，进行基于数字孪生技术的轮机故障诊断课程教学改革探索。轮机故障诊断课程涉及的理论复杂且抽象，往往难以达到良好的教学效果。而融入数字孪生技术对该课程进行教学改革，可以有效深化学生对课程的认知及其对专业知识点的理解。课程教学改革中，对涉及的关键轮机设备进行数字孪生平台建设，以五大类常见轮机设备故障进行仿真建模，并融合机理进行分析，以实现三维直观展示，降低学生对课程的理解难度。该课程改革符合轮机工程专业的人才培养理念，可为该专业工程实践教学改革提供一种新的思路。

　　关键词：数字孪生技术；轮机工程；轮机故障诊断；教学改革

　　轮机故障诊断是轮机工程专业的一门重要课程，旨在让学生掌握轮机故障的基本原理、诊断方法和技术，了解常见的轮机设备故障类型和原因，并学会如何进行故障检测、分析和排除。轮机故障诊断课程对学生的实践能力和故障诊断能力有很高的要求。然而，传统的教学方法以理论讲授为主，导致课程教学存在学生参与度和自主性不高、对故障情形认识不足、实际应用能力欠缺等问题，难以满足学生的学习需求，也难以实现高校的教学目标。

　　数字孪生技术是一种充分利用物理模型、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，反映相对应的实体装备的全生命周期过程的技术。数字孪生平台是一种基于虚拟仿真技术的平台，能够将物理系统或设备运行过程进行数字化、模拟化和可视化，并实现对系统或过程的精细分析和控制。目前，已经有一些学者对数字孪生技术在教育教学中的应用进行了探索。学者王立岩等探索了数字孪生技术对材料成形技术课程的促进作用[1]；学者常广晖等结合数字孪生技术对舰船动力控制原理与技术课程教学进行了改革[2]；学者张天驰等提出了基于数字孪生技术的智慧虚拟现实与元宇宙课程教学改革探索[3]。数字孪生技术在这些课程中的应用都取得了良好的效果。而针对轮机故障诊断课程中轮机设备结构复杂、故障类型繁多、可操纵性变量差异性大的特点，将数字孪生技术引入该课程，以增强学生对故障场景的认知度，提高学生的实践能力和故障诊断能力。因此，本文旨在通过对数字孪生平台的建设实践探索，提高轮机故障诊断课程的教学效果和教学质量，培养学生的实践能力和故障诊断能力，推进类似专业课程教学的改革和创新。

　　一、轮机故障诊断课程教学现状

　　（一）学生的参与度不高、自主性不强

　　轮机故障诊断是一门重要的轮机工程专业课程，旨在培养学生掌握轮机故障诊断的基本知识和技能。然而，在实际教学过程中，学生的参与度不高、自主性不强，严重影响了课程的教学效果。该课程的教学内容过于枯燥和抽象，相关理论多且烦琐，缺乏与实践的联系，导致学生对课程的学习兴趣不高。同时，部分教师教学方法单一，缺乏多样性，难以引起学生的兴趣和注意力。这些因素导致学生在课堂上缺乏主动性和参与度，对课程内容的理解和掌握程度不高。另外，学生的知识储备和经验不足，也是影响其参与度和自主性的原因之一。由于课程内容涉及较多的专业知识和技能，对于缺乏相关背景知识的学生来说，难以自主地理解和掌握课程内容。这导致学生在课程学习中的参与度和自主性进一步降低。课程考核方式单一也是影响学生参与度和自主性的一个因素。轮机故障诊断课程采取传统的笔试方式对学生进行考核，导致学生过于注重对知识的记忆，而忽略了实际应用能力的提高。这种考核方式也会导致学生在学习过程中缺乏主动性和参与度，因为他们认为只要死记硬背就能通过考试，无须积极参与课堂讨论和实践活动。

　　（二）教学内容中实际应用的导向体现不明显

　　轮机故障诊断课程理论知识较多，且比较抽象，因此，在实践教学中，应该更加注重实装应用导向，让学生更加深入地了解轮机设备的实际运行状态和故障诊断方法。目前，虽然一些现代化的轮机设备，例如柴油机、发电机等，已经开始采用先进的故障诊断技术，但是这些技术的应用仍然不够普遍。此外，虽然高校开设了相关的实践课程，但是由于轮机设备的价格昂贵，数量有限，无法为学生提供足够的实践教学设备，这也会影响到实践教学的效果和质量。轮机故障诊断课程教学没有与实际装备的应用关联起来，这与当前实践教学的要求还存在一定的差距。

　　（三）教学难以直接利用实装样机开展

　　在轮机故障诊断课程教学中，对实装样机的利用存在一些挑战和难点。首先，实装样机需要定期维护和保养，以确保其正常运行，管理难度较高。同时，由于实装样机的价格昂贵，数量有限，需要严格管理，难以确保每个学生都有机会使用实装样机进行实践操作，且有足够数量的教师和实验人员来为学生提供指导。同时，教师和实验人员需要具备足够的专业知识和技能，以确保学生能够正确地掌握实装样机的操作方法。基于上述问题，轮机故障诊断课程难以直接利用实装样机开展教学。

　　二、数字孪生技术的内涵和教学特点

　　（一）数字孪生技术的内涵

　　数字孪生技术是一种将物理世界与虚拟世界相结合，通过数学和物理建模手段实现现实世界物理实体和过程的数字化，并通过数字孪生模型进行仿真、监测、控制和优化的一种新型技术[4-5]。可以说，数字孪生技术是一种基于数字化技术，将物理世界与虚拟世界相结合的新型技术。它通过对物理实体进行数字化建模，创造出与之相对应的虚拟实体，从而实现物理世界与虚拟世界的无缝连接。数字孪生技术利用数学和物理建模手段，将现实世界中的物理实体和过程数字化，构建出完全相同的数字化模型，从而实现对物理实体的仿真、监测、控制和优化。数字孪生模型是物理实体和现象的数值化表示，能够精细化地描述物理系统中各个部分的功能和性能等信息，从而对物理系统进行仿真和优化。

　　（二）数字孪生技术在教学方面的特点

　　数字孪生技术在教育领域具有广泛的应用前景，可以为学生提供更加智能化、个性化和探究式的学习体验，同时也能够帮助教师更好地了解学生的学习状态和需求，提高教学质量和效果。它的特点主要有六个方面：第一，可以实时采集和更新数据，能够及时反映学生的学习状态和效果，从而帮助教师实时调整教学策略，实现个性化教学；第二，可以将复杂的学习内容以图形化界面展现，帮助学生更好地理解和掌握知识；第三，可以模拟实验、游戏等场景，让学生在虚拟环境中进行实践操作；第四，可以为学生提供一种交互式的探究环境，让学生在虚拟世界中自主探索、实验和创新，培养他们自主学习和解决问题的能力；第五，可以通过大数据分析学生的学习行为和成果，对学生的学习状态进行精准评估和反馈，帮助学生及时发现自己的问题并加以改进；第六，可以应用于多个学科领域，例如机械、电气、材料等，为学生提供更加丰富、多样化的学习体验。

　　三、数字孪生技术在轮机故障诊断课程教学中的应用

　　在轮机故障诊断课程设计中，教师可以利用数字孪生技术，针对轮机设备转子不平衡、转子不对中、转子松动、轴承故障、齿轮故障[6-7]五大常见的设备故障进行数字孪生平台搭建，建立不同故障的展示模型，直观演示这五大常见故障的特征。通过对轮机设备进行数字孪生平台搭建，建立实体对象的虚拟模型，引导学生在课堂上建立起设备实体发生故障时的印象，加强学生在学习故障机理时对相关知识的理解，提升课堂教学效果。在此基础上，融合先进的机器学习、深度学习等理论，采用人工智能模块分析、评估和预测设备的状态，以支持设备的使用、操作和控制等方面的决策。同时，可以将设备的机械原理融入数字孪生模型，对设备的运作模式进行直观分析，从而有效解决理论知识难以理解的问题。

　　数字孪生技术还可以实现对轮机设备部件的拆解，细化各个部件的功能，对轮机设备每个部件发生故障时所产生的影响以及与其他部件的关联性进行有效展示，将轮机故障诊断这门较为抽象的课程用直观的方式进行呈现。这能够为学生在有限的课堂时间内掌握相关的故障知识点提供更加直接的方法，加深学生对常见轮机设备故障的第一印象。

　　四、基于数字孪生平台的教学方案

　　基于数字孪生平台的教学方案是一种利用数字孪生技术创造出的高度模拟实际环境的虚拟教学环境。这种教学方案能让学生以更直观、更生动、更具体的方式学习知识和技能，从而提高学习效果。

　　以下是基于数字孪生平台的教学方案。首先，需要创建与实际环境相对应的数字孪生模型。这包括对实际环境的详细扫描、测量和数据收集，然后在虚拟环境中创建出与实际环境完全一致的数字孪生模型。在数字孪生模型中，需要模拟出实际环境中的各种条件和情况，如天气、时间、光照、声音、物体状态等。这些模拟需要尽可能地接近实际，以便给学生带来更真实的沉浸式学习体验。

　　基于数字孪生技术的轮机故障诊断课程实践教学，可以由课程原理、虚拟操作、故障特征表征、验证实验、评价总结五个环节组成。在课程原理部分，学生通过数字孪生平台，对轮机设备的结构组成、运行原理进行了解学习。数字孪生平台上应配有文字、3D模型、模型动画等，为学生快速了解设备装置打下基础。在虚拟操作部分，学生可以利用数字孪生平台对虚拟轮机设备进行操作，同时，对应的轮机设备也进行同步动作，可以让学生快速地建立对设备的认知，确定各个部分的功能，进一步加深对设备运动机理的理解。在故障特征表征部分，可以通过数字孪生平台展示各个轮机设备不同故障对应的特征，如温度升高、压力不稳定、振动量增大等，可以使学生快速直观地了解轮机设备在出现故障时有什么特征。在验证实验部分，在实物上预设一些故障，如轴承外圈故障，通过实物信号采集和机理生成的信号进行比对，对平台模型进行验证，可增强学生对实物的感知，使其加深理解。在评价总结部分，在学生体验多种环境条件下的数字孪生故障振动平台后，教师对学生的操作、理解进行打分评价。这可反馈每个教学环节中存在的不足之处，并促使教师加以改进，为后续教学的开展奠定基础。

　　综上所述，数字孪生技术在轮机故障诊断教学领域的运用，可以实现设备的三维展示，降低学生对课程的理解难度。轮机故障诊断课程建设符合轮机工程专业的培养理念，为该专业工程实践教学改革提供了一种新的思路。本文以数字孪生平台为基础，采用新的教学方法，对轮机设备出现故障的机理以及现象表征进行直观表达，能够提高学生的理解能力及学习积极性，大幅提升课程教学效果，有效满足新工科教育背景下对于具有较强的创新能力与实践能力的人才的培养需求，提高轮机故障诊断课程教学质量。尽管本文中展示了数字孪生平台在轮机故障诊断课程中的潜在应用优势，但是研究样本较少，并且缺乏长期的追踪研究。未来的研究可以进一步扩大研究范围，并跟踪评估学生在实际工作环境中的表现，以验证数字孪生平台在轮机故障诊断教学中的长期效果。

　　参考文献：

　　[1]王立岩,夏建生,董小飞,等.浅谈数字孪生技术对材料成形技术课程的促进作用[J].科技风,2023(6):122-124.

　　[2]常广晖,郭朝有,刘永葆.数字孪生在“舰船动力控制原理与技术”实践教学改革中的应用[J].海军工程大学学报(综合版),2020(2):29-32.

　　[3]张天驰,曹建秋.基于数字孪生技术的“智慧虚拟现实与元宇宙”课程教学改革探索[J].黑龙江工程学院学报,2023(2):73-77.

　　[4]陶飞,张辰源,张贺,等.未来装备探索:数字孪生装备[J].计算机集成制造系统,2022(1):1-16.

　　[5]徐朋月,刘攀,郑肖飞.数字孪生在制造业中的应用研究综述[J].现代制造工程,2023(2):128-136.

　　[6]晏阳.船舶轮机设备故障处理分析[J].船舶物资与市场,2023(5):88-90.

　　[7]陈峰,闫城,杨强.船舶轮机主要设备故障现象分析及处理研究[J].内燃机与配件,2020(6):134-135.