智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建
——基于“三維教評、思專融合”模式

孫平平 李龍剛 王桂杰

（濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊 262700）

0 引言

當(dāng)前，我國制造業(yè)正處于由“制造”向“智造”轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，地方經(jīng)濟(jì)對智能制造人才的需求日益強(qiáng)烈，智能制造人才的短缺使得招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，而高校要想培養(yǎng)能適應(yīng)地方發(fā)展需要的智能制造人才，就需要瞄準(zhǔn)科技前沿，不斷創(chuàng)新、擴(kuò)大實驗設(shè)備，建立與企業(yè)發(fā)展相匹配的實驗室，這樣勢必加大教育投資。

針對此問題，教育部印發(fā)了關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目認(rèn)定工作的通知，要求積極投身信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的教學(xué)改革，針對實物實驗安全性差、難以實現(xiàn)、成本高昂、時空限制等方面原因不便開展的實驗教學(xué)任務(wù)，開展虛擬仿真實驗教學(xué)的研究。

虛擬仿真實驗是參考真實實驗的操作平臺，利用各種VR技術(shù)制作與真實實驗相同的操作場景，在計算機(jī)上實現(xiàn)操作。學(xué)生操作時完全按照真實的實驗操作規(guī)范進(jìn)行，只不過從真實場景換成了虛擬現(xiàn)實場景。相較于傳統(tǒng)的實驗，虛擬仿真實驗的沉浸式、交互式體驗更能激發(fā)學(xué)生的感官，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

鑒于該優(yōu)勢，高校中各類虛擬仿真實驗教學(xué)中心應(yīng)運(yùn)而生，筆者所在學(xué)校也建設(shè)了不少虛擬仿真實驗平臺。但是因智能制造是新興學(xué)科，與之相關(guān)的虛擬仿真實驗較少，且現(xiàn)有的少數(shù)幾個虛擬仿真實驗教學(xué)效果差，究其原因，是沒有一個科學(xué)、有序、合理的虛擬仿真實驗教學(xué)體系規(guī)劃、指導(dǎo)，虛擬仿真實驗教學(xué)雜亂無章。本論文將按照專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、學(xué)生認(rèn)知規(guī)律構(gòu)建一個循序漸進(jìn)的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，旨在指導(dǎo)智能制造學(xué)科需建設(shè)哪些虛擬仿真實驗室，專業(yè)課程需按照什么順序進(jìn)行虛擬實驗教學(xué)，專業(yè)課教師怎樣進(jìn)行虛擬仿真實驗教學(xué)，才能實現(xiàn)實驗教學(xué)目標(biāo)，達(dá)成良好的教學(xué)效果。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)存在的問題

（1）沒有建立一個基礎(chǔ)先行、能力后進(jìn)的智能制造虛擬仿真實驗體系，也沒有將企業(yè)需求及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維納入該體系中，實驗內(nèi)容與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不對接，從而培養(yǎng)出的智能制造人才與社會需求的人才相脫節(jié)。

（2）應(yīng)用型本科院校學(xué)生普遍存在政治認(rèn)同、文化自信、社會責(zé)任等觀念淡薄問題。同時，教師授課時沒有牢固樹立專業(yè)實驗與價值引領(lǐng)同頻共振的教學(xué)理念，實驗教學(xué)中注重育“才”重“器”，少有考慮育“人”育“德”。

（3）過程管理及評價反饋機(jī)制不夠健全，在現(xiàn)有的智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)中，沒有制訂教師主導(dǎo)，學(xué)校、企業(yè)參與的三維評價機(jī)制，過程管理及考核評價形式單一，僅僅是任課教師進(jìn)行終結(jié)性評價，不能很好地反饋學(xué)生是否掌握了該專業(yè)所需的技能、是否能實現(xiàn)畢業(yè)即就業(yè)的無縫對接。

因此，基于“三維教評、思專融合”的模式，構(gòu)建智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)體系具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2 智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)

2.1 構(gòu)建三維的智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)體系

在構(gòu)建該體系時，針對當(dāng)前教學(xué)體系存在的問題，始終將企業(yè)需求和創(chuàng)新思維導(dǎo)入其中，實現(xiàn)課程設(shè)置與產(chǎn)業(yè)需求、課程內(nèi)容與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、實驗過程與生產(chǎn)過程的無縫對接。并在實驗的實施過程中打破原先的任課教師終結(jié)性評價，建立教師主導(dǎo)、學(xué)校、企業(yè)參與的三維形成性評價機(jī)制，加快智能制造技能型人才的培養(yǎng)。

按照應(yīng)用型本科院校高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)企業(yè)崗位需求，秉承理論知識結(jié)構(gòu)、實踐操作水平、項目運(yùn)作能力的循序原則，智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)體系主要包括基礎(chǔ)型、綜合型實驗和應(yīng)用創(chuàng)新型實驗三個維度，從而進(jìn)行三維實驗教學(xué)。

在基礎(chǔ)型實驗中，利用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)原理的直觀呈現(xiàn)，提高智能制造專業(yè)課程的直觀性和可視化，加深學(xué)生理解；在綜合型實驗中，依據(jù)來自企業(yè)的生產(chǎn)線，借助企業(yè)真實的工作崗位構(gòu)建各類仿真平臺，進(jìn)行虛實結(jié)合、高還原性的實驗項目；在設(shè)計創(chuàng)新型實驗中，學(xué)校與各企業(yè)協(xié)同，開發(fā)動手能力強(qiáng)、學(xué)科交叉融合度高的工程項目和創(chuàng)新比賽，使學(xué)生獲得良好的工程訓(xùn)練，能夠勝任智能制造系統(tǒng)分析、調(diào)試、運(yùn)維和操作，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的契機(jī)。從基礎(chǔ)型到綜合型再到應(yīng)用創(chuàng)新型，培養(yǎng)目標(biāo)呈三維推進(jìn)實現(xiàn)，循序推動智能制造技能教育融入人才培養(yǎng)的全過程。

2.1.1 第一維度

第一維度屬于基礎(chǔ)型實驗，涵蓋工程圖學(xué)、力學(xué)、機(jī)械原理及設(shè)計、電工與電子技術(shù)、液壓與氣壓傳動、材料熱處理、計算機(jī)圖學(xué)、電氣控制與PLC、Python等多門課程?；A(chǔ)型實驗通過可視化直觀的虛擬仿真實驗，讓學(xué)生能體驗到真實的過程動作、復(fù)雜的工作原理，加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解。

2.1.2 第二維度

第二維度屬于綜合型實驗，是專業(yè)知識的拓寬與延伸。涵蓋數(shù)控機(jī)床、增材制造、機(jī)器視覺技術(shù)與應(yīng)用、人工智能基礎(chǔ)與應(yīng)用、智能生產(chǎn)線集成系統(tǒng)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用、機(jī)器學(xué)習(xí)實戰(zhàn)及應(yīng)用、工程測量與控制技術(shù)等多門課程。綜合型實驗參考企業(yè)崗位，發(fā)揮虛擬仿真與分析、設(shè)計等功能，彌補(bǔ)專業(yè)實驗實物不足，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。

2.1.3 第三維度

第三維度屬于應(yīng)用創(chuàng)新型實驗，該維度主要對高年級學(xué)生適用，學(xué)生在導(dǎo)師的輔導(dǎo)下，依托學(xué)校、校企協(xié)同籌建的實驗設(shè)備，根據(jù)企業(yè)需求，運(yùn)用第一、二層次所掌握的虛擬仿真實驗的知識，進(jìn)行虛實結(jié)合、多人協(xié)作的綜合虛擬仿真項目的設(shè)計、訓(xùn)練。結(jié)合工程訓(xùn)練和課外教學(xué)競賽、專業(yè)社團(tuán)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等，加強(qiáng)學(xué)生對前沿成果的深入理解，提高學(xué)生的工程實踐能力，實現(xiàn)應(yīng)用型本科院校智能制造人才的培養(yǎng)要求。

2.2 思政融入專業(yè)實驗，完善智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容

堅持“教”“育”結(jié)合、“德”“能”兼修，把立德樹人融入虛擬仿真實驗的三維體系中，促進(jìn)課程思政與專業(yè)虛擬仿真實驗的有效融合，促使思想政治教育對高素質(zhì)人才的迅速滲透。傳承勞模精神和工匠精神，給學(xué)生樹立勞動光榮的社會風(fēng)尚和精益求精的敬業(yè)風(fēng)氣。

思政教育融入專業(yè)虛擬仿真實驗中，第一、二維度的實驗分別在課前、課中及課后設(shè)立思政元素。課前通過學(xué)習(xí)平臺的微課植入勞模、大國工匠的事跡，以此震撼學(xué)生的心靈；課中利用教師演繹、教學(xué)內(nèi)容穿插、場景演播、事件再現(xiàn)等方式感化學(xué)生，讓學(xué)生切實體會思政元素的折射點，比如在數(shù)控虛擬仿真教學(xué)時，穿插本行業(yè)領(lǐng)頭人物何小虎是怎樣不怕失敗、在一次次的枯燥訓(xùn)練中磨礪技能、提升技藝，從而完成了火箭零件的高精度加工的故事，讓學(xué)生放低姿態(tài)、端正態(tài)度、一絲不茍的反復(fù)訓(xùn)練，提高工件的精度要求；課后讓學(xué)生根據(jù)所見所聞的企業(yè)精神和企業(yè)文化，去制定自己實驗團(tuán)隊的文化，使思政元素滲透性更強(qiáng)。

第三維度的實驗中因為牽涉到工程實際，實驗內(nèi)容深且涉及面寬，所以根據(jù)其特點讓學(xué)生合理安排分工、協(xié)作完成實驗項目，學(xué)生在實驗中親自感受團(tuán)結(jié)協(xié)作與孤軍奮戰(zhàn)的差別，用實例教育學(xué)生勝過千言萬語。同時在虛擬仿真實驗中可以反復(fù)操作，循環(huán)加工，一方面使得產(chǎn)品精益求精，另一方面熟能生巧，學(xué)生熟練后才能尋求創(chuàng)新思路，開拓創(chuàng)新方法。

2.3 線上線下融合，創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學(xué)模式

疫情下，囿于居家教學(xué)情勢，大多數(shù)教學(xué)通過移動設(shè)備，從互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行信息交流。這一系列的變化，促進(jìn)了線上教學(xué)模式的發(fā)展。本項目構(gòu)建的智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)體系包括基礎(chǔ)型、綜合型和應(yīng)用創(chuàng)新型三個維度，每個維度涵蓋不同的實驗，項目擬結(jié)合實驗的性質(zhì)分門別類實施線上線下教學(xué)，重點實行基于問題、基于案例的互動式、研討式教學(xué)，倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)。制訂詳細(xì)的線上線下教學(xué)計劃，同時借助線上教學(xué)平臺實施行之有效的過程性評價機(jī)制，以適應(yīng)當(dāng)前的教育應(yīng)急管理體系。

線上虛擬仿真實驗分兩類：一是實驗課程，涵蓋基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗；二是學(xué)科前沿實驗課程，涵蓋一個專業(yè)或相關(guān)專業(yè)的前沿領(lǐng)域?qū)嶒?。線下為綜合及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練實驗，同時借助線上平臺實施行之有效的過程性管理機(jī)制。設(shè)計契合智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求。

2.4 探索三維評價的過程管理及考核評價反饋機(jī)制

對智能制造虛擬仿真實驗制定一套能有效評價學(xué)生實驗效果的過程管理及評價反饋機(jī)制。教師將過程管理貫穿于虛擬仿真實驗的每一階段，針對過程管理中的問題及時反饋并制定實驗效果的形成性評價指標(biāo)，取代傳統(tǒng)的終結(jié)性評價指標(biāo)，同時學(xué)校根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)參與學(xué)生的實驗考核，企業(yè)依據(jù)生產(chǎn)線的真實績效考核學(xué)生，把作業(yè)變產(chǎn)品、績效變學(xué)分。從而形成教師為主，學(xué)校、企業(yè)為輔的三維評價反饋機(jī)制。

教師、學(xué)校及企業(yè)按照一定比例對學(xué)生進(jìn)行三維評價，并將結(jié)果反饋到相應(yīng)實驗教學(xué)中，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，優(yōu)化智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)體系。

3 結(jié)語

虛擬仿真實驗不僅使得不可能的實驗成為可能，而且可以在反復(fù)操作的情況下不損壞機(jī)器、沒有大量耗材，節(jié)約教學(xué)經(jīng)費(fèi)，正好補(bǔ)齊了智能制造實驗教學(xué)的短板，契合智能制造實驗教學(xué)發(fā)展的需求，所以智能制造虛擬仿真實驗成為時代所需，但是目前所運(yùn)行的智能制造虛擬仿真實驗雜亂無章、沒有按照知識的循序漸進(jìn)原則，且沒有按照基礎(chǔ)先行，能力后進(jìn)的學(xué)習(xí)規(guī)律，使得實驗教學(xué)效果甚微。本論文所制定的智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)體系打破了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)體系，將體系中的實驗進(jìn)行重組、納新，形成基礎(chǔ)型、綜合型、應(yīng)用創(chuàng)新型這種層次遞進(jìn)式的三維的實驗教學(xué)體系，助推基礎(chǔ)知識與能力培養(yǎng)深度融合。同時在實驗的實施過程中，將過程管理融入實驗階段，教師、學(xué)校與企業(yè)協(xié)同完成形成性評價，構(gòu)建一套三維的過程性評價反饋機(jī)制，切實提高智能制造人才培養(yǎng)的針對性、適應(yīng)性、時效性。

將虛擬仿真實驗有機(jī)融入家國情懷、工匠精神等思政元素，實現(xiàn)“思專融合”，從而樹立正確的人生觀、價值觀及世界觀，落實立德樹人的根本任務(wù)。