基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)改革創(chuàng)新研究

梁生龍

(珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519090)

《中國(guó)制造2025》明確提出，要加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，進(jìn)一步引領(lǐng)制造業(yè)向“智能化”“數(shù)字化”轉(zhuǎn)型升級(jí)。在此背景下，智能制造類企業(yè)的自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化程度越來(lái)越高，職業(yè)教育作為人才培養(yǎng)的重要途徑，應(yīng)及時(shí)調(diào)整教育教學(xué)模式，以便能培養(yǎng)出適應(yīng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)被視為工業(yè)數(shù)字化時(shí)代提高生產(chǎn)力的主要工具，是與工業(yè)4.0浪潮相關(guān)的主要概念之一[1]，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)、5G技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)融合，有望變革人類的工作、生活與學(xué)習(xí)形態(tài)。比如，生產(chǎn)全要素的模擬與監(jiān)控、無(wú)須實(shí)物的三維全方位無(wú)死角視覺體驗(yàn)、數(shù)字化雙胞胎與物理實(shí)體機(jī)、人的實(shí)時(shí)信息交互。結(jié)合近幾年的信息化教學(xué)改革探索，以機(jī)電專業(yè)課程為例，探索基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的信息化教學(xué)模式，為機(jī)電類專業(yè)課程的數(shù)字化教學(xué)改革提供借鑒。

一、職業(yè)院校機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

(一)課程體系設(shè)置不合理，與數(shù)字化背景下人才培養(yǎng)要求脫節(jié)

在全球制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的浪潮中，隨著產(chǎn)品升級(jí)、生產(chǎn)升級(jí)、組織管理升級(jí)，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)解決問(wèn)題的智能化轉(zhuǎn)型被視為未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，將成為下一階段價(jià)值創(chuàng)造的主角，數(shù)字化的升級(jí)將催生許多相關(guān)崗位，如智能制造工程技術(shù)人員、MES系統(tǒng)管理與運(yùn)維人員、智能機(jī)器人操作與運(yùn)維人員、數(shù)字化建模設(shè)計(jì)工程師、數(shù)字化工藝驗(yàn)證仿真工程師、數(shù)字化裝備產(chǎn)線調(diào)試工程師等，這些崗位最需要的是具備數(shù)字化思維的復(fù)合型人才。目前職業(yè)院校機(jī)電專業(yè)課程體系設(shè)置相對(duì)比較傳統(tǒng)，在傳統(tǒng)的課程體系中，專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課等課程之間的關(guān)聯(lián)性和銜接性較差，如UG三維設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)備電氣與PLC控制、檢測(cè)與傳感技術(shù)、自動(dòng)生產(chǎn)線安裝與調(diào)試等傳統(tǒng)課程內(nèi)容相對(duì)孤立，缺乏統(tǒng)籌，學(xué)生往往在專業(yè)核心課程中完成工作任務(wù)時(shí)，不能將基礎(chǔ)課程所學(xué)的知識(shí)技能有效地遷移應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生的技能掌握不到位，無(wú)法滿足企業(yè)的用人需求。傳統(tǒng)的課程體系與目前工業(yè)4.0時(shí)代背景下數(shù)字化要求未相適應(yīng)，沒有與機(jī)電行業(yè)的數(shù)字化新要求融合，偏離了行業(yè)發(fā)展的軌道，導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生與企業(yè)數(shù)字化升級(jí)的新要求脫節(jié)，這就需要我們充分引入數(shù)字化雙胞胎技術(shù)、云平臺(tái)、VR、AR、MR等新一代信息技術(shù)以探索新的課程體系，及時(shí)進(jìn)行數(shù)字化教學(xué)改革和調(diào)整。

(二)教學(xué)空間和教學(xué)方式較為傳統(tǒng)

機(jī)電專業(yè)課程最早的教學(xué)空間是以學(xué)校的多媒體教室、專業(yè)實(shí)訓(xùn)室、企業(yè)的校外實(shí)踐基地等線下傳統(tǒng)物理教學(xué)空間為主，教學(xué)方式以教師教授為主，學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)途徑較為單一，教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量主要依賴教師的教學(xué)能力水平和專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的投入程度。隨著教育部《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》的正式提出，教育信息化全面推動(dòng)教育現(xiàn)代化，開啟了智能時(shí)代教育[2-3]，各職業(yè)院校開啟了信息化教學(xué)改革的熱潮。傳統(tǒng)的線下教學(xué)空間拓展至線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)空間，通過(guò)云班課、職教云、MOOC學(xué)院、雨課堂、學(xué)銀在線等多種信息化平臺(tái)開展課前、課中、課后的線上線下混合式教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)空間和學(xué)習(xí)方式有了很大的轉(zhuǎn)變，線上學(xué)習(xí)資源也逐漸豐富。通過(guò)開放性的線上網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生除了能學(xué)習(xí)到本校教師講授的課程外，還可以享受到其他院校機(jī)電專業(yè)的名師教育;線上學(xué)習(xí)時(shí)還可以與教師隨時(shí)互動(dòng)交流、點(diǎn)播回看，鞏固了學(xué)習(xí)成果，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)質(zhì)量得到了明顯的改善和提高。

隨著教育信息化教學(xué)改革的推進(jìn)，雖然借助信息化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了線上線下混合式教學(xué)，但是工科類機(jī)電專業(yè)課程的教學(xué)還存在一些問(wèn)題，如利用學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練時(shí)，設(shè)備樣式單一、更新不及時(shí)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性；再如新冠疫情下，開展線上教學(xué)雖然解決了停工不停學(xué)的問(wèn)題，但是在開展線上教學(xué)時(shí)學(xué)生無(wú)法進(jìn)行相關(guān)專業(yè)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)，不利于學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)，教學(xué)質(zhì)量受到影響，因此，急需打造虛實(shí)融合的多維教學(xué)空間，開展線上“云實(shí)訓(xùn)”。

(三)教師信息技術(shù)應(yīng)用水平偏低

名師出高徒，機(jī)電專業(yè)課程的數(shù)字化教學(xué)改革執(zhí)行者是教師，教師對(duì)信息技術(shù)的熟悉程度直接影響了數(shù)字化教學(xué)改革的質(zhì)量和效果。隨著教育信息化改革的推進(jìn)和各級(jí)、各類教學(xué)能力大賽的推動(dòng)，目前高職院校機(jī)電類教師對(duì)課件、微課、視頻、動(dòng)畫制作、MOOC、職教云等線上教學(xué)平臺(tái)的使用都比較熟練，但對(duì)于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)、5G技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、全息投影技術(shù)等新一代數(shù)字信息技術(shù)還不熟悉，教師的數(shù)字化教學(xué)改革能力還需要通過(guò)多種方式不斷提升。此外，不少教師沒有積極響應(yīng)智能制造的數(shù)字化升級(jí)改造，缺少針對(duì)智能制造類相關(guān)的數(shù)字化培訓(xùn)，缺乏先進(jìn)智能制造類企業(yè)的實(shí)踐鍛煉經(jīng)歷，無(wú)法及時(shí)與企業(yè)的數(shù)字化新技術(shù)、新需求接軌。

(四)教學(xué)硬件設(shè)備有限，更新不及時(shí)

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)正面臨產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變，在此背景下，職業(yè)院校大量的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備也需要升級(jí)換代，尤其是智能制造類專業(yè)。職業(yè)院校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要存在以下三個(gè)問(wèn)題：一是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備由于受到設(shè)備種類、功能的限制，僅能夠開展實(shí)訓(xùn)設(shè)備提供的固定實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，消耗的相關(guān)耗材數(shù)量很大，成本較高。二是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量有限，如生產(chǎn)線成套設(shè)備，大多數(shù)院校實(shí)訓(xùn)室配置不超過(guò)6套，但一個(gè)班級(jí)的人數(shù)至少有30人，若一次課按45 min計(jì)算，平均到每個(gè)學(xué)生的實(shí)操訓(xùn)練時(shí)間僅為9 min，即一門80學(xué)時(shí)的專業(yè)課平均到每個(gè)學(xué)生的累計(jì)訓(xùn)練時(shí)間僅為12 h，而短短的12 h無(wú)法滿足學(xué)生技能訓(xùn)練的需求，不利于學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)。三是學(xué)校使用的教學(xué)設(shè)備設(shè)施更新不及時(shí)，跟不上智能制造產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐，缺乏工業(yè)4.0數(shù)字化場(chǎng)景的再現(xiàn)，不能滿足新時(shí)代背景下對(duì)學(xué)生先進(jìn)職業(yè)技能的要求，無(wú)法很好地培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化新技能和創(chuàng)新能力。四是教師在實(shí)操設(shè)備上進(jìn)行關(guān)鍵步驟的示范操作時(shí)，只有少部分學(xué)生能近距離觀摩學(xué)習(xí)，演示效果較差。

(五)虛實(shí)融合的優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源不足

目前，大多數(shù)職業(yè)院校機(jī)電專業(yè)開展的數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，主要是針對(duì)某一門具體課程建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)，制作視頻、微課、課件、動(dòng)畫、考試題庫(kù)等教學(xué)資源，大部分資源相對(duì)分散，無(wú)法形成體系。智能制造領(lǐng)域中基于工作過(guò)程的虛實(shí)融合的優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源不足，尤其是缺少基于先進(jìn)智能制造企業(yè)典型案例的數(shù)字化場(chǎng)景的開發(fā)，典型數(shù)字化雙胞胎設(shè)備的開發(fā)，常用機(jī)電元器件三維數(shù)字化模型庫(kù)的開發(fā)等。

二、數(shù)字化雙胞胎技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)改革的意義

數(shù)字化雙胞胎(Digital Twin)的概念，最早在2003年由 Grieves 教授首次提出，也被稱之為數(shù)字孿生[4]，其本質(zhì)是物理實(shí)體在虛擬空間的精準(zhǔn)映射模型，并貫穿產(chǎn)品的全生命周期，包含從構(gòu)想、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、仿真、調(diào)試、運(yùn)維、管理等所有的工藝流程。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)已經(jīng)是制造業(yè)數(shù)字化的核心技術(shù)，其關(guān)鍵在于建模、仿真和調(diào)試。在數(shù)字化雙胞胎技術(shù)、5G技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新一代信息技術(shù)的支撐下，打造基于企業(yè)典型案例的多樣化虛擬學(xué)習(xí)設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)的物理教學(xué)空間進(jìn)行多樣化的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，構(gòu)建虛實(shí)融合的混合式教學(xué)空間，對(duì)變革機(jī)電類專業(yè)課程的教學(xué)模式具有重大意義。

一是將數(shù)字化雙胞胎技術(shù)與課堂教學(xué)緊密結(jié)合起來(lái)，可以更好地實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化。借助數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將項(xiàng)目情境中抽象性的課堂教學(xué)內(nèi)容以三維動(dòng)畫的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，實(shí)時(shí)人機(jī)交互，從而使學(xué)生較好地突破重點(diǎn)和難點(diǎn)。以機(jī)械典型機(jī)構(gòu)為例，通過(guò)UG等三維建模軟件建立三維模型并進(jìn)行虛擬裝配和分解，讓學(xué)生更清楚地了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)原理及拆裝工藝，學(xué)生可以360度無(wú)死角地感受設(shè)備的工作原理和機(jī)制，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也大大提高了教學(xué)質(zhì)量。

二是利用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)可以改善現(xiàn)有的課堂教學(xué)條件，減少硬件設(shè)備的資金投入，減少設(shè)備消耗，尤其是耗材的使用量，減少實(shí)訓(xùn)室人力維護(hù)成本，緩解實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地緊張，提高設(shè)備使用效率，減少實(shí)訓(xùn)安全事故等。借助可生成仿真和試運(yùn)轉(zhuǎn)的“數(shù)字化雙胞胎”，學(xué)生無(wú)須真實(shí)設(shè)備就可以在自己的電腦上提前對(duì)程序和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)序列進(jìn)行反復(fù)虛擬測(cè)試，評(píng)估運(yùn)動(dòng)行為，確定程序運(yùn)行時(shí)間，從而顯著提高程序的可靠性，最大限度地保護(hù)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的安全。借助數(shù)字化雙胞胎設(shè)備可以解決線上教學(xué)學(xué)生無(wú)法到校使用實(shí)體設(shè)備的問(wèn)題，也可以解決線上教學(xué)中社會(huì)學(xué)習(xí)者沒有實(shí)際設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練的難題，教學(xué)不再受設(shè)備和時(shí)空的約束，大大提高了教學(xué)的便捷性。

三是通過(guò)數(shù)字化雙胞胎軟件中豐富的工業(yè)虛擬場(chǎng)景，有助于突破制約職業(yè)教育發(fā)展的資源瓶頸，讓學(xué)生擁有更多的學(xué)習(xí)載體，滿足學(xué)生實(shí)踐工程訓(xùn)練需求的多樣性，達(dá)到夯實(shí)學(xué)生職業(yè)技能水平、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的優(yōu)質(zhì)效果。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)數(shù)字化雙胞胎軟件的虛擬仿真與調(diào)試，不斷優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)不斷迭代，輕松實(shí)現(xiàn)改進(jìn)升級(jí)，進(jìn)而獲得最優(yōu)的解決方案，從而培養(yǎng)學(xué)生的技能遷移能力和創(chuàng)新能力。

四是數(shù)字化雙胞胎設(shè)備完全存在于計(jì)算機(jī)中，無(wú)須維護(hù)，使用方便，不受時(shí)間空間的限制，教師可以在線上或線下隨時(shí)操作電腦進(jìn)行演示，學(xué)生可利用數(shù)字化雙胞胎設(shè)備隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練和成果展示。學(xué)生在孿生環(huán)境中實(shí)操訓(xùn)練時(shí)還可以避免因操作不熟練給學(xué)生帶來(lái)傷害以及對(duì)設(shè)備的損壞，為教學(xué)工作節(jié)約寶貴時(shí)間，提高有效教學(xué)時(shí)間。未來(lái)在智能化設(shè)備支持下可以實(shí)現(xiàn)半沉浸式學(xué)習(xí)，結(jié)合5G 和全息投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)異地“面對(duì)面”教學(xué)。

三、基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)改革創(chuàng)新舉措

(一)調(diào)研分析數(shù)字化背景下機(jī)電專業(yè)人才需求

智能制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型是企業(yè)謀求可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一步，黨的十八大以來(lái)，黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視數(shù)字化轉(zhuǎn)型。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，要發(fā)揮數(shù)字經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，加快產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，提高產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性和競(jìng)爭(zhēng)力。廣東省人民政府也印發(fā)了《廣東省制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)施方案(2021—2025年)》和《廣東省制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型若干政策措施》，我國(guó)深入開展制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型行動(dòng)，越來(lái)越多的企業(yè)正在通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破、增加競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化生態(tài)的深刻變革。通過(guò)與粵港澳大灣區(qū)的智能制造類企業(yè)的對(duì)接，及時(shí)準(zhǔn)確把握企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)對(duì)人才需求的變化，了解智能制造行業(yè)的發(fā)展，了解新產(chǎn)品和新設(shè)備的開發(fā)，熟悉新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用。數(shù)字化背景下機(jī)電人才不僅需要具備傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與裝配、電氣設(shè)計(jì)與接線、氣動(dòng)與驅(qū)動(dòng)技術(shù)、PLC編程與HMI組態(tài)、故障診斷的能力，而且需要掌握工業(yè)組網(wǎng)與通信、虛擬仿真與調(diào)試、人工智能編程等數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中產(chǎn)生的各種新技術(shù)。目前越來(lái)越多的智能裝備制造和應(yīng)用企業(yè)紛紛設(shè)立各種智能制造數(shù)字化技術(shù)相關(guān)崗位，高薪聘請(qǐng)大量數(shù)字化建模設(shè)計(jì)工程師、數(shù)字化工藝驗(yàn)證仿真工程師、數(shù)字化裝備產(chǎn)線調(diào)試工程師等。

(二)借助數(shù)字化雙胞胎技術(shù)進(jìn)行機(jī)電專業(yè)課程內(nèi)容整合

數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下，智能制造行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)模式向虛擬制造和實(shí)體制造相結(jié)合轉(zhuǎn)型，機(jī)電專業(yè)傳統(tǒng)的課程體系已經(jīng)無(wú)法滿足數(shù)字化轉(zhuǎn)型下人才培養(yǎng)的需求。為了適應(yīng)裝備制造業(yè)的數(shù)字化發(fā)展，機(jī)電專業(yè)新的課程體系應(yīng)根據(jù)工業(yè)4.0全智能集成進(jìn)行設(shè)置，從企業(yè)層(ERP、PLM)、管理層(MES)、操作層(DCS、SCADA)、控制層(PLC、HMI)、現(xiàn)場(chǎng)層進(jìn)行課程體系的構(gòu)建。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)所承載的技術(shù)特征貫穿工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、操作層、管理層及產(chǎn)品生命周期管理PLM層，借助數(shù)字雙胞胎技術(shù)，重組機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容，深化機(jī)電專業(yè)課程改革，助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型。從產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃數(shù)字化、制造過(guò)程數(shù)字化、生產(chǎn)執(zhí)行到服務(wù)數(shù)字化，應(yīng)增加NX(CAD、CAM、CAE)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝規(guī)劃及仿真實(shí)踐、三維仿真分析與性能測(cè)試、Tecnomatix數(shù)字化制造、全集成自動(dòng)化(TIA Portal)、產(chǎn)線和車間虛擬調(diào)式和虛擬運(yùn)營(yíng)實(shí)踐、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)體驗(yàn)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等課程。在數(shù)字化虛擬仿真環(huán)境中設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)使用模塊，進(jìn)行裝備、產(chǎn)線、工廠構(gòu)建，使學(xué)生真正做到做中學(xué)、學(xué)中做，以三維可視化方式體驗(yàn)機(jī)電專業(yè)所學(xué)知識(shí)，并優(yōu)化產(chǎn)品的制造工藝方案，此種方式可以打破原有的課程體系藩籬，統(tǒng)籌課程之間的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)前導(dǎo)課程與后續(xù)課程、理論課與實(shí)訓(xùn)課的融合。借助數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將企業(yè)典型的實(shí)際案例設(shè)計(jì)成典型的數(shù)字化虛擬教學(xué)載體，便于各科知識(shí)的融會(huì)貫通，如機(jī)械化環(huán)節(jié)注重機(jī)械部件選型與裝配，電氣化環(huán)節(jié)注重電氣原理圖設(shè)計(jì)與繪制，自動(dòng)化環(huán)節(jié)注重PLC邏輯、運(yùn)動(dòng)和通信控制編程與人機(jī)界面組態(tài)，數(shù)字化環(huán)節(jié)注重?cái)?shù)字化雙胞胎的設(shè)計(jì)、工業(yè)組網(wǎng)、通信鏈接、仿真調(diào)試等。

機(jī)電專業(yè)核心課程可以借助UG三維建模軟件、TIA博途自動(dòng)化集成軟件、PLCsim Advanced高級(jí)PLC仿真軟件、SIMIT自動(dòng)化項(xiàng)目仿真設(shè)計(jì)軟件、NX MCD機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)軟件、Process Simulation自動(dòng)線流程仿真設(shè)計(jì)軟件等數(shù)字化雙胞胎技術(shù)應(yīng)用組件，建模和仿真調(diào)試各種數(shù)字化雙胞胎設(shè)備，深度融合智能制造大類的自動(dòng)生產(chǎn)線安裝調(diào)試、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程、智能產(chǎn)線控制與運(yùn)維、可編程控制器系統(tǒng)應(yīng)用編程等課程，開展機(jī)械裝配、機(jī)電設(shè)備行為仿真設(shè)計(jì)、自動(dòng)線流程仿真設(shè)計(jì)、自動(dòng)化項(xiàng)目仿真設(shè)計(jì)，完成虛擬裝備的邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、通信控制等的虛擬仿真與調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生牢固掌握數(shù)字孿生仿真和調(diào)試技術(shù)綜合集成制造的各種新技術(shù)。

(三)基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)模式

數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)(物理)與虛擬制造(數(shù)字)相融合，利用實(shí)物和數(shù)字化軟件共同模擬出企業(yè)真實(shí)的工作場(chǎng)景，讓學(xué)生在模擬出的工作場(chǎng)景下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)開展線上線下虛實(shí)融合的一體化教學(xué)，教學(xué)過(guò)程分為課前虛擬探索、課中實(shí)操驗(yàn)證、課后虛擬拓展三個(gè)階段，如圖1所示。課前虛擬探索階段主要是在課前將虛擬化的數(shù)字雙胞胎設(shè)備發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生在虛擬的數(shù)字化雙胞胎設(shè)備上進(jìn)行機(jī)械、電氣、編程、通信等方面的自主探索;課中實(shí)操驗(yàn)證階段包括項(xiàng)目導(dǎo)入、資訊、計(jì)劃決策、實(shí)施、檢查評(píng)價(jià)、總結(jié)反饋六個(gè)步驟，主要是在實(shí)際設(shè)備上驗(yàn)證課前虛擬設(shè)備上探索的方案并進(jìn)行成果評(píng)價(jià);課后虛擬拓展階段主要是學(xué)生在不同的數(shù)字化雙胞胎設(shè)備上進(jìn)行拓展訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的拓展能力和創(chuàng)新能力。這種線上線下虛實(shí)融合的教學(xué)模式生動(dòng)形象，很接近企業(yè)真實(shí)工作場(chǎng)景，有利于提高學(xué)生興趣，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)融入相應(yīng)情境，真實(shí)地體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行操作的感覺，以達(dá)到更快掌握操作技能的目的[5]，而且這種教學(xué)模式可以利用數(shù)字化雙胞胎軟件的優(yōu)勢(shì)創(chuàng)設(shè)出靈活多樣的多種典型企業(yè)工作場(chǎng)景，使學(xué)生掌握更多、更豐富的操作技能。未來(lái)一段時(shí)間，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)將以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能高效和安全等優(yōu)勢(shì)得到應(yīng)用和逐步推廣。

圖1 基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的教學(xué)過(guò)程

(四)開發(fā)數(shù)字化雙胞胎實(shí)訓(xùn)設(shè)備及教學(xué)資源

通過(guò)調(diào)研智能制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)背景下機(jī)電類企業(yè)的最新需求和行業(yè)的前沿動(dòng)態(tài)，合理設(shè)定能適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)需求的教學(xué)內(nèi)容。基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)融入企業(yè)最先進(jìn)的生產(chǎn)力要素，以企業(yè)真實(shí)工作過(guò)程中的典型案例為載體開發(fā)數(shù)字化雙胞胎設(shè)備及優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源，從機(jī)械設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、信號(hào)匹配、PLC程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人程序設(shè)計(jì)、虛擬仿真驗(yàn)證到真實(shí)物理設(shè)備調(diào)試，形成一個(gè)完整的工作過(guò)程。借助數(shù)字化雙胞胎技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將學(xué)校傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字孿生設(shè)計(jì)并進(jìn)行工業(yè)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電腦、智能手機(jī)App、平板電腦等智能終端對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備及數(shù)字化雙胞胎設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為開展線上線下虛實(shí)融合的混合式教學(xué)提供支撐。

在機(jī)電專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中，學(xué)生技能的培養(yǎng)是靠大量的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目訓(xùn)練出來(lái)的，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的多少與先進(jìn)程度決定了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的情況下，建立典型的數(shù)字化雙胞胎設(shè)備庫(kù)供學(xué)生訓(xùn)練是非常有必要的。根據(jù)機(jī)電專業(yè)數(shù)字化人才培養(yǎng)的需要建立虛擬的數(shù)字化雙胞胎實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與設(shè)備，面向?qū)W生及社會(huì)人士開放，可以讓學(xué)生及社會(huì)人士不來(lái)學(xué)校實(shí)訓(xùn)室也可以遠(yuǎn)程完成相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，輕松實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)，大大提高了學(xué)習(xí)效率。

(五)利用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)開展“云實(shí)訓(xùn)”

新冠疫情期間，停課不停學(xué)，課程只能進(jìn)行線上教學(xué)，實(shí)操難以得到有效開展，為了解決學(xué)生的線上實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以借助數(shù)字化雙胞胎技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展“云實(shí)訓(xùn)”。學(xué)生可以利用數(shù)字化雙胞胎設(shè)備有效地開展各類虛擬訓(xùn)練，也可以將虛擬調(diào)試的程序遠(yuǎn)程下載到學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)調(diào)。以機(jī)電專業(yè)核心課程“自動(dòng)生產(chǎn)線安裝與調(diào)試”為例，課程主要內(nèi)容包含：傳感器的安裝與調(diào)試、氣動(dòng)回路的安裝與調(diào)試、機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝與調(diào)試、PLC程序編寫、觸摸屏界面組態(tài)、工業(yè)機(jī)器人編程、數(shù)字化雙胞胎通信鏈接、生產(chǎn)工藝仿真運(yùn)行、數(shù)字孿生協(xié)同調(diào)試等，涵蓋100多個(gè)機(jī)電專業(yè)的核心技能要點(diǎn)，課程充分利用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)，針對(duì)學(xué)?，F(xiàn)有的自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備開發(fā)能夠滿足教學(xué)、競(jìng)賽訓(xùn)練、考證的數(shù)字化雙胞胎設(shè)備。

學(xué)生可以在數(shù)字化雙胞胎設(shè)備上實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)與裝配、電氣設(shè)計(jì)與接線、氣路設(shè)計(jì)與安裝、PLC編程與HMI組態(tài)、自動(dòng)線調(diào)試與故障診斷、機(jī)械裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)等項(xiàng)目的遠(yuǎn)程教學(xué)與訓(xùn)練，可以根據(jù)不同的課程內(nèi)容安排不同的數(shù)字化雙胞胎設(shè)備實(shí)訓(xùn)對(duì)象，使學(xué)生在虛擬工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中完成各項(xiàng)工作任務(wù)，做到停課不停學(xué)、停課不停訓(xùn)、停課不停創(chuàng)的教學(xué)宗旨，在特殊背景下啟用新型教學(xué)、訓(xùn)練、創(chuàng)新的模式，截?cái)嗖《緜鞑ユ湥瑸閹熒慕】当ｑ{護(hù)航。開展線上“云實(shí)訓(xùn)”可以將教師從過(guò)去疲于設(shè)備調(diào)試與維護(hù)的狀況中解放出來(lái)，更有效地對(duì)學(xué)生進(jìn)行技術(shù)輔導(dǎo)，提升學(xué)生的應(yīng)用技能，提升其就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

在機(jī)電專業(yè)課程中利用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)開展虛實(shí)融合的線上線下混合式教學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛實(shí)交互，顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)空間和教學(xué)模式。在理論教學(xué)方面，借助數(shù)字化雙胞胎技術(shù)可以將機(jī)電專業(yè)課程中枯燥難懂的原理以可視化的形式展現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生直觀地在虛擬場(chǎng)景中感受傳動(dòng)原理，在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也更有利于學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)，幫助解決課程的重難點(diǎn)。在實(shí)踐教學(xué)方面，既可以進(jìn)行機(jī)電設(shè)備構(gòu)想、設(shè)計(jì)、測(cè)試、虛擬仿真，又可以與真實(shí)物理設(shè)備進(jìn)行虛實(shí)聯(lián)調(diào)。學(xué)生可以在數(shù)字化雙胞胎設(shè)備上進(jìn)行反復(fù)操作，嘗試各種不同的方案、不同的操作，最后將最優(yōu)方案在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證，從而最大限度地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，達(dá)到較好的教學(xué)效果?；跀?shù)字化雙胞胎技術(shù)開展線上“云實(shí)訓(xùn)”，可以滿足疫情下遠(yuǎn)程線上教學(xué)的需要，也能夠解決線上教學(xué)中社會(huì)學(xué)習(xí)者沒有實(shí)際設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練的難題，教學(xué)再不受設(shè)備、場(chǎng)地的約束，大大提高了教學(xué)的便捷性。未來(lái)數(shù)字化雙胞胎技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用需要政、校、企、行多方合作共建基于企業(yè)典型案例豐富的數(shù)字化雙胞胎應(yīng)用場(chǎng)景，為學(xué)習(xí)者提供功能完善、場(chǎng)景豐富的三維數(shù)字孿生學(xué)習(xí)空間。