基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)電類專業(yè)課程改革研究

曾麗穎 韋小芬

摘要文章基于數(shù)字化背景下機(jī)電類專業(yè)課程改革中存在專業(yè)課程設(shè)置與行業(yè)發(fā)展需求不兼容；教學(xué)環(huán)境與教學(xué)方式的數(shù)字化轉(zhuǎn)型成效不足；專業(yè)教師數(shù)字技術(shù)應(yīng)用能力亟待提升；專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備更新緩慢；優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化教學(xué)資源不足等問題，探索了數(shù)字孿生技術(shù)對于機(jī)電類專業(yè)課程改革的重要意義。提出關(guān)注數(shù)字化背景下機(jī)電類行業(yè)的發(fā)展與人才需求，借助數(shù)字孿生技術(shù)整合機(jī)電類課程內(nèi)容，基于數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)模式；開發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)資源；開展基于數(shù)字孿生技術(shù)的“云實(shí)訓(xùn)”，為機(jī)電類專業(yè)課程的數(shù)字化教學(xué)改革提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞數(shù)字孿生技術(shù)；機(jī)電類專業(yè)；課程改革；混合式

中圖分類號：G712? ??????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.21.014

Research on the Curriculum Reform of Mechanical and Electrical Majors Based on Digital Twin Technology

ZENG Liying， WEI Xiaofen

（Baise Vocational College， Baise， Guangxi 533000）

AbstractThe article is based on the digital background， and there is an incompatibility between the professional curriculum and the industry development needs in the curriculum reform of mechanical and electrical majors; The effect of Digital transformation of teaching environment and teaching methods is insufficient; The digital technology application ability of professional teachers urgently needs to be improved; The professional training equipment is outdated and single; The lack of high-quality digital teaching resources and other issues have actively explored the important significance of digital twin technology for the curriculum reform of mechanical and electrical majors. Propose to pay attention to the development and talent needs of the electromechanical industry in the digital context， integrate the content of electromechanical courses with the help of digital twin technology， and innovate teaching models based on digital twin technology; Developing practical training resources for digital twin technology; Carry out "cloud training" based on digital twin technology， providing reference for the digital teaching reform of mechanical and electrical professional courses.

Keywordsdigital twin technology; mechanical and electrical majors; curriculum reform; hybrid

隨著《中國制造2025》的提出，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合成為國家戰(zhàn)略的重要方向[1]。制造業(yè)正面臨從傳統(tǒng)制造向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的歷史性挑戰(zhàn)。職業(yè)教育作為培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能型人才的重要途徑，需要適時(shí)調(diào)整教學(xué)模式，為數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級提供專業(yè)型人才支持[2]。數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新興技術(shù)，通過構(gòu)建虛擬與現(xiàn)實(shí)的雙向映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字化表征和模擬[3]?；跀?shù)字孿生技術(shù)的信息化教學(xué)模式可以有效地解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的教學(xué)資源不足、教學(xué)方法單一、教學(xué)效果難以評估等問題，從而提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)適應(yīng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的高素質(zhì)技術(shù)技能型機(jī)電類人才。因此，進(jìn)一步探究數(shù)字孿生技術(shù)的信息化教學(xué)模式對于機(jī)電類專業(yè)課程的數(shù)字化教學(xué)改革具有重要意義。

1? 數(shù)字化時(shí)代機(jī)電類專業(yè)課程改革面臨的現(xiàn)實(shí)問題

1.1? 專業(yè)課程設(shè)置與行業(yè)發(fā)展需求不兼容

數(shù)字化升級為機(jī)電類崗位創(chuàng)造了大量就業(yè)機(jī)會(huì)。然而，機(jī)電專業(yè)課程體系相對傳統(tǒng)，缺乏與現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展趨勢的緊密結(jié)合，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以形成系統(tǒng)性的知識體系。并且，傳統(tǒng)的課程設(shè)置往往過于注重理論知識的傳授，而忽視了實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)。這種情況下，學(xué)生在畢業(yè)后往往會(huì)面臨較大的就業(yè)困難問題。同時(shí)，傳統(tǒng)課程體系與工業(yè)4.0時(shí)代背景下的數(shù)字化需求不相適應(yīng)。尤其在制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的大潮中，數(shù)字孿生技術(shù)、云平臺、VR等新興技術(shù)正逐漸成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。課程設(shè)置卻尚未充分涵蓋這些新興技術(shù)，也進(jìn)一步導(dǎo)致學(xué)生在畢業(yè)后難以勝任數(shù)字化制造業(yè)的相關(guān)崗位。

1.2? 教學(xué)環(huán)境與教學(xué)方式的數(shù)字化轉(zhuǎn)型成效不足

傳統(tǒng)的機(jī)電專業(yè)課程主要依賴于線下教學(xué)，學(xué)生通過聽課、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)等方式學(xué)習(xí)機(jī)電相關(guān)知識。存在學(xué)習(xí)資源和途徑較為單一，且教學(xué)效果受限于教師能力和實(shí)訓(xùn)設(shè)備投入等多重因素的影響，從而無法保證教學(xué)過程的高質(zhì)量開展。

隨著教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃的提出，教育現(xiàn)代化得到了一定程度的推動(dòng)，線下教學(xué)空間逐漸拓展至線上，學(xué)生的學(xué)習(xí)空間和方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，教學(xué)質(zhì)量也得到了一定程度的改善。但目前機(jī)電類專業(yè)課程的教學(xué)環(huán)境與實(shí)訓(xùn)設(shè)備的樣式單一、更新不及時(shí)，使學(xué)生在實(shí)際操作過程中，由于無法接觸到更多樣化且新興的設(shè)備而影響了專業(yè)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1.3? 專業(yè)教師數(shù)字技術(shù)應(yīng)用能力亟待提升

當(dāng)前數(shù)字化教學(xué)改革已成為教育領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，教師對信息技術(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。但目前高職院校機(jī)電類教師對新一代數(shù)字信息技術(shù)方面的熟悉程度普遍較低，這無疑會(huì)對數(shù)字化教學(xué)改革產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，智能制造作為新一代數(shù)字化技術(shù)的重要內(nèi)容，對教師的專業(yè)素質(zhì)和技能也具有一定的要求。但教師在智能制造類相關(guān)的數(shù)字化培訓(xùn)和先進(jìn)智能制造類企業(yè)的實(shí)踐鍛煉方面存在明顯不足，導(dǎo)致教師很難迅速適應(yīng)和跟上數(shù)字化時(shí)代教學(xué)改革發(fā)展的步伐。

1.4? 專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備更新緩慢，無法滿足多元化教學(xué)需求

首先，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的耗材消耗大，成本高。在實(shí)際操作過程中，學(xué)生需要使用大量耗材，如電子元件、機(jī)械零件等，這不僅增加了教學(xué)成本，還可能導(dǎo)致資源浪費(fèi)。其次，由于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的購置成本較高，院校往往無法購置足夠數(shù)量的機(jī)電類設(shè)備，使得學(xué)生在實(shí)際操作過程中面臨時(shí)間和空間的限制。這種情況不利于學(xué)生充分掌握實(shí)際操作技能，影響了職業(yè)能力的培養(yǎng)。此外，部分實(shí)訓(xùn)設(shè)備的維護(hù)成本也較高，為院校帶來了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。使得機(jī)電類專業(yè)教學(xué)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備無法滿足多樣化的教學(xué)需求，令學(xué)生在實(shí)際操作過程中難以全面掌握所需技能，影響了職業(yè)能力的培養(yǎng)。

1.5? 優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化教學(xué)資源不足

首先，資源針對特定課程且相對分散，導(dǎo)致不同課程間資源整合共享程度低，可能引發(fā)重復(fù)建設(shè)與浪費(fèi)，降低利用效率。其次，缺乏基于工作過程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、在線實(shí)訓(xùn)等虛實(shí)融合的優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源，難以滿足教學(xué)需求。最后，機(jī)電專業(yè)缺少基于先進(jìn)智能制造企業(yè)典型案例、數(shù)字孿生設(shè)備及常用機(jī)電元器件三維數(shù)字化模型庫的開發(fā)，影響學(xué)生了解行業(yè)最新動(dòng)態(tài)與技術(shù)應(yīng)用。

2? 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)改革的意義

首先，通過數(shù)字孿生技術(shù)與課堂教學(xué)的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化，提高教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)教學(xué)方式存在資源有限、實(shí)踐操作機(jī)會(huì)不足等問題。引入數(shù)字孿生技術(shù)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中實(shí)踐操作，提高動(dòng)手能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

其次，利用數(shù)字孿生技術(shù)改善課堂教學(xué)條件，減少硬件設(shè)備投入，提高設(shè)備使用效率，提高教學(xué)便捷性。傳統(tǒng)教學(xué)需大量硬件設(shè)備，如實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)設(shè)備等，購置和維護(hù)成本高，使用效率不高。數(shù)字孿生技術(shù)通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備等方式，降低硬件設(shè)備投入，提高設(shè)備使用效率，同時(shí)提高教學(xué)便捷性。

再次，利用數(shù)字孿生軟件豐富的工業(yè)虛擬場景突破資源瓶頸，滿足學(xué)生開展實(shí)踐工程訓(xùn)練的需求，培養(yǎng)其技能遷移能力和創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生實(shí)踐操作機(jī)會(huì)受實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)設(shè)備等資源限制。數(shù)字孿生技術(shù)提供了豐富的工業(yè)虛擬場景，讓學(xué)生在不同的場景中實(shí)踐操作，培養(yǎng)技能遷移能力和創(chuàng)新能力。

此外，數(shù)字孿生設(shè)備方便使用，不受時(shí)間空間限制，能夠提高有效教學(xué)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)半沉浸式學(xué)習(xí)和異地“面對面”教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)設(shè)備等資源限制，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間和空間受束縛。數(shù)字孿生技術(shù)讓學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作，提高有效教學(xué)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)半沉浸式學(xué)習(xí)和異地“面對面”教學(xué)。

3? 基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)改革創(chuàng)新舉措

3.1? 關(guān)注數(shù)字化背景下機(jī)電類行業(yè)的發(fā)展與人才需求

首先，需要加強(qiáng)教育部門和企業(yè)合作，共同制訂數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)電專業(yè)課程中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)大綱。確保課程內(nèi)容與實(shí)際工作需求相匹配，為學(xué)生提供更加實(shí)用的技能培訓(xùn)。其次，需要加強(qiáng)教師關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)的培訓(xùn)和研究，使其更好地指導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)技能。同時(shí)，教師還應(yīng)關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，確保與時(shí)俱進(jìn)。再次，注重實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)相結(jié)合。在理論教學(xué)中，教師應(yīng)重點(diǎn)講解數(shù)字孿生技術(shù)的基本原理、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢。在實(shí)踐教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)際項(xiàng)目和案例，學(xué)習(xí)數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造中的具體應(yīng)用，如數(shù)字化建模設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝驗(yàn)證仿真、數(shù)字化裝備產(chǎn)線調(diào)試等。此外，評價(jià)體系也應(yīng)與數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用相適應(yīng)。除了傳統(tǒng)的考試評價(jià)方式，還應(yīng)加大對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的考核。例如，可以通過實(shí)際項(xiàng)目、競賽等形式，檢驗(yàn)學(xué)生在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用方面的能力。

3.2? 借助數(shù)字孿生技術(shù)整合機(jī)電類課程內(nèi)容

課程體系改革應(yīng)根據(jù)工業(yè)4.0全智能集成的要求進(jìn)行設(shè)置，充分借助數(shù)字孿生技術(shù)重組課程教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)課程之間的融合。并且，數(shù)字孿生技術(shù)作為一種將物理世界與虛擬世界相結(jié)合的技術(shù)，通過對物理設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，為設(shè)備的優(yōu)化和維護(hù)提供支持。在教學(xué)過程中，我們可以利用數(shù)字孿生技術(shù)將不同課程的內(nèi)容進(jìn)行整合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠更好地理解和掌握數(shù)字孿生仿真和調(diào)試技術(shù)。

3.3? 基于數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)模式

數(shù)字孿生技術(shù)作為一種現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)與虛擬制造相融合的技術(shù)，其在機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用可以分為三個(gè)階段：課前虛擬探索、課中實(shí)操驗(yàn)證、課后虛擬拓展。

在課前虛擬探索階段，學(xué)生可以通過數(shù)字孿生技術(shù)提前了解課程內(nèi)容，對實(shí)際操作有一個(gè)初步的認(rèn)識。同時(shí)，學(xué)生還可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作，為課堂教學(xué)打下基礎(chǔ)。

課中實(shí)操驗(yàn)證階段，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，將課前學(xué)到的知識應(yīng)用于實(shí)際操作中。數(shù)字孿生技術(shù)可以為學(xué)生提供一個(gè)接近真實(shí)工作場景的環(huán)境以便更好地掌握操作技能。

課后虛擬拓展階段，學(xué)生可以通過數(shù)字孿生技術(shù)對所學(xué)知識進(jìn)行鞏固和拓展。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以自主選擇不同的實(shí)踐項(xiàng)目，進(jìn)行多樣化的操作練習(xí)。這種方式有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

3.4? 開發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)資源

首先，我們需要深入調(diào)研智能制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級背景下的企業(yè)需求和行業(yè)動(dòng)態(tài)。通過與企業(yè)和行業(yè)專家的深度交流，了解企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中面臨的挑戰(zhàn)和需求，從而設(shè)定適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)需求的教學(xué)內(nèi)容。這將有助于我們培養(yǎng)出更具實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神的機(jī)電專業(yè)人才，滿足企業(yè)和行業(yè)的發(fā)展需求。

其次，基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)數(shù)字孿生設(shè)備和優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化教學(xué)資源。數(shù)字孿生技術(shù)是一種將物理世界與數(shù)字世界相互映射的技術(shù)，通過構(gòu)建數(shù)字孿生設(shè)備，我們可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)物設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，為教學(xué)提供更加豐富和真實(shí)的教學(xué)資源。同時(shí)，我們還可以利用數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化教學(xué)資源，如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、在線教學(xué)視頻等，形成完整的工作過程，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

再次，借助數(shù)字孿生技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，支持線上線下混合式教學(xué)。通過將實(shí)訓(xùn)設(shè)備與數(shù)字孿生技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，我們可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，為學(xué)生提供更加便捷和高效的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。此外，線上線下混合式教學(xué)模式可以讓學(xué)生在課堂內(nèi)外都能夠充分利用數(shù)字化教學(xué)資源，提高學(xué)習(xí)效果和興趣。

3.5? 基于數(shù)字孿生技術(shù)的“云實(shí)訓(xùn)”的開展

利用數(shù)字孿生技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展“云實(shí)訓(xùn)”，實(shí)現(xiàn)線上實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。通過數(shù)字孿生技術(shù)，模擬真實(shí)設(shè)備和場景，提高學(xué)生的應(yīng)用技能和就業(yè)競爭力。線上實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)突破了地域和時(shí)間限制，提高了教學(xué)的便捷性。

數(shù)字孿生技術(shù)可為機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)、競賽訓(xùn)練、考證提供便捷。實(shí)踐操作在機(jī)電專業(yè)課程中至關(guān)重要。通過數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)場景，能提高學(xué)生的實(shí)踐能力。此外，數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用于競賽訓(xùn)練和考證過程，幫助學(xué)生應(yīng)對實(shí)際工作的挑戰(zhàn)。

數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用需政、校、企、行多方合作共建豐富的應(yīng)用場景。政府部門可制定政策，支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用；學(xué)校與企業(yè)合作，共同開發(fā)應(yīng)用場景，提供實(shí)踐機(jī)會(huì)；企業(yè)提供實(shí)際工作場景和需求，幫助學(xué)校優(yōu)化課程設(shè)置；行業(yè)協(xié)會(huì)組織專家評審，確保應(yīng)用質(zhì)量。多方合作共同推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源和實(shí)踐機(jī)會(huì)。

4? 結(jié)語

將數(shù)字孿生技術(shù)融入機(jī)電專業(yè)課程改革，對于培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)人才具有重要意義。機(jī)電專業(yè)可以側(cè)重于教學(xué)方法的不斷創(chuàng)新、實(shí)踐培訓(xùn)資源的開發(fā)以及基于數(shù)字孿生技術(shù)的“云培訓(xùn)”的實(shí)施，以更好地適應(yīng)數(shù)字時(shí)代不斷變化的行業(yè)需求和人才需求。

參考文獻(xiàn)

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