基于數字孿生的混合實踐教學模式研究

張 帆， 曾 勵， 任 皓， 竺志大， 戴 敏

（揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127）

0 引 言

隨著高等教育發展，我國已建成世界最大規模的高等工程教育體系，目前在校工科學生占全球的三分之一多［1］，成為我國經濟高速發展和成就全球制造大國的重要支撐。國家高度重視高等工程教育事業的發展，近年來先后推出卓越工程師計劃、“新工科”建設、工程專業認證等一系列重大舉措來加強工程人才的培養水平［2-7］，推進高等院校深化教學改革，適應新時代和新技術對工程技術人才培養的新要求，尤其是在工程人才的工程實踐能力、創新能力、協作能力、終身學習能力等方面的培養。這些目標的實現都離不開高等院校對工科專業實踐教學模式的改革創新［5-9］。結合多年教學和教改的經驗，以數控技術這門專業課程為例，針對當前工程實踐教學的問題和特點，研究了基于數字孿生的混合實踐教學模式，為工程專業實踐教學改革提供一種新的思路。

1 數控技術實踐教學的現狀與特征

數控技術工程實踐教學是高校機械工程專業課程體系中的重要環節，也是高校工科機電專業人才培養的重要手段。數控技術作為一門綜合性、實踐性很強的機電專業課程，其課程內容涉及到機械制造技術、測試技術、伺服驅動與控制原理、數控加工編程等廣泛的專業理論知識和數控機床操作、數控工藝設計、數控機床的維護等專業技能。傳統實踐教學模式依賴于實際機床和試驗臺架實物設備來支持相關的教學活動，這種教學模式存在以下幾個方面的問題：

（1）傳統實踐教學的開展離不開各種實驗實訓設備的支持，在實踐教學過程中還需要消耗一定量的材料，這些都需要學校付出大量的教學經費。一般高等學校的投入往往難以滿足這種實踐教學模式對設備數量的需求，從而使得學生無法得到足夠的實踐訓練機會。

（2）因為設備資源、教學師資等方面的限制，實踐教學在教學大綱中所占比重較輕，通常只安排4～6學時的實驗和1～2周的實訓教學學時。這樣的時間安排落實到每個學生，其實際動手時間更少，難以保證學生達到較好的學習效果，更無法滿足創新型實踐教學活動的要求。

（3）傳統實踐教學教師一對多的現場教學環境下，由于人數和環境的影響，教師的演示與講授并不能保障每一個學生都能夠得到有效的學習。

2 數字孿生混合實踐教學模式探索

2.1 數字孿生技術

數字孿生思想是21世紀先進制造技術領域出現的一種新型信息物理融合理念，最早由美國密歇根大學的Michael Grieves教授提出，起初被稱為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變為“數字孿生”（Digital Twin），也被稱為數字雙胞胎和數字化映射［10-14］。數字孿生技術的目標是針對潛在或實際的產品，利用計算機構建產品物理實體從微觀到宏觀的各種工作狀態和工作進程等在信息空間的全要素數字化映射，形成一個集成的多物理、多尺度、超寫實、動態的仿真模型，從而使用戶借助這一模型來模擬、診斷、預測、監控產品的物理實體在現實環境中的制造形成過程、應用工作狀態和行為［15］。數字孿生技術經過10余年的研究發展，已經在產品設計、制造、檢測、維護中得到應用，在數字化制造工廠的自動化控制中得到了良好的應用效果。利用數字孿生技術可以最大限度地實現數字化虛擬產品和現實物理產品的統一，從而保障虛實環境的一致性，防止傳統仿真環境虛實差異導致的仿真結果與現實的不同。

2.2 混合教學模式

混合教學模式是當前教育部提倡的一種新型網絡化高效教學模式［16-20］，它將傳統課堂教學和網絡化在線教學有機的集成為一體，來滿足新時代學生個性化、信息化、定制化學習的需求，這種教學模式融合了線上和線下兩種教學形式。線上教學是將學習資源放到公開或限制性公開的網絡信息平臺上，為每位學生提供全方位的優質教學資源。學生按照教學進度利用教學資源進行自主學習，并進行自我檢測。線下教學是指課堂教學和實驗教學這些師生面對面的教學，課堂教學包括教學內容重點講授、專題討論、課堂測驗、教師答疑輔導等教學活動。教師可隨時根據學生的學習情況，對課堂的教學設計和教學活動進行微調，高效率地解決學生的個性問題或共性問題。混合式教學模式的最終目標是讓每個學生成為主角，在豐富的在線學習資源和“大班級”環境里，在不脫離教師、教材和“集體”的情況下進行自主學習和個性化學習。

2.3 數字孿生混合實踐教學平臺

2.3.1 混合教學與管理平臺

混合教學與管理平臺（見圖1）中的學習資源與練習資源需要根據學習內容中的知識點和技能點碎片化，以方便學生可以在課外利用碎片時間進行自主學習與練習。平臺的功能設置需要方便學生把握學習過程的主導權，進行有計劃、按步驟地進行學習。通過學生的自主學習激發學生的專業學習興趣，更好地鍛煉工程實踐能力和創新能力，培養學生終生學習的能力。平臺上還應為教師提供相應的功能設置，便于教師進行學習資源和練習資源的發布和教學活動的引導和監督。教師利用平臺進行各種數控技術工程實驗實訓教學知識點、技能要點的碎片化，在課程開始之前完成教學資源，如微課視頻、教學課件、原理動畫、參考資料和操作手冊等的發布，教學過程的設計和組織，實踐項目的設計與發布等工作。在教學過程中教師利用平臺提供的功能來引導、監控和考核學生的學習進度，根據學生的學習能力調整教學進程，幫助學生提高學習效率。

圖1 混合教學管理平臺

2.3.2 數字孿生實驗實訓平臺

數字孿生實驗實訓平臺（見圖2）是學生進行實驗實訓教學的虛實融合的自主動手實踐的訓練空間。它包含虛實兩套實驗實訓教學的設備環境，這兩套環境不是相互獨立的，而是一個有機的整體。現實環境中的每一臺實驗實訓設備在虛擬環境中都有其對應的孿生體，孿生體借助數字孿生實驗實訓環境的信息物理數據模型與物理實體間實現多領域信息、控制耦合，虛實設備之間可以利用信息物理數據模型實時地進行數據交互和相互控制。因此在虛擬環境的孿生體上做任何操作與運行，意味著可以在現實設備中可以等效實現，學生從中獲得的知識與體驗與物理實驗臺中的一樣真實，這是一個更有吸引力的學習環境，能使學生達到更好的學習體驗效果。

圖2 數字孿生實驗實訓平臺

數字孿生實驗實訓平臺可以最大程度上克服傳統實驗實訓教學中的各種限制，為學生的自主實踐訓練提供更加方便和有效的學習空間。學生可以更方便直觀地觀察演示實驗，隨時隨地進行操作練習，按照自己的想法嘗試實踐項目的解決方案，得到一個高效和全面的能力實踐訓練。利用數字孿生實驗實訓環境，可以減少每個學生在實踐環節占用實驗實訓設備的時間，從而降低因學生增加帶來的設備和經費壓力；同時在孿生環境中的訓練可以避免因操作不熟練給學生帶來的傷害以及對設備產生的損壞，增加了學生參與工程綜合和創新項目的機會，全面提高學生的工程綜合與創新能力。

3 基于數字孿生的混合實踐教學模式嘗試

3.1 3層的實踐教學過程設計

考慮到學生在實踐教學中對數控技術的認知和掌握是一個從理論到技能、從簡單到綜合的過程，在不同階段具有的不同的認知和訓練需要。根據層次遞進、模塊分解、綜合集成、開放共享的教學改革思路設計了3層實踐教學過程。

（1）數控原理認知過程。針對與數控技術課程配合的實驗教學，為學生了解和掌握數控機床的軌跡控制原理、伺服驅動控制機制設計等一系列相應的自主演示實驗任務。學生按照老師的提示和要求在數字孿生的認知環境中自主進行演示實驗，由于數字孿生實驗實訓環境中為實驗設備提供了多領域全息的信息物理數據模型，因此可以隨時以多種可視化方式調閱設備各方面的運行數據，從而讓學生更直觀地理解數控技術的工作機制和原理。這種一對一的自主學習克服傳統現場集中演示與虛擬動畫演示教學方法的不足，容易激發學生的求知欲和對課程的專業認同感。

（2）數控加工訓練過程。針對數控加工實訓教學，為培養學生的數控機床操作能力、數控加工工藝設計能力和數控技術工程應用能力，設計一系列相應的自主訓練任務。為了保障學生能夠得到系統有效的訓練，教師在這一階段的教學過程設計中要遵循技能點碎片化和自主訓練的教學理念，將各種機床操作和工藝設計內容分解成技能點、能力點，并給予學生學習與訓練指導。學生利用課內外碎片時間在數字孿生實訓環境中進行實訓練習，掌握機床操作與不同零件加工的工藝要領。這種教學設計可以因材施教，激發學生的興趣與熱情，保證學生得到充分的訓練，為后續的工程綜合訓練打下基礎。

（3）數控技術綜合過程。針對數控技術的綜合應用能力和工程創新能力培養，以工程項目、實際加工制造為背景，通過“項目引導”的教學形式進行數控技術綜合實踐，設計一些具有綜合性的工程項目任務，組織學生分成若干項目工作小組，自主設計工程問題的解決方案，并加以實施。在數字孿生實驗實訓環境中學生可以很方便地進行方案的嘗試，利用多領域全息的信息物理數據模型找出方案中的缺陷與不足加以改進，并可以加工出零件實物。利用項目經歷培養學生工程實踐與創新能力，鍛煉工程協作與組織能力，養成有序的專業工作習慣。

3.2 基于數字孿生的混合實踐教學的效果

雖然基于數字孿生的混合實踐教學模式還在嘗試階段，但它已初步顯示出其相較傳統模式的優越性：

（1）提高了學生學習的積極性。新的數字孿生實踐學習環境誘發了學生的自主學習，學生能夠配合實踐教學的要求，積極主動地查閱教學資料，主動完成演示實驗和實訓練習。

（2）學生得到充分的實踐練習。在新的數字孿生實踐學習環境下學生的實踐學習從課內延伸到課外，打破傳統實踐教學局限性，實現“時時可學、處處能做、樣樣可試”的全方位的實踐學習，誘使學生主動迎接一個個實踐挑戰，從而得到更為全面的實踐訓練。

（3）學生綜合實踐能力得到提高。新的數字孿生實踐學習環境便于組織基于項目的綜合實踐訓練，更快捷地實現學生的創新構想，獲得真實有效的項目結果，使學生通過項目創新訓練，工程綜合能力和創新能力得到了極大提高。

4 結 語

針對當前高等教育實踐教學改革的特點與需求，結合高等教育領域的最新教學理念和制造工程領域的新型信息化技術，進行基于數字孿生的混合實踐教學模式研究探索。提出基于數字孿生的混合實踐教學平臺的結構框架，并給出基于數字孿生的混合實踐教學過程的設計方案和初步的試驗效果。利用數字孿生的實踐學習空間的全息化和靈活性，大大提高學生學習的興趣和自主性，將教師從繁重、重復的傳統教學中解放出來，更多地關注教學方法的改進與教學效果的提升，真正實現學生各方面專業能力的培養與提高。為新環境下的大學專業課程實踐教學改革探索一條有效的新途徑。