孿生仿真教學(xué)課程體系規(guī)劃與研究

曹玲 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)

1 孿生仿真教學(xué)的概念和優(yōu)勢(shì)

1.1 孿生仿真簡(jiǎn)述

孿生仿真概念的提出基于對(duì)數(shù)字孿生與仿真技術(shù)的進(jìn)一步融合，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，與硬件設(shè)備對(duì)接的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)日漸成熟。數(shù)字孿生是信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的鏡像映射，仿真是對(duì)映射于物理系統(tǒng)的信息系統(tǒng)的解析和模擬，而孿生仿真則是基于物理控制器控制的信息系統(tǒng)的全過程映射與解析。通過利用數(shù)字建模技術(shù)，將物理系統(tǒng)如工業(yè)生產(chǎn)線、智能機(jī)械臂等數(shù)字化，組成信息系統(tǒng)并通過仿真載體與物理控制器形成信息對(duì)接，通過對(duì)物理控制器進(jìn)行編程與信息傳輸，實(shí)現(xiàn)虛擬空間內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)的響應(yīng)，進(jìn)而模擬物理系統(tǒng)的運(yùn)作模式。

1.2 教學(xué)理念

孿生仿真教學(xué)的教學(xué)模式為“理論+建模+PLC編程+仿真+智能設(shè)備”。控制器和仿真在其中作為橋梁的作用連接了理論與實(shí)操。通過對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行建模，系統(tǒng)提供保留設(shè)備機(jī)械微觀特征的高保真模型，在教學(xué)過程中，通過控制器與仿真平臺(tái)的協(xié)議連接，使得學(xué)生可以通過控制器操作控制模型的行為動(dòng)作，以模擬智能設(shè)備/生產(chǎn)線在實(shí)際軟硬件啟動(dòng)下的行為模式。學(xué)生可通過對(duì)控制器行為再編程實(shí)現(xiàn)控制器代碼重置，進(jìn)而改變模型的行為模式，經(jīng)過反復(fù)迭代，達(dá)到最優(yōu)工作模式。經(jīng)過驗(yàn)證的控制器編程代碼這可以直接導(dǎo)入智能設(shè)備中進(jìn)行實(shí)物嚴(yán)重而無需擔(dān)心損壞設(shè)備。孿生仿真教學(xué)側(cè)重于理論與實(shí)際的結(jié)合，將理論基礎(chǔ)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力有機(jī)統(tǒng)一，提升學(xué)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的持續(xù)學(xué)習(xí)能力。

1.3 優(yōu)勢(shì)

1.3.1 普適性和專業(yè)性

孿生仿真教學(xué)過程中，涉及到機(jī)械建模、控制器編程、軟件編程、物聯(lián)網(wǎng)通信等多方面內(nèi)容，涵蓋對(duì)學(xué)生機(jī)械、電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域的訓(xùn)練，根據(jù)學(xué)院專業(yè)方向特點(diǎn)可適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容比例。同時(shí)教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)于知識(shí)理解能力的不同異構(gòu)化教學(xué)課程，設(shè)置不同復(fù)雜度設(shè)備控制、不同階段控制器編程甚至仿真平臺(tái)功能的二次開發(fā)，插件制作等。

1.3.2 魯棒性和容錯(cuò)率

孿生仿真教學(xué)通過控制器編程驅(qū)動(dòng)數(shù)字模型行為模式，對(duì)于編程過程的錯(cuò)誤具有較高容忍度，且重置方便，試錯(cuò)成本低，不用擔(dān)心對(duì)實(shí)體對(duì)象造成傷害，具有高魯棒性和容錯(cuò)率。

1.3.3 復(fù)制性和重用性

孿生仿真教學(xué)的核心在于幫助學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐成本居高不下的情況下，通過將高價(jià)值對(duì)象數(shù)字化，不僅可以極大降低教學(xué)成本，同時(shí)數(shù)字化模型具有可復(fù)制性和重用性強(qiáng)的特點(diǎn)，支持以班級(jí)為單位的學(xué)生同時(shí)學(xué)習(xí)，增加學(xué)生實(shí)操機(jī)會(huì)，提高實(shí)踐效率，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。

1.3.4 理論與實(shí)踐融通

孿生仿真教學(xué)通過將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為形象的半實(shí)物仿真實(shí)踐，幫助學(xué)生在實(shí)踐中對(duì)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)融會(huì)貫通，在提升學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受度。

1.3.5 學(xué)以致用，即學(xué)即用

孿生仿真教學(xué)的一大優(yōu)勢(shì)是輕資產(chǎn)教學(xué)模式，通過采購(gòu)控制器、仿真工具及目標(biāo)模型庫(kù)即可幫助學(xué)生完成有理論向?qū)嵺`的過渡。同時(shí)，目標(biāo)模型庫(kù)具有強(qiáng)擴(kuò)充性，能夠根據(jù)現(xiàn)階段主流設(shè)備的更替情況，及時(shí)補(bǔ)充和完善，以保證學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中始終保持學(xué)習(xí)內(nèi)容與企業(yè)接軌，即學(xué)以致用、即學(xué)即用。

2 孿生仿真教學(xué)建設(shè)存在的問題

孿生仿真技術(shù)源于仿真技術(shù)和數(shù)字孿生，并在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)下形成，目前尚處于發(fā)展階段，關(guān)于孿生仿真技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景將隨著技術(shù)水平的不斷推進(jìn)而繼續(xù)迭代更新，但究其本源依然依靠于基礎(chǔ)仿真和物聯(lián)網(wǎng)對(duì)接，同時(shí)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)高校對(duì)于孿生仿真還未給與充分的認(rèn)識(shí)，因此在孿生仿真教學(xué)建設(shè)過程中存在以下問題：1、意識(shí)形態(tài)上與時(shí)俱進(jìn)：在現(xiàn)代職業(yè)教育過程中，原有的教學(xué)模式不斷被打破，新的教學(xué)方式方法不斷應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中，在新教學(xué)體系建設(shè)過程中，應(yīng)對(duì)新的教學(xué)模式有充分的認(rèn)知和預(yù)期；2、教學(xué)平臺(tái)建設(shè)：目前在孿生仿真教學(xué)方面在西門子等企業(yè)已在逐步應(yīng)用，但尚未有學(xué)校真正應(yīng)用，因此所需教學(xué)資源比較匱乏；3、配套教材開發(fā)：孿生仿真教學(xué)尚處于摸索階段，配套課程體系尚不健全；4、師資力量建設(shè)：孿生仿真教學(xué)過程中涉及信息、電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于教師的知識(shí)面寬度和職業(yè)技術(shù)能力深度均有較高要求，現(xiàn)有師資力量尚不足以支撐授課。

3 孿生仿真教學(xué)課程體系建設(shè)

3.1 教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

在教學(xué)平臺(tái)建設(shè)過程中：1、應(yīng)圍繞孿生仿真教學(xué)過程 “理論+建模+PLC編程+仿真+智能設(shè)備”設(shè)立建設(shè)目標(biāo)；2、統(tǒng)籌教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)校現(xiàn)有資源，在明確教育目標(biāo)和可共享資源的前提下分析教學(xué)平臺(tái)建設(shè)過程中的局部必要性；3、根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，提出和確定教學(xué)項(xiàng)目、整體框架以及各功能模塊；4、同類平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，在確定教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案的情況下，擇優(yōu)選擇。例如在機(jī)械加工、智能智造領(lǐng)域教學(xué)中，平臺(tái)應(yīng)具備專業(yè)的智能智造/生產(chǎn)線建模平臺(tái)和虛擬仿真軟件平臺(tái)，支持平臺(tái)間數(shù)字模型的交互，同時(shí)仿真平臺(tái)兼容主流控制器和控制器編程，根據(jù)教學(xué)需求配套相應(yīng)控制器與智能智造模擬教學(xué)設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)施。

3.2 配套教材開發(fā)

教材是學(xué)生學(xué)習(xí)理論和理解知識(shí)的第一來源，完善的教材可以幫助老師構(gòu)建教學(xué)計(jì)劃，給與學(xué)生完整的知識(shí)獲取來源。在教材開發(fā)過程中，應(yīng)奉行“寓教于學(xué)，學(xué)做合一”的指導(dǎo)思想，根據(jù)孿生仿真教學(xué)理念，在教材開發(fā)過程中，應(yīng)注重理論知識(shí)與工程案例并舉，通過實(shí)例教學(xué)將理論知識(shí)融會(huì)貫通。同時(shí)在教材開發(fā)過程中，應(yīng)充分考慮到學(xué)生不同接受能力水平，根據(jù)基礎(chǔ)理論教學(xué)、實(shí)踐提高教學(xué)和研究進(jìn)階教學(xué)建立教材梯度，滿足不同階段教學(xué)需求。

3.3 教師資源建設(shè)

教師是教授學(xué)生知識(shí)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、考核學(xué)生學(xué)習(xí)成果的主體，因此教師的知識(shí)儲(chǔ)備和教學(xué)能力直接影響到教學(xué)質(zhì)量。孿生仿真教學(xué)作為一種新型教學(xué)模式，盡管有較為明晰的教學(xué)里面和教學(xué)流程，但尚未有統(tǒng)一的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)流程。因此它在兩方面對(duì)教師提出了較高的要求：1、知識(shí)廣度和技能深度：孿生仿真教學(xué)涉及信息、電子、機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，在教學(xué)過程中，教師不僅需要對(duì)教學(xué)對(duì)象在理論上有較強(qiáng)理解，同時(shí)需要較強(qiáng)的實(shí)踐能力，能夠引領(lǐng)學(xué)生完成學(xué)習(xí)，啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐能力；2、系統(tǒng)總結(jié)能力和創(chuàng)新能力：孿生仿真教學(xué)具有一定開放性，同一個(gè)實(shí)踐目標(biāo)實(shí)現(xiàn)路徑不唯一，因此給與了教師和學(xué)生一定的創(chuàng)新空間，更進(jìn)一步通過系統(tǒng)總結(jié)和舉一反三倒逼工作流程甚至機(jī)械模式的改進(jìn)。

4 孿生仿真教學(xué)授課模式研究

4.1 學(xué)做合一

職業(yè)教育的核心教學(xué)思想源于黃炎培的實(shí)用主義思想，在教學(xué)過程中，提倡學(xué)生手腦并用，學(xué)做合一，提倡學(xué)生理論與實(shí)踐并重。因此在孿生仿真教學(xué)過程中，應(yīng)同時(shí)注重學(xué)生理論知識(shí)掌握水平和實(shí)踐能力水平，平衡理論知識(shí)評(píng)價(jià)和實(shí)踐能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，注重學(xué)生的職業(yè)綜合能力的培養(yǎng)。

4.2 組合制實(shí)踐教學(xué)

不同學(xué)生在學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐水平方面存在一定差異。在授課過程中，應(yīng)根據(jù)學(xué)生接受能力合理制定教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)要求。在實(shí)際制定課程目標(biāo)時(shí)，應(yīng)建立梯度教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，分為基礎(chǔ)能力目標(biāo)、進(jìn)階能力目標(biāo)和研究能力目標(biāo)。基礎(chǔ)能力目標(biāo)設(shè)定在于培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)踐能力，即為教學(xué)達(dá)標(biāo)底線；進(jìn)階能力目標(biāo)設(shè)定在于保證學(xué)生掌握基礎(chǔ)實(shí)踐能力的前提下，具備一定的自主創(chuàng)新能力；研究能力目標(biāo)則是針對(duì)部分學(xué)習(xí)實(shí)踐能力俱佳的學(xué)生，提供探索研究平臺(tái)。

4.3 自主式拓展研究

自主式拓展研究應(yīng)用于社團(tuán)活動(dòng)或科技技術(shù)競(jìng)賽，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生根據(jù)自主學(xué)習(xí)需求，制定開放式學(xué)習(xí)目標(biāo)。

5 孿生仿真教學(xué)評(píng)價(jià)體系研究

為有效實(shí)施孿生仿真教學(xué)，建立完善的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，應(yīng)建立教師的授課考評(píng)機(jī)制 和學(xué)生的學(xué)習(xí)考評(píng)機(jī)制。一方面將孿生仿真教學(xué)課程研發(fā)納入教師的工作職責(zé)之中，將教師的教學(xué)能力、課程開發(fā)能力納入教師年度考核之中，給予業(yè)務(wù)考核加分和物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)；二是將學(xué)生實(shí)訓(xùn)表現(xiàn)情況與成績(jī)掛鉤，將評(píng)分重點(diǎn)傾向于學(xué)生實(shí)訓(xùn)成績(jī)，并對(duì)于高水平完成實(shí)訓(xùn)的學(xué)生給予適當(dāng)?shù)募臃帧?/p>