基于數字孿生技術構建云實訓系統的探索與實踐
——以廣東理工職業學院為例

駱其城 趙國信 李柏輝

（廣東理工職業學院，廣東廣州，510091）

一、引言

2020年伊始，一場突如其來的疫情打亂了全國人民日常生活、學習和工作的有序節奏。為嚴防病毒向校園蔓延，教育部提出“停課不停學、停課不停教”，號召各類各級學校實行線上教學[1]。“萬眾一心、共抗疫情”，各級學校積極響應國家號召，周密部署，為線上教學做好準備。為解決在線實訓的難題，保證實訓課程線上教學正常開展，廣東理工職業學院與合作企業積極謀劃，以學生為本，借助校企合作的優勢，利用數字孿生技術在“PLC技術與應用實訓”課程中構建了云實訓系統并開展線上實訓，在防控疫情的同時確保了線上實訓教學不停頓。

二、高職院校在線實訓教學存在的問題

（一）教師混合式教學經驗不足

在高職院校日常實訓教學過程中，教師主要依靠實體實訓室和實訓設備開展現場教學。通過現場教學，教師可以掌握學生的學習情況，并及時調整課程內容和教學進度，以便學生更好地提高實踐動手能力。但在疫情背景下，教師混合式實訓教學經驗不足，日常又疏于信息化教學技術方面的研究；學校在日常實訓室建設項目中也極少考慮線上實訓教學的需求，對線上教學的相關實訓系統缺少建設。這些因素導致教師線上實訓教學經驗不足，疫情期間大多把精力用在線上直播或錄制實訓操作視頻方面，以PPT錄屏或播放視頻的形式開展線上教學，形式單一，內容枯燥，缺乏學生實踐操作的過程，無法有效調動學生的興趣，有些學生甚至因此而厭學棄課。

（二）線上實訓教學資源缺乏

高職院校往往只注重于實體實訓室和實訓設備的建設，線上實訓教學資源建設未得到足夠重視。在疫情防控的背景下，教育部組織全國高校和教學機構免費開放線上教學資源，包括2.4萬余門在線課程以及2000多門虛擬仿真實驗課程，支持在線實訓教學[2]。虛擬仿真實驗課程在線上實訓教學過程中發揮了重要作用，學生通過在線虛擬仿真系統開展自主實驗，在沉浸式的虛擬仿真實驗環境中，通過反復地練習和不斷地試錯進行實驗，達到了一定的實訓教學預期效果[3]。但由于開放的虛擬仿真實驗課程一般是為各建設高校量身訂做的實訓系統，其他高校無法直接使用里面的資源或只能使用部分資源，導致線上的實訓教學資源不足。同時，目前線上使用的大部分虛擬仿真系統都是基于流程化的操作，學生必須按照系統設定的步驟一步一步操作，才能獲得正確的結果，稍有差錯整個實驗只能重來。一般情況下，學生需要經過反復多次的試驗才能完成實訓任務，這一過程慢慢消耗了學生的積極性，使學生對傳統的虛擬仿真實訓系統失去了興趣，在線實訓教學效果欠佳。此外，流程化的虛擬實驗操作也不利于學生創新能力和獨立思考能力的培養。傳統虛擬仿真實訓系統只注重于理念的學習和流程化操作實訓，對產業場景認知、技能培訓以及場景化技術的訓練等都有所欠缺。

（三）線上實訓教學效果難以保障

線上實訓教學的效果主要依靠學生的自主學習能力和學習積極性，教師只能通過屏幕觀察學生的在線學習情況，如果學生的自控能力不強以及家長監督不到位，教師對于學生是否在線學習以及學習進度如何就無法掌握。同時，線上實訓教學無法解決學生與教師在針對性實訓方面難以進行雙向溝通交流的問題，雙方因屏幕阻隔，互動有限，學生只能懵懵懂懂地上完規劃好的實訓課程，知識的重點難點不能現場討論，更多地處于一種一知半解的狀態，學習效率不高，容易疲勞。此外，由于線上教學時間和網絡空間的限制，教師不能有效地指導學生完成課堂練習和課后作業，學生對知識的記憶、鞏固和消化等都會受到影響，這些都直接影響著線上實訓教學的實際效果。

三、基于數字孿生技術的云實訓系統的構建與應用

（一）數字孿生云實訓系統的構建

數字孿生技術是一項構建數字化工廠和數字世界的基礎技術，它可以在設備或系統的基礎上創造一個數字版的“克隆體”，這個“克隆體”能實現本體數據和信號的復現，可以貫穿產品包括設計、開發、制造、服務、維護的整個周期，并與本體實現數據和信號的雙向流動。數字孿生能夠將虛擬模型與實體設備結合起來，實現機器組件和模型之間的點對點信息通信，讓實體設備運行狀態在虛擬模型中呈現出來，實現同步一致、實時反饋[4]。傳統的建模仿真系統是由一個個獨立單元建模仿真組成，它們之間沒有關聯關系。而數字孿生是單元化的集成，并非孤立的模型仿真個體，其價值是傳統仿真所不可替代的。

為進一步保障學生在線實訓教學效果，廣東理工職業學院在順利開展視頻直播理論教學的基礎上，利用數字孿生技術與企業共同構建云實訓系統。首先，通過混合現實技術，按照1：1的比例打造出能夠再現智能制造產業場景的虛擬仿真場景。其次，通過機器人技術、物聯網技術以及控制技術，將真實和虛擬世界聯結，創造新的數字化環境和內容，在虛擬空間中完成實體設備的映射，實現數字孿生產業場景。最后，根據實訓課程教學大綱，師生調用云實訓平臺課程庫開展線上實訓教學，具體實施方式和操作過程如下：

步驟1：根據實體設備的規格、型號和參數，建立專業設備的三維模型，所建立的三維模型內容包括設備規格、技術參數、連接控制等，利用三維建模軟件按照1：1比例建模，建立模型庫、工程庫和課程庫，并為模型渲染效果，從而實現逼真顯示。

步驟2：由實體設備控制系統生成控制信號，利用物聯網技術獲取實體設備的狀態傳感器、控制傳感器和環境傳感器等所采集到的數據并存儲到數據庫中，虛擬環境中的模型設備作為受控對象，提取數據庫的采集數據模擬整個設備的運行過程。

步驟3：平臺中真實顯示模型設備和實體設備的運行狀態，師生通過操控模型設備把數據傳輸給實體設備，由實體設備完成指定操作。

相較于傳統虛擬仿真實訓僅能實現觀摩認知、流程操作等教學目標，云實訓系統通過“虛擬仿真+產業控制+云”等數字孿生技術，結合企業的真實生產案例可開展在線場景化編程、控制、操作、調試等技能訓練，實現教、學、做一體化的線上實訓。在線上實訓過程中，實訓任務可以在云實訓平臺的虛擬端和真實端開展，并實現兩者的數據流動[5]。基于數字孿生技術的云實訓系統的探索和實踐使得線上實訓教學效果得到顯著提升，從而讓學生掌握產品全生命周期各環節的知識和技能，并理解數字化制造的核心理念，培養并提高了學生的專業技能和實踐經驗，實現了線上“隨時隨地實訓”的教學目標（圖1）。

圖1 “虛擬仿真+產業控制”虛實結合教學體系

（二）校企雙方導師線上協同實訓教學

為了做好線上實訓教學，校企雙方導師共同制訂線上實訓教學大綱，共同在線上直播教學，其中學院教師負責課程理論知識的授課，企業講師負責云實訓系統的指導。教師將錄制的教學視頻、教學PPT、作業等材料上傳至云實訓系統，要求學生課前觀看學習；課中教師利用騰訊會議、QQ課堂等直播軟件組織學生在線學習，就課程的難點和重點進行專題輔導，針對學習難點、疑點開展頭腦風暴和點評，同時根據課堂氛圍，隨機點名提問調動學習氣氛；課后，學生可根據自身學習情況，再次進入云實訓系統鞏固學習，并通過QQ群向校企雙導師進行提問。學院通過校企雙導師線上協同實訓教學，實踐了課前學習、課中答疑、課后鞏固知識的翻轉課堂學習模式，三管齊下，提高了學生的學習效果。云實訓系統保存著學生的實訓操作步驟，可自動統計實訓數據并生成實訓報告，實現了學生從預習到報告的全過程閉環管理。

（三）云實訓系統使用效果分析

從教學效果來看，理論教學和實踐操作相融合的線上實訓教學極大地提高了學生的參與度。學生通過云實訓系統擁有充分自主選擇權，可實現實訓效果實時看，也可利用互聯網時代的碎片化時間課后溫習。結合數字孿生、大數據、人工智能等技術，還能實現教學形式、教學風格、授課內容以及學習需求的高度匹配，充分激發學生的學習興趣和實踐動手能力，顯著提升了線上學習效果，具體來說有以下幾點：

（1）保障學生隨時隨地進行實訓。與傳統實訓嚴格受限于時間不同，線上實訓學生可以在任何時間登錄平臺進行練習，并按個人的學習節奏，自行決定實訓時長。即使因為疫情無法返校進入學院的實訓室使用實訓設備，學生也可以在家按時完成實訓任務。同時，學生能夠自己搭建虛擬產線，操作各個模塊，完成一個個實訓任務，讓線上實訓不再枯燥。

（2）輔助教師線上授課，減輕授課壓力。雙師授課能夠緩解學院教師直播前的備課壓力，讓教師把更多精力放在優化教學設計上面。企業講師全過程指導在線實訓，可以顯著減輕線上實訓教學環節的技術負擔。雙方導師借助云平臺的豐富系統資源有效地調動了學生上課積極性，提升了直播課堂的趣味性。

（3）創新線上實訓教學模式。學院云實訓的實訓教學模式在短期內有效地解決了疫情期間無法開展線下實訓的難題。長遠來看，云實訓系統可以有效解決職業院校實訓設備購置成本高、設備維護難等問題，最終為職業教育實訓體系的創新發展提供新思路。

（4）推動“引企入教”的改革和實踐。疫情期間，合作企業像往常一樣參與學院的教學活動。一方面，企業講師為學院帶來了一手的產業前沿資訊與技術，學院老師則可以通過企業了解一線產業需求，靈活增減實訓內容。另一方面，企業自身也加強了對高職院校人才培養體系的了解，為產教融合貢獻了力量。學院云實訓線上教學模式既是一次對實訓教學的創新，也是一次對產教融合的探索與嘗試。

（四）存在問題分析與改進措施

基于數字孿生技術的系統目前廣泛應用在智能制造產業，它為單個或多個設備實現智能制造提供了可能，并實現了生產要素配置、生產計劃以及生產過程的最優化。疫情期間，廣東理工職業學院把應用在企業的數字孿生系統作為高職院校的云實訓系統，讓學生能夠一開始就基于企業真實生產內容進行項目學習。但由于系統聯接的是企業生產設備，為不影響企業日常生產活動，線上實訓教學主要是以模擬仿真為主。當需要把教學內容運用到實體設備時，需要與企業提前協商，確保學院教學與企業生產不沖突，同時也需要企業導師對教學內容進行檢驗，避免有損壞設備的操作。為此，需要學院教師與企業導師通力合作做好教學計劃，在做到互不影響的前提下實現雙方共贏。

四、結語

疫情期間，廣東理工職業學院云實訓教學模式有效解決了當前在線實訓存在的問題。通過在線觀察和問卷調查，參與云實訓的學生中有90%認為相對于其他的在線課程，云實訓更能激發他們的學習興趣，校企雙師授課的模式也讓學生對于知識的理解更加透徹，有效提升了學生的實踐能力。學院通過校企合作模式，借助企業的研發能力和成功應用經驗，構建基于數字孿生技術的云實訓系統，讓基于數字孿生技術的理論教學與實踐操作教學切實落地，從而使學生一開始就基于實際的工業場景進行學習與思考，未來走上工作崗位也能夠更好地應用這項新技術。

線上實訓教學迫使教師把講臺搬到屏幕，學生的實訓學習從實訓室轉移到家中，這對教師和學生都是一個重大考驗[6]。經過一個學期的實踐證明，線上開展實訓教學也能達到同樣的學習效果。在線實訓教學實踐證明，它改變了傳統課堂教學，形成一種新的教育形態[7]。當前，5G、人工智能(AI)和物聯網(IoT)等現代化信息技術不斷發展和應用，高職院校應抓住機遇并以此為契機，全面推進現代化信息技術與實訓教學的融合，做好線上線下實訓教學資源的建設，倒逼教師提升線上線下的教學能力。同時，高職院校可以改變傳統以教師講授為主的教學模式，開展線上線下相結合的實訓教學改革，建立起教師指導下的學生自主學習模式，提高學生的自主學習能力，形成線上線下相結合的混合式教學模式，從而取得最優化的實訓教學效果。