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。在此背景下，智能制造類企業(yè)的自動化、智能化、數(shù)字化程度越來越高，職業(yè)教育作為人才培養(yǎng)的重要途徑，應(yīng)及時調(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、無須實物的三維全方位無死角視覺體驗、數(shù)字化雙胞胎與物理實體機(jī)、人的實時信息交互。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)型升級的浪潮中，隨著產(chǎn)品升級、生產(chǎn)升級、組織管理升級，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)解決問題的智能化轉(zhuǎn)型被視為未來技術(shù)的發(fā)展趨勢，將成為下一階段價值創(chuàng)造的主角，數(shù)字化的升級將催生許多相關(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)計工程師、數(shù)字化工藝驗證仿真工程師、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、機(jī)械設(shè)計、機(jī)電設(shè)備電氣與PLC控制、檢測與傳感技術(shù)、自動生產(chǎn)線安裝與調(diào)試等傳統(tǒng)課程內(nèi)容相對孤立，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，不能將基礎(chǔ)課程所學(xué)的知識技能有效地遷移應(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、VR、AR、MR等新一代信息技術(shù)以探索新的課程體系，及時進(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)實訓(xùn)室、企業(yè)的校外實踐基地等線下傳統(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)實訓(xùn)設(shè)備的投入程度。隨著教育部《教育信息化2.0行動計劃》的正式提出，教育信息化全面推動教育現(xiàn)代化，開啟了智能時代教育[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。通過開放性的線上網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，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)時還可以與教師隨時互動交流、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)平臺實現(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)還存在一些問題，如利用學(xué)校實訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行實操訓(xùn)練時，設(shè)備樣式單一、更新不及時，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)的問題，但是在開展線上教學(xué)時學(xué)生無法進(jìn)行相關(guān)專業(yè)課程實訓(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，急需打造虛實融合的多維教學(xué)空間，開展線上“云實訓(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、各類教學(xué)能力大賽的推動，目前高職院校機(jī)電類教師對課件、微課、視頻、動畫制作、MOOC、職教云等線上教學(xué)平臺的使用都比較熟練，但對于數(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)字化升級改造，缺少針對智能制造類相關(guān)的數(shù)字化培訓(xùn)，缺乏先進(jìn)智能制造類企業(yè)的實踐鍛煉經(jīng)歷，無法及時與企業(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

目前我國經(jīng)濟(jì)正面臨產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級和經(jīng)濟(jì)增長方式的轉(zhuǎn)變，在此背景下，職業(yè)院校大量的實驗實訓(xùn)設(shè)備也需要升級換代，尤其是智能制造類專業(yè)。職業(yè)院校傳統(tǒng)的實驗實訓(xùn)設(shè)備主要存在以下三個問題：一是傳統(tǒng)的實驗實訓(xùn)設(shè)備由于受到設(shè)備種類、功能的限制，僅能夠開展實訓(xùn)設(shè)備提供的固定實驗實訓(xùn)項目，消耗的相關(guān)耗材數(shù)量很大，成本較高。二是傳統(tǒng)的實驗實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量有限，如生產(chǎn)線成套設(shè)備，大多數(shù)院校實訓(xùn)室配置不超過6套，但一個班級的人數(shù)至少有30人，若一次課按45 min計算，平均到每個學(xué)生的實操訓(xùn)練時間僅為9 min，即一門80學(xué)時的專業(yè)課平均到每個學(xué)生的累計訓(xùn)練時間僅為12 h，而短短的12 h無法滿足學(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，跟不上智能制造產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的步伐，缺乏工業(yè)4.0數(shù)字化場景的再現(xiàn)，不能滿足新時代背景下對學(xué)生先進(jìn)職業(yè)技能的要求，無法很好地培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化新技能和創(chuàng)新能力。四是教師在實操設(shè)備上進(jìn)行關(guān)鍵步驟的示范操作時，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)，主要是針對某一門具體課程建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程平臺，制作視頻、微課、課件、動畫、考試題庫等教學(xué)資源，大部分資源相對分散，無法形成體系。智能制造領(lǐng)域中基于工作過程的虛實融合的優(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、制造、測試、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，對傳統(tǒng)的物理教學(xué)空間進(jìn)行多樣化的設(shè)計與改進(jìn)，構(gòu)建虛實融合的混合式教學(xué)空間，對變革機(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，可以更好地實現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化。借助數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將項目情境中抽象性的課堂教學(xué)內(nèi)容以三維動畫的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，實時人機(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)動方式、運(yùn)動原理及拆裝工藝，學(xué)生可以360度無死角地感受設(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，減少實訓(xùn)室人力維護(hù)成本，緩解實訓(xùn)場地緊張，提高設(shè)備使用效率，減少實訓(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)生無須真實設(shè)備就可以在自己的電腦上提前對程序和復(fù)雜運(yùn)動序列進(jìn)行反復(fù)虛擬測試，評估運(yùn)動行為，確定程序運(yùn)行時間，從而顯著提高程序的可靠性，最大限度地保護(hù)實訓(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)生無法到校使用實體設(shè)備的問題，也可以解決線上教學(xué)中社會學(xué)習(xí)者沒有實際設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練的難題，教學(xué)不再受設(shè)備和時空的約束，大大提高了教學(xué)的便捷性。

三是通過數(shù)字化雙胞胎軟件中豐富的工業(yè)虛擬場景，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)生實踐工程訓(xùn)練需求的多樣性，達(dá)到夯實學(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。在實際教學(xué)過程中，通過數(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，產(chǎn)品數(shù)據(jù)不斷迭代，輕松實現(xiàn)改進(jìn)升級，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)備完全存在于計算機(jī)中，無須維護(hù)，使用方便，不受時間空間的限制，教師可以在線上或線下隨時操作電腦進(jìn)行演示，學(xué)生可利用數(shù)字化雙胞胎設(shè)備隨時隨地進(jìn)行實操訓(xùn)練和成果展示。學(xué)生在孿生環(huán)境中實操訓(xùn)練時還可以避免因操作不熟練給學(xué)生帶來傷害以及對設(shè)備的損壞，為教學(xué)工作節(jié)約寶貴時間，提高有效教學(xué)時間。未來在智能化設(shè)備支持下可以實現(xiàn)半沉浸式學(xué)習(xí)，結(jié)合5G 和全息投影技術(shù)實現(xiàn)異地“面對面”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，黨中央、國務(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，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)定性和競爭力。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》，我國深入開展制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型行動，越來越多的企業(yè)正在通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型實現(xiàn)創(chuàng)新突破、增加競爭優(yōu)勢，推動制造業(yè)數(shù)字化生態(tài)的深刻變革。通過與粵港澳大灣區(qū)的智能制造類企業(yè)的對接，及時準(zhǔn)確把握企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級對人才需求的變化，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)計與裝配、電氣設(shè)計與接線、氣動與驅(qū)動技術(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)型過程中產(chǎn)生的各種新技術(shù)。目前越來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，高薪聘請大量數(shù)字化建模設(shè)計工程師、數(shù)字化工藝驗證仿真工程師、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、生產(chǎn)規(guī)劃數(shù)字化、制造過程數(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、生產(chǎn)工藝規(guī)劃及仿真實踐、三維仿真分析與性能測試、Tecnomatix數(shù)字化制造、全集成自動化(TIA Portal)、產(chǎn)線和車間虛擬調(diào)式和虛擬運(yùn)營實踐、生產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)體驗、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機(jī)電專業(yè)所學(xué)知識，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，實現(xiàn)前導(dǎo)課程與后續(xù)課程、理論課與實訓(xùn)課的融合。借助數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將企業(yè)典型的實際案例設(shè)計成典型的數(shù)字化虛擬教學(xué)載體，便于各科知識的融會貫通，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)計與繪制，自動化環(huán)節(jié)注重PLC邏輯、運(yùn)動和通信控制編程與人機(jī)界面組態(tài)，數(shù)字化環(huán)節(jié)注重數(shù)字化雙胞胎的設(shè)計、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博途自動化集成軟件、PLCsim Advanced高級PLC仿真軟件、SIMIT自動化項目仿真設(shè)計軟件、NX MCD機(jī)電一體化概念設(shè)計軟件、Process Simulation自動線流程仿真設(shè)計軟件等數(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、自動線流程仿真設(shè)計、自動化項目仿真設(shè)計，完成虛擬裝備的邏輯控制、運(yùn)動控制、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)實生產(chǎn)(物理)與虛擬制造(數(shù)字)相融合，利用實物和數(shù)字化軟件共同模擬出企業(yè)真實的工作場景，讓學(xué)生在模擬出的工作場景下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)開展線上線下虛實融合的一體化教學(xué)，教學(xué)過程分為課前虛擬探索、課中實操驗證、課后虛擬拓展三個階段，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;課中實操驗證階段包括項目導(dǎo)入、資訊、計劃決策、實施、檢查評價、總結(jié)反饋六個步驟，主要是在實際設(shè)備上驗證課前虛擬設(shè)備上探索的方案并進(jìn)行成果評價;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。這種線上線下虛實融合的教學(xué)模式生動形象，很接近企業(yè)真實工作場景，有利于提高學(xué)生興趣，使學(xué)生在短時間內(nèi)融入相應(yīng)情境，真實地體驗在現(xiàn)實中進(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)勢創(chuàng)設(shè)出靈活多樣的多種典型企業(yè)工作場景，使學(xué)生掌握更多、更豐富的操作技能。未來一段時間，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)過程

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

通過調(diào)研智能制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級背景下機(jī)電類企業(yè)的最新需求和行業(yè)的前沿動態(tài)，合理設(shè)定能適應(yīng)新時代人才培養(yǎng)需求的教學(xué)內(nèi)容?；跀?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)真實工作過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、三維設(shè)計、運(yùn)動設(shè)計、信號匹配、PLC程序設(shè)計、機(jī)器人程序設(shè)計、虛擬仿真驗證到真實物理設(shè)備調(diào)試，形成一個完整的工作過程。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)的實訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字孿生設(shè)計并進(jìn)行工業(yè)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)電腦、智能手機(jī)App、平板電腦等智能終端對實訓(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)過程中，學(xué)生技能的培養(yǎng)是靠大量的實驗實訓(xùn)項目訓(xùn)練出來的，實驗實訓(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。在實驗設(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)字化雙胞胎實驗系統(tǒng)以模擬真實的實驗室環(huán)境與設(shè)備，面向?qū)W生及社會人士開放，可以讓學(xué)生及社會人士不來學(xué)校實訓(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)，實操難以得到有效開展，為了解決學(xué)生的線上實驗實訓(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)校實訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行驗證，實現(xiàn)虛實聯(lián)調(diào)。以機(jī)電專業(yè)核心課程“自動生產(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)，針對學(xué)?，F(xiàn)有的自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)設(shè)備開發(fā)能夠滿足教學(xué)、競賽訓(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)備上實現(xiàn)機(jī)械設(shè)計與裝配、電氣設(shè)計與接線、氣路設(shè)計與安裝、PLC編程與HMI組態(tài)、自動線調(diào)試與故障診斷、機(jī)械裝備創(chuàng)新設(shè)計等項目的遠(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)備實訓(xùn)對象，使學(xué)生在虛擬工業(yè)應(yīng)用場景中完成各項工作任務(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，截斷病毒傳播鏈，為師生的健康保駕護(hù)航。開展線上“云實訓(xùn)”可以將教師從過去疲于設(shè)備調(diào)試與維護(hù)的狀況中解放出來，更有效地對學(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)競爭力。

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)開展虛實融合的線上線下混合式教學(xué)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程虛實交互，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，讓學(xué)生直觀地在虛擬場景中感受傳動原理，在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的同時，也更有利于學(xué)生理解相關(guān)知識，幫助解決課程的重難點(diǎn)。在實踐教學(xué)方面，既可以進(jìn)行機(jī)電設(shè)備構(gòu)想、設(shè)計、測試、虛擬仿真，又可以與真實物理設(shè)備進(jìn)行虛實聯(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)方案在實際設(shè)備上進(jìn)行驗證，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)中社會學(xué)習(xí)者沒有實際設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練的難題，教學(xué)再不受設(shè)備、場地的約束，大大提高了教學(xué)的便捷性。未來數(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)用場景，為學(xué)習(xí)者提供功能完善、場景豐富的三維數(shù)字孿生學(xué)習(xí)空間。