加工制造類專業虛擬工廠實訓資源建設與應用研究

黃桂勝

（佛山市南海區理工職業技術學校，廣東 佛山 528247）

一、虛擬工廠的應用背景及發展現狀

加工制造業類專業安排學生到對口企業實習是職業教育的一個重要環節。中職學生在一年級時，進行企業認識實習，二年級時學校會安排部分學生跟崗實習，三年級時進行半年“頂崗實習”，而最新實習模式則將“跟崗實習”“頂崗實習”統一為“崗位實習”，但較多的學生仍不能參與到企業整個生產和加工的全過程。在相當一段時間內，較多的開設有加工制造類專業的學校受限于各種條件，也難以讓學生參與到企業生產的全過程。因此，有必要在學校內建立一個能讓學生全程參與工廠的生產、管理過程體驗環境，讓學生學習、掌握相關設備基本操作技能，特別是可以讓全體學生在這種環境的“虛擬工廠”，對企業的生產、管理過程體驗，掌握零件從訂單到加工，再到檢驗交客戶整個生產過程中機床、儀器、量具的操作與使用全過程。

隨著國家深入推進“中國制造2025”，越來越多職業學校加工制造類專業快速發展，在《職業教育提質培優行動計劃（2020—2023年）》中，特別提到全國范圍構建智能制造虛擬仿真實訓基地，讓學生進入企業后能夠盡快適應專業崗位，融入企業的工作環境，跟上企業的生產節奏。因此，在職業學校加工制造類專業建設虛擬工廠，教師通過在虛擬工廠中教學，使學生掌握企業的生產、管理各基本崗位的工作要求和操作技能十分必要。

職業教育學校信息化教學資源經過多年不斷的發展，如今已經歷三個重要階段，交互式教學資源也被引入教學實踐中，采用視窗軟件讓學生主動參與學習，擺脫學生被動學習的狀態。信息化教學資源發展至今，正處于第四個發展階段，即基于虛擬現實技術的虛擬仿真教學正在成長壯大。數字化的虛擬學習系統提供真實的生產場景，該系統模擬復雜的產品在工廠中使用各類型機床加工，最后完成組裝，以仿真原型的形式展現在學生面前，學生通過交互式的操作可以了解和掌握零件加工、零件外觀、內部結構、運動狀態等。

目前，眾多職業學校為了使學生能夠在校通過沉浸式的學習體驗，了解、熟悉和體驗先進制造業企業工廠環境和生產管理過程，在教學過程中與軟件公司、高校研究機構合作，研究和配置了數字化的虛擬工廠實訓資源系統。

二、虛擬工廠實訓資源建設的意義

虛擬工廠的建設過程是集自動化技術、計算機技術、網絡通信技術、先進制造技術于一體的多專業知識和技術的過程，是校企合作的一項重要內容。利用相對少量的硬件設備和強大的工業控制軟件，模擬數字化工廠控制工程的設計、安裝、仿真調試和投運，最大限度地發揮實訓中心的效率，提高學生的工程控制能力。

通過虛擬工廠開展仿真實訓教學模式，就是讓教師與學生在模仿企業的生產環境中，安全、有序地開展教學活動。教師的教學內容和方式與企業的實際工作情境相吻合，虛擬增設一些崗位，學生在實訓過程中擔任一定的角色來完成實訓任務。使學生參與到企業的生產、管理中去，每組學生在虛擬工廠中完成一個訂單的全過程，整個系統在計算機上實現，實現與課堂教育的融合。

虛擬工廠不是簡單的虛擬現實，而是模擬真實工廠的環境和工作流程，學生可以體驗各工種崗位的操作規范和技能要求，在課堂教學與實訓過程中，學生可以學習與操作各類機床設備操作和加工過程，還可以了解企業生產加工，工序安排、生產排產要求等企業相關管理過程。教師還可以在虛擬工廠中實施相關課程的仿真實訓與技能考核，實現學習效果全面評價。

使用虛擬工廠實訓資源平臺，結合資源庫開發教學資源，進行項目引領的教學模式改革，使教師和學生在這樣的環境中獲得教學和學習的樂趣。其意義在于：一是教師有效地建設多種形式融合的立體化的教學資源，學生體驗完整的生產過程，體驗各種設備的操作和加工過程，適應工廠環境及生產管理過程等眾多崗位要求；二是開展任務引領的教學模式改革，教師在虛擬工廠實訓資源平臺中組織一個訂單的生產加工，學生在完成加工任務的過程中學習、鞏固相關的知識和技能。三是在虛擬工廠實訓資源平臺中，組織幾個小組共同來完成一套產品的生產加工，這既可以發揮學生團隊協作意識，還增加了學生團隊競爭的趣味性。

三、虛擬工廠實訓資源建設內容

（一）虛擬工廠系統環境的構建

虛擬工廠實訓資源建設應該包括虛擬的工廠環境。對于虛擬工廠建設，開發包括設計、生產加工、裝調、成品試制等四大虛擬功能及多個生產車間，以逼真的三維場景和三維虛擬裝備，實現產品生產過程，仿真教學與實訓。虛擬工廠提供一個全新的教學環境和一種教學手段，其功能是讓教師和學生能夠更多地集中精力于教學和學習。教師使用該平臺方便構建多種形式融合的立體化的教學資源，按照自己的教學思想和教學方法進行各種教學活動。學生在使用該平臺，可以很好地通過操作、學習、評價，學習企業生產過程內容，體驗工廠環境及生產管理過程，體驗各種設備的操作和加工過程。

（二）虛擬工廠教學資源開發平臺的構建

在虛擬工廠中結合學校數字化校園，配備一個信息管理系統，打通數字化校園的數據接口，構建一個統一平臺實現生產活動的有序進行，實現“平臺統一、案例貫穿、課程連通、知識融合”。即整合、實現功能：一是儲存產品信息、生產工藝流程信息、生產環境信息、各種生產設備信息、生產執行情況等等信息；二是數字化課程系統，實現網上在線操作機床設備等教學資源等，從而實現數字化教學的上網計劃；三是可視化管理系統，可調用教師授課視頻，也可查看學生操作情況視頻，實現“網絡交互視頻/資源在線播放”；四是學校現有網絡教學資源庫、各門網絡精品課程，實現“課件資源管理”；五是在學生成長管理系統、考勤系統基礎上，增加硬件設備，實現對學生操作機床的考勤，實訓操作情況等進行記錄；六是在線測試系統，實現“作業布置、提交、檢查、測試”功能；七是基于移動終端（PAD）的全媒體移動課堂，集“教——練——考”于一體；八是進行二次、多次開發，開發教學資源，資源與網站無縫對接，直接將資源在網站進行展示。

（三）建設多種形式融合的立體化教學資源庫

1.貫穿案例

選取典型機械產品，將貫穿案例資源包拆解到各課程中，使各課程通過貫穿案例得以銜接，將其生產全過程策劃、跟蹤、拍攝、制作成教學資源包，形成典型的基于工作過程導向的項目化教學資源。

2.貫穿案例資源組成

包括電子文檔、視頻、設計數據、加工數據、教學課件、試題庫、實訓素材、實物樣件等。

四、虛擬工廠實訓資源的應用案例及其成效

（一）充分利用現有硬件條件，提高設備利用率

佛山市南海區理工職業技術學校開展了數字化實訓中心建設，教師教育教學理念先進，學校硬件設施配置、布局合理、管理規范，實訓中心包括鉗工實訓室、普通車床實訓室、模具拆裝實訓室、普通加工綜合實訓室、模具綜合實訓室、數控車床實訓室、CAD/CAM實訓室、數控銑床實訓室和特種加工實訓室等9個實訓室（4間一體化實訓室），工位總數達510個，中心占地面積約2500平方米，配備包括先進的四軸加工中心、3D打印機、三坐標測量機、三軸加工中心等設備，設備總價值1250多萬元。數字化實訓中心包括庫房管理系統、可視化管理系統、教學資源管理系統、學生考勤管理系統、車間管理系統等各子系統，并已經運作多年。在此基礎之上，新建近800平方米的數字化虛擬“教學工廠”，完成“模具在虛擬工廠中的生產”“模具制造技術虛擬學習系統”兩個廣東省信息化資源建設項目，取得良好運用效果。

（二）實現全新“三位一體”教學資源開發

虛擬工廠平臺由專業制作公司為項目實施提供技術保障，教師通過與學校合作生產企業提供真實生產項目制作教學資源，由學校專業教師、生產企業兼職教師共同開發典型產品加工案例教學資源，與專業制作公司協作，在虛擬工廠完成資源導入，實現三位一體新型教學資源的開發模式。

教師是教學方法、教學思想的主要提供者，生產企業與專業制作公司是平臺提供者。工具平臺的開發，則應是企業的任務。如在線精品課程、虛擬仿真教學資源等建設中，通過校企合作模式，由企業提供教學資源建設的工具平臺，學校（教師）根據自己教育思想和教育方法在工具平臺上有效地編制各種教學資源。教師根據教學任務，在這個虛擬工廠設置生產任務、設置崗位和崗位職責，將學生分派到設定的崗位上，并且對每個崗位上的學生明確工作評價標準，在虛擬工廠中進行教學，學生在虛擬工廠進行學習。在這平臺上編制的帶有教學思想和教學方法的理實一體化教材、仿真實訓試題庫、教學過程管理系統、教學資源庫和網站。

圖1 數字化模具實訓中心架構圖

圖2 由學校、生產企業、專業制作公司組成“三位一體”教學資源開發模式

（三）構建“工學結合”人才培養模式

以現有的實訓室為基礎，建成集教學、培訓、生產為一體的現代數字化虛擬工廠的“生產車間”模式作為專業實訓基地。企業管理、設備生產化、環境真實化、人員職業化相關要素，學生可以通過在虛擬工廠操作得到強化。構建“工學結合”人才培養模式，學生的基本職業素養、基本技能與專業綜合能力得到全面提高。

（四）優化新型教學模式

在課堂教學過程中，學生通過實訓項目的講解和演示，項目仿真實訓，掌握各類組合產品加工和裝配過程。同時，通過IE瀏覽器在網站上設立賬戶管理，有效控制虛擬工廠資源的合理使用。

（五）強化基于訂單引領的虛擬工廠教學應用

教師可以方便地在虛擬工廠中組織一個訂單的生產加工。學生可以在完成加工任務的過程中學習和鞏固相關的知識。因此，虛擬工廠環境非常適合項目引領的教學模式。享受合作與競爭的樂趣，在虛擬工廠中完成一個訂單的生產加工一般工作量是比較大的，而且有很多零部件是類似的。因此，一個訂單的生產加工可以組織幾個小組共同來完成。每個學生可以參與不同小組，也可以承擔不同的角色。教師可以組織小組之間的各種競賽活動。

五、結語

加工制造業虛擬工廠實訓資源建設的實施，使得受益學生大幅度增加。廣東省乃至全國眾多理工類大專院校、職業技術學院、職業技術學校等開設有加工制造類專業課程，本項目可覆蓋的學生總人數僅在廣東省就達萬人以上。并且，虛擬工廠實訓資源平臺具有二次開發功能，教師可以在不斷學習過程中，增加新產品生產仿真。另外，平臺可以在線仿真，使學生不受時間、空間限制，隨時隨地進行學習。更重要的是，通過虛擬工廠實訓資源建設與應用，推動教學模式由“學生被動聽”向“學生動手做”轉化，從而有效地支撐“基于工作過程”“項目化教學”“做中學”等現代職業教育理念的實現。