仿真技術人才培養新路徑探索
——以云道智造產教融合實踐為例

劉高升

（北京云道智造科技有限公司，北京 100192）

0 引言

CAE 軟件（計算機輔助工程，也稱仿真軟件）作為技術含量最高的工業軟件之一，是工業領域必不可少的創新技術手段，可優化產品設計、降低成本和風險、縮短研發周期。然而，我國CAE 軟件基礎薄弱，面臨國外技術壟斷、人才短缺、產用脫節等問題。當前，國內CAE 市場主要被國外廠商壟斷；同時，國內高校教育并不能很好地滿足企業對于仿真技術人才的需求。如何突破仿真軟件技術短板，以產業需求為導向，規模化培養高質量的仿真技術人才，已成為校企雙方的共同使命和課題。

1 產教融合培養仿真技術人才的意義

（1）符合國家發展戰略。仿真技術人才是國家軟件和信息技術服務業、智能制造業等關鍵產業發展戰略的重要組成部分。近年來，國家有關部門出臺了一系列促進仿真軟件行業發展的相關文件［1-3］。

工信部《“十四五”軟件和信息技術服務業發展規劃》要求重點突破工業軟件，研發推廣計算機輔助設計、仿真、計算等工具軟件，重點支持三維計算機輔助設計、結構/流體等多物理場計算機輔助計算、基于模型的系統工程等產品研發。工信部、國家發改委等8 部委印發《“十四五”智能制造發展規劃》提出“工業軟件突破提升行動”，聚力研發工業軟件產品，推動裝備制造商、高校、科研院所、用戶企業、軟件企業強化協同，聯合開發面向產品全生命周期和制造全過程的核心軟件，其中包括CAE 等研發設計類軟件。

（2）賦能高校教學科研。習近平總書記多次強調，要走好人才自主培養之路。目前，我國與CAE 相關的本、專科院校超過1 700 所，相關專業課程300 余門，每年招收能夠以CAE 為新型教學模式賦能人才培養的理工類專業學生超過兩百萬人。然而，國內院校在相關課程教學中存在師資水平較低、教學設備短缺、教學內容與產業需求脫節等諸多問題［4］，嚴重影響了高校教學與科研工作的開展，不利于人才的自主培養。

開展校企合作，將企業的資金、技術、設備、人力等資源引入高校，將國產自主可控的工業軟件帶進課堂，不僅可以解決高校教學與科研中的痛點問題，還能將市場前沿的最新理念、技術、課程等帶進學校，推動高校教育變革和創新，為人才培養營造良好環境［5］。

（3）增強企業核心競爭力。仿真技術人才是仿真行業和企業發展的核心競爭力。CAE 軟件作為一種知識密集型產品，融合了數學、物理、計算機、力學等眾多學科知識，人才培養門檻高、難度大。受體制機制等多種因素影響，仿真技術人才培養供給側和產業需求側在結構、質量、水平上還不能完全適應［6］。

充分發揮企業在產教融合中的主體作用，讓企業深度參與院校的課程設計、教材研發、技能培訓、實習安排等環節，一方面可以將企業對于人才的需求切實融入到高校教學與科研中，補齊人才短板；另一方面，也可以推動企業自主發展，提升創新能力和核心競爭力［7-8］。

2 產教融合培養仿真技術人才實踐

北京云道智造科技有限公司（下稱“云道智造”）成立于2014 年，系國家高新技術企業。公司以“PaaS 大平臺+APP 小應用”的工業互聯網模式重構仿真軟件生態，基于自主研發的仿真引擎，推出自主可控的通用仿真平臺Simdroid 和開放兼容的云仿真平臺Simcapsule，并搭建了基于云的工業APP 商店Simapps，實現了仿真APP 的無代碼化開發、云原生部署與在線應用。公司還參與發起國家數字化設計與制造創新中心，牽頭組建國家數字化設計與制造創新中心北京中心、北京數字化設計與制造產業創新中心。

自2018 年起，云道智造與國內高校廣泛開展合作，探索產教融合培養仿真技術人才路徑。公司立足于自主可控的仿真根技術平臺和普惠開放的工業互聯網生態，通過教育部產學合作協同育人項目、供需對接就業育人項目、創新型數字化教材及課程體系、仿真工程師培訓體系等多種方式，產教融合賦能高等院校教育教學和科學研究工作，促進自主仿真技術人才規模化培養，支持我國制造業轉型升級。

2.1 自主仿真軟件進課堂，賦能高校教學科研

云道智造通過與高校共建特色課程、打造新型數字化教材等實踐，讓自主仿真軟件進課堂，全方位賦能高校教學與科研。

（1）共建仿真特色課程。結合高校學科、專業和學院特色，云道智造與高校合作共建面向本科生和研究生的仿真特色課程，促進教學內容和課程體系改革。

自2018年起，云道智造與重慶大學合作開設了選修課“先進工業制造仿真APP 開發實訓”，面向全校本科生開放，吸引了光電工程、航空航天、機械與運載工程、大數據與軟件等學院的學生選修。課程包括CAE 基礎知識、Simdroid 平臺介紹、仿真APP 實例分析和仿真APP 開發等內容，讓學生全面了解CAE 的基本理論、行業現狀及發展趨勢，學習使用Simdroid 平臺開發工業仿真APP，理解工業APP 對產品設計研發的作用，從而掌握使用CAE 手段分析實際工程問題的方法，為解決具體工程問題奠定基礎。

云道智造還與華北電力大學合作共建面向本科生“工程電磁場”課程的建模仿真實驗，與北華航天工業學院合作開設“有限元分析”等面向本科生、研究生的專業必修課、選修課，理論與實踐相結合，指導學生掌握使用仿真軟件開發仿真APP 的方法，為學生后續功課學習和今后從事仿真相關工作打下基礎。

（2）支持高校“居家不停學”。使用有限元軟件進行建模仿真實驗，是很多高校課程教學過程中必不可少的一環。目前，國內高校使用的幾乎都是國外軟件，存在價格高、購買難、使用難、升級難等問題。特別是近兩年來，新冠肺炎疫情的持續影響和日趨復雜多變的國際環境，讓高校在使用工業軟件教學過程中的痛點加劇。

工程電磁場是華北電力大學電氣工程及其自動化專業的必修課，包含2 學時的建模仿真實驗，2019 年之前一直使用學校購買的國外軟件，且必須在實驗室使用。2020年初新冠疫情爆發后，全部課程轉為線上，受國外軟件版權限制，學生無法居家進行建模仿真實驗。基于以往的合作了解，華北電力大學將云道智造自主研發的通用仿真平臺Simdroid 引入課堂教學，滿足了學生居家進行建模仿真實驗的需求，有力支持了學校“居家不停學”。在2020 年、2021 年和2022 年的工程電磁場課程中，華北電力大學共有1 200 多名學生使用Simdroid 進行建模仿真實驗，取得了積極效果。

自主仿真軟件進課堂，不僅解決了高校教學中的實際問題，還促進了高校軟件環境的多元化。國家教學名師、華北電力大學崔翔教授認為：“國產軟件進課堂，不僅可以實現建模仿真實驗，還能培養學生自主創新、自立自強和家國情懷；同時也為國內軟件公司自主發展、追趕國際一流軟件提供契機［9］。”

（3）打造數字化教材。針對專業基礎課程理論知識抽象、教學難度高等問題，云道智造與高校合作，基于教材中的實例開發相應的仿真APP 實例集，打造數字化教材。

云道智造與華北電力大學合作，在普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《工程電磁場（第3 版）》（王澤忠、全玉生主編）的基礎上，開發了相應的工程電磁場基本原理仿真實例。目前，覆蓋靜電場、恒定電流場、恒定磁場、交變磁場4 個模塊的31 個知識展示仿真APP 和58 個原理教學仿真APP 已全部開發完成，并上線云道智造工業APP 商店Simapps。之后，云道智造又聯合西南交通大學，基于普通高等教育“十三五”國家級規劃教材《材料力學實驗、仿真與理論》（闞前華、張旭主編）中的實例和材料力學試驗相關國家標準，開發了材料力學虛擬實驗仿真APP 實例集；聯合中國石油大學，在普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《熱工基礎》（第二版）（張學學主編）的基礎上，開發了傳熱學教學仿真APP。

這些在線仿真APP 將教材中抽象的理論公式和典型實例進行了可視化和交互式呈現，突破傳統紙質教材有限的知識呈現方式，幫助學生更直觀、深入地學習理論知識，極大拓展了學生自由探索、自主創新的空間。除上述高校，云道智造還計劃與數百所高校開展多個學科的教材研發合作，引導并協助教師開發仿真APP，助力高校教學內容和課程體系改革，深化新形態教學創新實踐。

2.2 開展協同育人項目，實現仿真技術人才規模化培養

在教育部高等教育司指導下，云道智造與高校開展廣泛的產學合作協同育人項目合作，利用公司在自主普惠仿真領域積累的基礎核心軟件開發經驗、仿真人才儲備和工程應用實例等資源，深度發掘仿真工程師校企聯合培養合作潛力，以自主仿真等數字化手段支持高校各門類學科教育教學資源的數字化升級。2021 年，云道智造成功申報和執行48 項教育部產學合作協同育人項目；2022 年，已成功獲批3-6月4個批次項目共560項，總覆蓋學校300余所。

（1）協同育人項目介紹。協同育人項目包括新工科建設、教學內容和課程體系改革、師資培訓、實踐條件和實踐基地建設等四類合作方式。

新工科建設項目利用云道智造打造的通用仿真平臺Simdroid 和校企雙方的產業企業資源，以開展各學科領域CAE 競賽、建設協同育人基地的形式，促進校企雙方在橫向科研課題和產業數字化人才培養方面的合作。比如：支持院校依托社團或其他形式的學生組織，征集院校所在區域工業企業的仿真應用需求作為競賽擬定賽題，在校內（或校際）組織工業仿真相關賽事；與高校CAE 相關專業合作，在高校現有實驗實訓條件基礎上，提供Simdroid 仿真平臺和部分數字化人才培養教學資源及培訓標準，培養學生CAE 軟件使用、數字化設計、數值模擬及科學計算等能力。

教學內容和課程體系改革項目利用Simdroid 平臺、自主可控的CAE 技術及仿真APP 資源，支持高校力學、機械、儀器、材料、電氣、電子信息、自動化、土木、水利、地質、礦業、輕工、交通運輸、航空航天、兵器、農業工程、林業工程、教育學、物理學、建筑、安全科學與工程、公安技術、植物生產等專業類的CAE 相關課程數字化改革，包括基于CAE的數字化教學資源建設和教學模式改革等。

師資培訓項目圍繞當前工業仿真軟件自主化、普惠化需求，通過云道智造協助高校提升一線教師的仿真技能水平和課程建設水平，以自主可控的仿真技術賦能高校專業人才培養。面向高校舉辦“仿真APP 開發工程師”和“仿真（CAE）應用工程師”等師資培訓班，以自主可控的CAE 技術和仿真APP 開發技術輔助必修理論課程教學為目標，根據參訓者仿真技術水平分期分班開展培訓。

實踐條件和實踐基地建設項目利用Simdroid 平臺支持院校實訓實驗教學條件數字化升級和實踐課程數字化升級。以CAE 相關專業的實驗環節重構為目標，將自主可控的工業仿真平臺和仿真APP 應用于實踐教學，在保證實踐課程質量的前提下，提升學生的工業軟件應用能力。

（2）協同育人項目案例。以云道智造與吉林大學的合作項目為例。智能制造工程專業是吉林大學2019 年開設的新興工科專業，形成該專業的人才培養體系、培養模式和專業標準，對于我國制造與工程領域的發展有舉足輕重的意義。云道智造與吉林大學合作開展了“基于自主仿真的智能制造工程專業新模式產學協同師資培訓”項目。該項目以師資培訓為主要載體，幫助吉林大學一線教師提升仿真水平和課程建設水平，以自主可控的仿真技術和軟件工具賦能專業人才培養。項目除實現機械工程、車輛工程和農業機械工程等專業人才培養從數字化向智能化轉變，還面向交通與運輸工程、工程力學等專業開放，共惠及15個專業5 000余名學生。

在項目執行過程中，云道智造與吉林大學機械與航空航天工程學院合作開展了新工科視域下數字“智造”綜合實驗教學改革。實驗課在原有單一實驗的基礎上，建立新的實驗教學體系，以產品全生命周期為導向，讓學生從產品創意、方案設計、加工和裝配工藝、測量與機床調整、市場營銷策略等方面全面了解產品開發過程。課程利用Simdroid 仿真平臺，通過全新的實驗內容設計，使學生掌握CAD/CAE/CAM 一體化制造技術、基于熔融沉積成型技術的3D 打印技術、基于熱塑成型的模具制造技術，了解先進制造技術的發展動向。學生最終完成了軸類、板類、梁等零件的靜力學仿真分析，并制作出仿真APP。綜合實驗讓學生對設計、制造全過程有了較完整的認識，提升了運用所學知識解決實際加工問題的實踐能力，為進一步研究處理機械制造技術問題打下良好基礎。

目前，云道智造與燕山大學合作開展的“基于Simdroid軟件的電磁場問題仿真計算”項目、與內蒙古工業大學合作開展的“計算機輔助工程（CAE）課程理實一體協同教學研究”項目等也都取得了積極成果。

2.3 打造仿真技術人才培養閉環，推動產業數字化升級

云道智造通過組織培訓、舉辦賽事、建設實習基地，與院校聯動，與產業結合，形成“賽崗課證”一體化模式，打造“培訓——測試——比賽——實習——就業”仿真人才培養閉環。

（1）組織仿真職業技術技能培訓。云道智造探索打造一套完備的普惠仿真教育培訓體系，分別與工信部教育與考試中心、工信部人才交流中心、中國仿真學會建立合作，開展仿真（CAE）應用工程師（初級/中級/高級）、仿真工程師（初級/中級/高級）、仿真APP 開發工程師等CAE 技術人才培訓。為此，制定了基于自主仿真軟件平臺的仿真技術人才培訓標準，面向高校本科生、研究生和企業工程師開發相關培訓課程。

目前，“仿真APP 開發工程師”和“仿真（CAE）應用工程師（初級）”職業技術培訓體系已較為成熟。“仿真APP 開發工程師”培訓課程共16 課時，聚焦自主仿真軟件的使用及仿真APP 開發，通過考核者可獲得由工信部人才交流中心頒發的“工業和信息化人才能力提升證書——仿真APP開發工程師”。“仿真（CAE）應用工程師（初級）”培訓課程共60 學時，分為理論基礎和實踐操作兩部分，內容包括CAE 發展情況介紹、自主仿真軟件平臺功能介紹以及基于實際應用案例的軟件操作，涉及結構、電磁、熱、流體等物理場的仿真模擬。通過課程學習，學員能夠初步掌握自主仿真軟件的使用，可基于自主仿真軟件進行產品的數字化設計、數值模擬、測試優化等工作，最終具備解決基礎工程問題的能力；通過考核者可獲得由工信部教考中心頒發的“仿真（CAE）應用工程師（初級）”職業技術證書。目前，已有300余人通過考試獲得以上證書。

除精品課程和相關證書外，云道智造還為學員提供在線答疑服務、國內外仿真賽事參賽資格以及行業知名企業實習和就業機會；學員還可加入仿真開發社群，賦能終身學習、職業發展。

（2）舉辦仿真賽事。云道智造積極組織各類面向高校師生的仿真賽事，針對工業產品在設計、研發環節的仿真需求，圍繞電磁、結構、流體、熱四大物理場或多物理場仿真，開展各類實際問題分析和仿真APP 制作評比，培養學生自主創新和解決實際問題的能力，推進高校相關專業教學創新與改革，促進產業數字化轉型升級［10］。

2021 年8-12 月，云道智造協辦了由工業和信息化部、國務院國有資產監督管理委員會、浙江省人民政府共同主辦的第三屆中國工業互聯網大賽“工業互聯網+數字仿真”專業賽。比賽吸引了來自50 余所高校和30 余家企業的120 支參賽隊伍，總參賽人數超過300 人，覆蓋機械制造、電力裝備、船舶、海工裝備、石化、醫療健康、農業裝備、航空航天、土木建筑等行業。最終，來自華北電力大學、中國石油大學、北京科技大學、哈爾濱工業大學等高校的38 支隊伍獲得了高校組獎項。

專業賽通過仿真技術與傳統行業相結合的方式，以行業專用仿真APP 為載體，推動了國內能源電力、醫療、農業等行業的數字化進程，參賽作品中涌現出一批具有高復用性、高應用價值的仿真APP 案例。高校組一等獎作品是華北電力大學碩士研究生韓釋瑤的“餅式環型空心電抗器磁場計算”，旨在解決電力行業中傳統柱型空心電抗器磁場泄露嚴重、研制低漏磁空心電抗器需求迫切的問題。作者利用Simdroid 進行建模計算并生成APP，實現了餅式環型空心電抗器的磁場計算，為環型空心電抗器的產品設計提供了基礎工具。作者還根據方案研制了一臺餅式環型空心電抗器實物模型，并與某電氣公司合作研制高壓大容量樣機，切實解決電力行業的實際問題。

2022 年6 月，云道智造組織了由中國石油學會和中國仿真學會主辦的第一屆全國油氣儲運工程數值仿真技能創新大賽。大賽覆蓋了中國石油大學、東北石油大學等20所全國油氣儲運垂直領域重點院校的本科生和研究生，共組建196 支隊伍，總參賽人數超過1 400 人。學生們針對油氣儲運領域的實際需求，開展了結構設計、工藝流程優化、經濟性分析、完整性管理等問題分析。大賽不僅為學生提供了將課堂知識應用到解決工程實際問題的平臺，還關注并解決油氣儲運工程行業數值仿真難題、高等教育創新人才培養瓶頸、國家工業軟件自主可控的重大戰略需求等問題。

（3）創新生產實習模式。生產實習是很多高校教學中一個重要的實踐性環節，學生通過接觸企業的研發生產、管理、銷售、服務等，增強對基礎理論和專業知識的感性認識，將專業知識轉化成實踐操作，從而提高生產實踐能力和獨立工作能力。

2022 年，云道智造陸續與中國礦業大學、北京工業大學、東北大學、大連理工大學等高校開展生產實習合作項目，指導學生學習CAE 技術在產品設計與研發領域中的應用，共覆蓋本科生、研究生近500 人。實習內容包括線上課程培訓與實訓，由云道智造的工程師為學生科普CAE 行業發展現狀及趨勢，講授仿真理論知識，介紹云道智造通用仿真平臺Simdroid 和云仿真平臺Simcapsule 的使用，并手把手指導學生進行仿真APP 開發實操。經過兩周的理論學習和實踐操作，學生制作出了飛機空氣動力學分析APP、扳手受力分析APP、心臟主動脈仿真APP、碟簧受力分析APP 等有趣且有創意的仿真APP，極大提升了自主學習和解決問題的能力。

目前，云道智造已與東北大學共建了本科生校外實習基地，還依托國家數字化設計與制造創新中心北京中心和北京數字化設計與制造產業創新中心，建立了普惠仿真（CAE）技術人才培訓與實訓基地，直接向企業輸送仿真人才。

3 結語

企業是技術創新的主體，高校是人才培養的主力軍，二者合作，可實現資源共享、優勢互補。實踐證明，產教融合是實現仿真技術人才高質量、規模化培養的重要途徑。通過近五年的探索，云道智造發展出一條產教融合的仿真技術人才培養新路徑，有力支持了高校教學與科研工作，提升了公司的核心競爭力和影響力，仿真人才生態初具規模。未來，云道智造將以此為基礎，繼續深耕產教融合，推進以自主仿真技術人才為代表的新型工業人才培養，為制造強國和數字中國建設作出更大貢獻。