智能制造虛擬仿真教學應用

［摘 要］在信息化的21世紀，互聯網、計算機、大數據、智能化等依托網絡信息技術已經成為整個社會生產、生活不可或缺的一部分，也成為現代教育領域重要的創新方向。尤其受近幾年居家辦公影響，人們對線上教學的接受度廣泛提升，以智能制造為基礎，探索虛擬仿真模擬教學的有效方式已經成為大勢所趨，智能制造虛擬仿真教育改革呼聲越來越高。鑒于此，文章結合智能制造視角，進一步研究智能制造虛擬仿真教學應用策略，以期全面改善智能制造虛擬仿真教學現狀，全面提高智能制造虛擬仿真教學質量，培養更多優質智能制造人才。

［關鍵詞］智能制造；教學；虛擬仿真；策略；方法

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2023.19.065

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2023）19-0220-04

0? ? ?引 言

智能制造虛擬仿真教學模式只有創新，才能符合新時代發展趨勢，對傳統教學理念及教學方式進行革新。近些年，教育信息化迅速發展，為確保實踐教學水準取得更理想的教學效果，各個學校紛紛創新智能制造虛擬仿真教學路徑，打造多元化虛擬仿真實踐教學中心。在智能制造時代，工業發展過程中需要通過智能制造技術促進未來發展，學校在培養智能制造專業知識時，應重視改革教學理念和手段，以強化教學實踐，培養更多創新人才，為智能制造行業發展貢獻一份力量。

1? ? ?智能制造虛擬仿真教學概述

1.1? ?智能制造虛擬仿真教學的內涵

智能制造虛擬模擬仿真教學以技術為載體，以項目為導向，以專業證書為考核標準，高度再現智能制造工業場景，確保學生能在學習過程中產生身臨其境的學習體驗。智能制造虛擬仿真教學系統以《電氣控制與PLC》《單片機原理及應用》《傳感器原理及應用》《反饋控制技術》及《數字信號處理》為智能制造虛擬仿真教學課程補充和擴展知識，使學生能更好地了解及應用于實際的智能制造虛擬仿真工程中，增強學生學習興趣。通過對智能制造虛擬仿真教學內容和實踐問題進行分析，可以幫助學生更好地了解智能制造虛擬仿真實踐中需要注意的問題。智能制造虛擬仿真教學將為學生創造虛擬模擬實驗的應用場景，使學生能真正學習到各種學科、各種儀器的智能制造知識及技術，豐富基礎實驗、綜合實驗及創新實驗內容，提升學生綜合思維能力和綜合素質。

2? ? ?智能制造虛擬仿真教學的特點

2.1? ?智能制造虛擬仿真教學沉浸性特點

孔子最常用的教學方式是“觀察”與“交談”，如孔子經常帶領學生參觀風景，與學生交談時常常用比喻的方式及講故事的方式教學，本質是為學生創造良好的學習場景和條件，保障其在沉浸式學習過程中掌握更多專業知識和技能，使智能制造虛擬仿真教學理論具象化，更易于學生深入理解。因智能制造虛擬仿真教學具有明顯的實時性特點和沉浸式特點，其在地理信息系統以及先進制造等方面均有重大作用。例如，在研究智能制造虛擬現實技術時，通過智能制造虛擬仿真，可切實突破時間和空間的束縛，有機統一現實教育和虛擬教育。

2.2? ?智能制造虛擬仿真教學交互性特點

教育本身就是一種信息與知識的傳播，在“大信息”環境中，知識自身具有多渠道及多要素等特點，這就要求教育工作者從各個方面傳遞信息。傳統授課方式主要依靠教師的口授、文字、圖片、視頻等方式教學，整體教學效果不佳。然而，智能制造虛擬仿真教學時，如若教學人員能采用先進技術即可使學生真正地置身于信息技術及智能技術所創造的三維虛擬世界中，實現虛擬環境下的仿真交互，真實模仿各類視覺、聽覺，甚至觸覺，讓學生能夠利用感知和認知能力全面地獲得各種空間信息和邏輯信息。智能制造虛擬仿真教學立體及全方位的教學方法，使得智能制造虛擬仿真教學知識可以通過智能化途徑進行傳播，并將其自身形態保存到最大程度，全面改善智能制造虛擬仿真教學現狀。

2.3? ?智能制造虛擬仿真教學時代性特點

5G時代，智能制造虛擬仿真教學以計算機技術為手段，在多層面上對智能制造虛擬仿真教學知識、實驗等進行虛擬模擬。智能制造虛擬仿真教學系統由視覺感知、物理感知、生理感知和智能感知四個不同發展階段構成，并通過建立多學科、多層次的教學模型，使人感受到由微觀到宏觀的精密仿真。在傳統智能制造虛擬仿真教學中，師生都是教學活動的主體和對象，但由于時空限制，影響智能制造虛擬仿真教學效果。如今，數字技術能打破時空局限，更好地參與到智能制造虛擬仿真教學中，合理運用教育資源，達到智能制造虛擬仿真科學化的教育目的。

3? ? ?智能制造虛擬仿真教學應用的優勢

智能制造虛擬仿真教學是我國教育信息化和實驗教學示范基地建設的重要環節，虛擬模擬實驗是教師在課堂上進行的一種重要教學手段。虛擬模擬相較于虛擬仿真，資源損耗與投入更小，可以更有效地實現實驗重建，能夠有效解決虛擬仿真的“三高”“三難”痛點。通過虛擬現實技術，可切實改善智能制造虛擬仿真教學質量。有關智能制造虛擬仿真教學應有優勢，主要體現在以下幾點。一是有利于提高教學質量，通過生動、逼真、立體地展示智能制造虛擬仿真知識，將抽象實驗過程壓縮成逼真動畫，使教師能充分利用虛擬元件資源，達到最佳教學效果。二是有利于演示實驗室不便于操作的實驗，協助老師進行實驗示范，如復雜性實驗及危險性實驗等。三是有利于提高智能制造虛擬仿真教學課堂趣味性，利用多媒體技術及虛擬仿真技術及傳感器輸入輸出等技術，建立高仿真虛擬實驗環境，可以讓學生在虛擬現實環境中親身感受，并實現交互式實驗教學。四是有利于豐富智能制造虛擬仿真教學方式，虛擬模擬實驗可打破實驗教學中環境污染、設備短缺及危險性大等客觀因素的制約，較好地適應智能制造虛擬仿真教學要求，促進學生自主學習和探索智能制造虛擬仿真知識。

4? ? ?智能制造虛擬仿真教學應用策略

4.1? ?注重智能制造虛擬仿真教學的應用

一方面，建設校企合作視角下智能制造虛擬仿真教學模式。首先，教學過程中教師應針對智能制造虛擬仿真教學的目標加以明確，既要著重培養學生創造意識、創新意識，還要鍛煉其動手能力。具體教學時，可以結合校企合作這一方式，積極進行模擬實訓練習，構建相對完善的教學體系，最大限度地激活學生潛能，保障學生的創造性思維得以發展，并且深度貫徹校企合作相關目標。其次，在課程實驗、綜合實踐和生產性實習中，應用虛擬平臺、虛擬現實技術和半實物仿真技術進行綜合實踐，或以建筑虛擬工廠為平臺，進行全面崗前培訓和頂崗實習。此外，利用虛擬模擬實習平臺，銜接多種學科，并利用該平臺對課堂上的應用進行演示、說明，從而達到有效的教學效果

另一方面，運用多元化的教育方法，加強對智能制造的虛擬仿真教育，注重對各種教學手段的運用。如通過BIM技術實現多個教學軟件的連接，以確保各種軟件和技術能夠充分發揮各自的作用。同時，在學習過程中，通過運用虛擬技術，調動學生學習熱情，逐步提高其運用虛擬技術的能力，使其掌握虛擬現實技術的知識與技能。在此基礎上，運用成本跟蹤分析法，指導學生對相關原理、價值因素進行分析，并找出其與因數的關聯。當然，教師還可以依據相關的教學內容，建立相關的線性規劃模型，引導學生進行參數的計算與分析。這樣不僅可以為學生提供具有藝術性、實用性和經濟性的教學方案，而且可以更好地適應虛擬現實技術人才的發展需求，為企業培養更多優秀的后備人才。

4.2? ?優化完善實訓場景及平臺

一方面，構建專業化的實踐平臺，具體操作時，做到以下幾點。①基于虛擬仿真技術構建多學科的培訓平臺，提高學科聯動性，解決當前教學過程中課程體系系統性不強、知識點聯系不緊密等問題。同時，基于信息化平臺和仿真實驗室探索有效的教育方法。當前時代，學生能夠在網絡上輕松獲取各類知識，教學過程必須重視網絡技術的影響，適應新時代信息傳播方式的變化，更好地整合學校、教師、線上信息等多方資源，將各個學科的理論與實踐相結合，并通過虛擬實驗、網上教育的方式，將不同專業模擬實驗與地方經濟發展、學科群建設、學生創業等相結合，真正實現虛擬現實教學的功能。②基于學科教育實際情況，利用現代信息技術，實現一定區域內仿真實驗室資源的共享。在傳統教學過程中，一個學校的教育水平在很大程度上受限于教師的教學能力，而一位優秀教師的影響力輻射范圍有限。利用信息化平臺和網絡傳輸技術，通過仿真模擬實驗室，教學課堂也可以不斷擴大。仿真模擬平臺不同于錄播課的無限回放，仿真模擬平臺可以實現學生與教師的實時互動，通過感官模擬更好地讓學生身臨其境，這有助于教學資源在更大范圍內的共享開放。③建設培訓平臺時，要有地方政府的支持。企業網站、學校網站等都可以為廣大的學生提供相關的資訊，讓其了解該平臺的實際需求，實現資源分享目標，為平臺使用者提升經濟效益和社會效益起到示范及激勵作用［1］。

另一方面，在OMO模式下注重對教學情境進行擴展。通過運用計算機技術和虛擬技術，可以為學生提供良好的實訓環境，從而避免其在實際操作中遇到困難。在智能制造的虛擬模擬實驗中，師生都期望能夠將網絡與實踐相結合，以降低網絡中的安全隱患。例如，在進行高危險性的模擬實驗時，學生會搜集大量學習材料、實驗作業材料，并將其應用于實踐，以指導實踐，避免再次出現類似的錯誤，進而引發危險。目前，教師和學生都希望能夠把“線下”和“在線”有機地結合起來，以降低“不可重復”的實驗失敗率，提高學生對現實問題的解決能力。再如，通過建立虛擬模型來支撐各個學科的知識傳授過程，收集學生的實驗數據，使其能更好地指導其后期學習和實踐操作，從而增強虛擬現實教學效果。

4.3? ?多元化虛擬仿真資源

通過分析典型智能制造虛擬仿真教學任務，總結關鍵技術應用能力，以智能制造虛擬仿真教學資源為基礎，開發以虛擬模擬為基礎的技能培訓資源。在智能制造云服務平臺基礎上，突破傳統課堂時間和空間的局限，實現零散無國界學習和課堂系統化教學系統。例如，將“一核多極”虛擬模擬訓練集群的工業控制、加工制造及新能源汽車等專業虛擬模擬資源進行集成，并將其分為專業基礎課程、智能工廠、培訓研究、綠色創新實踐及特色工坊資源［2］。

另外，結合智能制造虛擬仿真課程的特點，構建多學科、模塊化的教學體系，通過虛擬實訓與實際情況的結合，對各個智能化生產流水線進行模擬，實現虛擬實訓，更好地突出課堂教學的設計性和研究性。同時智能制造虛擬教學還能夠創設更貼合學科特征的教學環境，為學生提供更真實的實訓體驗，利用感官模擬實現教學與實操的“虛實相融”。

4.4? ?加強師資隊伍以及運行管理機制

在師資隊伍建設上，除注重對現有教師的培訓，把其作為重點培養對象外，還要注重在企業中開展帶隊教師培訓，并運用各種方法發掘其潛能。首先，可以從學校中挑選出合適的教師，并將其組織起來，制訂培訓方案，進行有針對性的、大規模的培訓。在培訓時，應根據智能虛擬仿真教學目標，與虛擬模擬教學實踐平臺相結合，對師資進行培訓。其次，學?？梢怨膭钅贻p教師積極參與到企業培訓活動，并通過實際操作來增強與企業之間的聯系。再次，在完成培訓任務后，還可以讓年輕教師進行考試，測試其成績。在實際教學中，可以通過企業技術人員的協助，對教學進行技術上的指導，從而有效地提高教師的綜合素質。最后，在學校智能制造虛擬仿真教學科研項目立項時，可以通過與企業的交流與合作，增強對平臺的使用，充分發揮其作用，也可以有效地提高科技成果技術含量，增強研究的科學性和可靠性［3］。在教學實踐中，教師的整體素質也會隨之提高。在企業中，導師的實際工作能力和工作經驗都很豐富，但在實際工作中，卻很難將大量的工作經驗化成自己的理論。為此，必須加強學校內部的訓練，以使其具有一定的實踐經驗轉換能力。企業可以定期組織優秀的教師，并與學校進行交流，讓教師有機會到大學去學習，參與到理論知識的培養中去。在培養過程中，教師要積極主動地參加大學的課堂教學，把自身實際技能傳授給學生，并幫助學生解決智能制造虛擬仿真教學中的實際問題。

5? ? ?結束語

綜上所述，在智能制造虛擬仿真教學改革大背景下，對智能制造虛擬仿真人才的培養提出了更高的要求。通過建立智能制造虛擬仿真教學平臺，可以讓學生有更多實際訓練機會，通過虛擬仿真實訓教學資源推廣虛擬仿真實訓技術成果及應用平臺，進而有效解決智能制造虛擬仿真“三高三難”問題，促使學生更好地理解智能制造虛擬仿真知識和技能，提高智能制造虛擬仿真知識和技能應用能力，這對學生日后在工作崗位上高效應用虛擬仿真知識和技術具有重大意義。

主要參考文獻

［1］黨威武.“智能檢測技術”的虛擬仿真教學實訓中心建設策略研究［J］.微型電腦應用，2022，38（9）：56-58.

［2］張健平，蔡勇.“新工科”背景下工科類專業性實驗虛擬仿真教學模式的構建與實施［J］.大學物理實驗，2022，35（4）：140-149.

［3］劉海峰，龐在祥，王曉東，等.新工科背景下智能制造虛擬仿真實訓教學平臺建設與應用［J］.實驗技術與管理，2020，37（10）：255-258，262.

［收稿日期］2023-03-17

［作者簡介］夏紅兵（1982— ），男，江蘇如皋人，講師，主要研究方向：電氣自動化智能制造。