面向金課的虛實融合校企協同實踐平臺探索

金 霞，王 珉，田 威

（南京航空航天大學，南京 210016）

在習近平新時代中國特色社會主義思想的指導下，2018 年，教育部發布《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》，提出要推進現代信息技術與教育教學深度融合[1]。2019 年提出一流課程“雙萬計劃”，南京航空航天大學飛行器制造工程專業獲批2 個國家一流課程：飛機大部件裝配虛擬仿真實驗（虛擬仿真型）和鈑金模具綜合實驗（線上線下混合式）[2]。但一流課程建設不是“一錘子買賣”，不是階段性任務，而應成為專業課程建設常態，需要持續建設，特別是隨著教育信息化的深入發展以及飛行器先進制造技術的發展，企業行業對高素質復合型人才的需求不僅在于理論知識的掌握，更看重較強的實踐能力和創新能力，因此如何通過持續建設金課，實現一種具有可持續發展自驅力的金課群建設模式，打造可持續發展的培養高素質復合型人才實踐能力的平臺，是目前專業發展需要研究的問題。

一 目前存在的問題

本專業獲批的2 個國家一流課程：飛機大部件裝配虛擬仿真實驗（虛擬仿真型）和鈑金模具綜合實驗（線上線下混合式）均為實踐類課程，更著重對學生解決復雜工程問題能力的培養，但隨著先進制造技術和現代化信息技術的飛速發展，實驗內容、模式等都應做出相應改變，但目前依然存在一些問題。

（一）科教融合不充分，線上線下金課缺乏最新科研成果的持續輸入

以走在智能制造尖端的飛行器制造工程專業為例，科研方面往往代表了制造技術的最新發展，但建設的實驗金課往往難以及時隨著科研而更新，主要原因在于：有的任課教師專門從事教學而不搞科研；從事教研的老師往往在做科研時沒有考慮如何與教學融合；本專內教師的科研方向相對固定，往往不能覆蓋專業內全部方向，具有一定局限性；獨木難成林，難以考慮充分全面。以上種種，導致實驗課程內容往往會相對陳舊，難以及時以最新科研成果來更新實驗內容，因此需要建立一個合適的平臺，集校企人才之長，共同把握和分享相關學科領域的新動態，以提升整體科研水平并服務于教學，探討如何將最新科研成果融入到實驗教學中，并相互共享，共同培養學生探究能力、創新能力。

（二）校企兩方在教育方面沒有真正協同起來

大學培養的人才最終要服務于企業服務于社會，因此學生培養應該符合人才需求，現有金課有線上、線上+線下實驗，但是實驗與企業需求聯系不夠緊密，如國家級一流課程“鈑金模具綜合實驗”中的線上實驗“飛機蒙皮拉形虛擬仿真工藝設計”，其中的工藝參數拉形量的計算來源于課本上的“位移量”法，與現在企業中常用的“噸位方法”“觀察法”“曲線拉伸法”存在差異性，導致學生畢業后在這方面會有認知差異問題。此外，飛行器制造工程專業的特殊性，導致大型實驗設備、飛機等無法在學校建設，而實習時間較短，且不能實際操作，難以滿足能力培養要求，因此迫切需要在學校與企業之間建立一個橋梁，以雙贏的方式共同培養學生和企業員工，即校企雙方針對某一共同的具體領域，開展校企協同育人虛擬仿真項目的建設，積極開發學校和企業“利益”一致的實踐環節，實踐教育實現需求從企業中來，落地到企業中去，形成良性的可持續合作機制。

（三）后疫情時代，現實條件下的實踐越來越不好開展，經常會受到突然發生的局部疫情，打亂整個實踐教育計劃

2020年國家級虛擬仿真實驗項目在疫情期間發揮了重要的作用，但是疫情沒有完全停止，依然此起彼伏且無從預判，時不時將正常的線下教學秩序打亂，這對人才培養是很大的阻礙，目前學校的虛擬仿真實驗項目，還只是專業實踐體系中的一小部分，難以滿足突發疫情時的實踐培養需要，因此迫切需要建設可持續發展機制用于完善虛擬仿真實驗體系，及時跟上日新月異的智能制造新技術，隨時應變突發的局部疫情。

因此，急需構建一個虛實融合、校企共贏的協同育人實踐教育平臺，共同探索、開發可持續實驗項目，形成良性的可持續合作機制，完善專業虛實融合的實踐培養體系，應對突發疫情，協同培養創新型人才。

二 虛實融合的校企協同育人實踐教育平臺的建設

（一）校企協同育人實踐教育平臺運行機制

飛行器制造工程專業，由于其專業的特殊性，在建設實驗中存在一些困境：①由于實驗場地大、設備大、部件大、工藝流程復雜等因素，學校難以復制諸如飛機裝配、復材零件成型、大型鈑金件成形這樣的大型工程現場；②新型設備往往需要有相應的專業資質和上崗證，師生均無法達到基本安全要求；③實驗需要不斷升級大型專業設備和工裝，消耗大量昂貴的實驗材料，物理實驗成本極高；④傳統的實驗只支持重復認知型實驗，無法開展飛機大部件裝配的高探究性實驗，直接影響了學生創新能力的提升。而虛擬仿真實驗項目可以改善這個困境，梳理專業虛擬仿真實驗體系，根據飛行器制造工程專業培養方案和飛機制造特點，按照體系化設想，以飛機零部件為主線，以飛機大部件為目標，根據知識結構，由毛坯→零件制造實驗（成形）→鈑金或復材零件→部件裝配實驗→裝配部件→翼身對接實驗→飛機大部件，構成一個飛行器制造工程專業教學知識體系，對應構成實踐教學知識體系，建設相應知識點的虛擬仿真和實操實踐項目。

雖然已有兩門金課，但隨著制造技術的發展，實驗課程應能及時跟上最新科研成果，及時跟上企業工程需求，因此，專業探討建設一個虛實融合的校企協同育人實踐平臺，結合教研室教師的智能制造技術科研成果，基于該平臺，開發可擴展的科教融合實驗項目，完善對金課“高階性、創新性、挑戰度”的建設，具體措施過程如圖1 所示。基于企業合作科研項目，通過教研室負責人和教學團隊的共同探討，確定虛擬仿真實驗項目，以專業實驗教師為主體，面向學生發布開發項目，學生可作為科創項目或者畢設項目，或者與工廠需求對應的校企聯合項目，通過多次開發迭代，形成可擴展實驗項目，并在實驗教學中應用，并通過應用反饋，形成閉環，完善實驗項目，逐漸完善后疫情時代的虛實融合實踐教育體系，以達到對學生能力培養的目的。

圖1 校企協同育人實踐教育平臺運行機制

教學團隊從一開始就要共同探討如何設計將科研與教學融合，并服務于教學，將科研進展快速迭代到教學實踐體系中，包括融入科研的實驗內容設計、教學過程設計，制定符合“金課”建設標準的實驗課程教學大綱、及時梳理課程體系和更新教學內容，并隨時跟進科學研究新方向，利用團隊各成員航空智能制造新成果，通過交流后，快速迭代到實踐教學體系中，探討教學設計、教學評價，共建和共享教學資源，并開展教學經驗共享交流，共同推動實驗金課的建設，并共享課程，促進教育公平。

（二）校企協同育人實踐教育平臺的建設

校企協同育人實踐教育平臺如圖2 所示，將線上和線下實驗教學有機融合起來，其建設主要基于以下幾點。

圖2 虛實融合校企協同育人實踐教育平臺

1）虛實融合：虛擬和實際相結合，將虛擬環境下的探索式實踐，和實際環境下的驗證性實踐有機的結合起來。利用線上虛擬仿真試驗，將真實的工程場景展示在學生面前，使學生在明晰的應用背景前提下，對探索實驗的工藝參數進行優化，并激發相應的驗證欲望。在此基礎上，由于學生已獲得基本準確的工藝參數，可以避免實操實驗大多數不合理參數，變更原來的重復認知型實驗為探索驗證型實驗，從而顯著提升實驗的效果和價值。虛擬仿真實驗項目能夠供學生進行不計成本的探索性實驗，比如工藝仿真，同樣也能供企業員工進行零成本的設備操作以及工藝知識培訓，建立一個校企協同育人實踐教育平臺，以科研的形式解決企業工程問題，并以虛實結合的方式，將企業工程問題通過虛擬和實際相結合，將虛擬環境下的探索式實踐，和實際環境下的驗證性實踐有機地結合起來，建立虛實結合的實踐教學項目。

2）校企協同：學校和企業相協同，將學校的智力資源（虛擬仿真）和企業的生產資源（生產現場）貫穿起來，提供可持續的實踐教育資源平臺。也就是說，針對老師與企業的科研合作，從科研中提取可用于實驗教學的內容，科研在企業中完成，形成企業的生產資源，提取出的實踐教學內容在學校完成，形成虛擬環境下的探索式實踐，從而將學校的探索式虛擬實踐和企業的驗證性實踐有機地結合起來，相互印證，反之對企業而言，員工在實操之前，可以在虛擬環境中進行多次無成本的試錯操作和培訓，達到校企共贏的局面，共同完成對人才的培養。虛實結合的實踐教學項目，既可用于學生探索性實驗，又解決了企業工程實際問題，并為企業員工的培訓提供了平臺。學校和企業相協同，以共贏的形式，將學校的智力資源（虛擬仿真）和企業的生產資源（生產現場）貫穿起來，建立可持續的協同育人實踐教育平臺。

在實施中，針對教學團隊，主要采取以下措施：①科研成果“虛擬化”。將自主研發的新設備建設數字孿生設備，提供用戶體驗一致的“虛擬設備”，滿足教學實驗、培訓等實踐教學需求；②工藝知識“仿真化”。梳理相應的工藝知識點，凝練實踐環節，通過虛擬仿真實驗，低成本高探究性地實現實踐教育環節；③協同育人“持續化”。積極開發校企“利益”一致的實踐環節，實踐教育實現需求從企業中來，落地到企業中去，形成良性的可持續合作機制。

如，教學團隊多年來與企業合作，在飛機部件裝配環形軌道制孔系統方面具有很豐富的研究成果[3]，研制的大型飛機環形軌道自動制孔裝備可自動完成飛機機身對接部位的自動制孔加工，系統包括環形軌道、制孔機器人、集成控制軟件和離線編程軟件等，包含多項先進的技術，但在現有的實驗課程中卻沒有體現，這就是“科教未融合、校企未協同”的問題，通過本平臺，聯合教師和學生之力，開發了其線上虛擬仿真實驗項目，學生可通過該項目，掌握飛機裝配中加工點定位、法向檢測和調整方法，了解高柔性軌道系統的設計與制造，掌握編程方法，并最后進行制孔的工藝設計，并可不計成本地在線上完成實驗，該線上項目同樣可以用于企業員工的培訓，包括設備操作使用以及工藝設計的培訓；在線上完成實驗，并獲得可執行的工藝設計后，即可在線上進行實操實驗，通過線上線下虛擬融合實驗，實現對學生工程問題解決能力和創新能力的培養。

通過平臺的建設，可實現：①虛實融合的沉浸式實踐育人平臺。智能設備控制和孿生仿真統一的用戶界面完全相同的操作模式，可以達到完全一致的用戶體驗和完全同步的更新方式；②校企協同育人的先進性制造裝備實訓。培養提升學生專業知識，也可以用于企業自動化設備的實訓（學校/企業的教學實訓，設備操作上崗培訓等）。③培養學生自主可控的工業軟件開發驗證能力，可以用于設備的自主可控離線編程仿真驗證平臺（當前采用CATIA 平臺，二次開發需要的成本和周期較大）；④拓展學生專業知識的探究性創新實踐素質，可以用于數字孿生監控，開展進行故障預測的智能方法探索。

（三）校企協同育人實踐教育平臺建設成效

在校企協同育人實踐教育平臺上，企業參與度高，企業可以提供更好的資源和數據支持，校企雙方能合作開發出更貼近工程實際需求同時又緊密聯系理論的符合金課標準的實驗項目，對學生解決復雜工程問題能力和創新能力的培養提供了良好的平臺，并進一步推動實驗內容和平臺的建設，形成校企協同的新驅動力。

而基于校企協同育人實踐教育平臺開發的可擴展虛擬仿真實驗，由于可擴展性和共享性，可以緊跟智能制造新技術的發展，讓學生能隨時隨地掌握最新技術并實踐應用，培養自身對實驗的開發能力。

在后疫情時代，虛實結合實踐教育新模式，可應對突發疫情，不影響正常的實踐教學計劃，可推廣使用。

目前通過該平臺，已建設一些虛實融合或者虛擬仿真的實驗項目：虛實融合蒙皮拉形工藝設計實驗、虛實融合大型飛機環形軌道自動制孔設計實驗、虛擬仿真壁板自動鉆鉚工藝設計實驗、虛擬仿真飛機翼身對接實驗等[4]（圖3），其中蒙皮拉形工藝設計、壁板自動鉆鉚和翼身對接實驗項目已經在部分院校（西北工業大學、貴州理工學院和南昌航空航天大學等）中進行共享，大型飛機環形軌道自動制孔工藝設計項目和上飛公司進行共享，上飛員工可在虛擬實驗項目上進行培訓，培訓達標后方可進行實際操作，節約了企業成本，縮短了培訓時間。未來在該平臺上還將繼續建設實驗項目。

圖3 基于平臺建設的實驗項目（部分）

三 結束語

構建虛實融合校企協同育人實踐教育平臺，可以使飛行器制造工程專業課程的學習，實現真正意義上的理論應用于（虛擬+實操）實踐，并能及時了解、掌握和應用先進制造技術，讓學生在虛擬結合的實踐過程中完成實踐能力和創新能力的培養；虛擬仿真實驗項目的開發，可以實現學生科研能力的培養；校企合作開發實驗項目，推動產教融合，實現校、企、生三方共贏，促進國家虛擬仿真項目和一流課程金課建設與實踐。