淺談數字孿生技術對材料成形技術課程的促進作用

王立巖 夏建生 董小飛 陳青

鹽城工學院機械工程學院 江蘇鹽城 224051

工程技術人才是國家重大工程和基礎制造發展的基石。因此，黨和國家對培養綜合實踐創新能力人才提出重要策略，深化改革高等教育實踐教學的教育方式的根本在于傳統理論課堂的教學模式改革與升級。目前，在教學改革嘗試中存在一些弊端，如教師自身的實踐教學能力和意識的不足；課堂教學方式抽象使學生難以理解重點難點內容；教學手段單調；針對性實效性不強等。

數字孿生技術與傳統多媒體教學的主要區別在于，數字孿生技術給學生們帶來更加生動和沉浸式的課堂學習體驗。尤其是一些與工程實際緊密聯系的工程理論課程——材料成形技術基礎，在課程學習中涉及較多的專業術語和工藝步驟，僅通過靜態的圖片或影像資源很難讓學生對課程的基本概念與重要知識點吸收和理解，進而大幅降低學習效率。因此，需要轉變傳統教學思維與方法，將數字孿生技術引入工程課程的課堂具有重要意義[1-3]。

一、材料成形技術課程教學中存在的問題

在新工科發展的背景下，工程專業理論課程學習中增強了理論聯系實踐環節[4-6]，實踐環節能提高和培養學生的動手能力與理論聯系實際的能力[7]。但實踐環節與理論教學環節分開獨立進行仍然存在一些弊端，教學過程中學生存在對理論知識把握程度與認識理解程度不深等現象，遇到應用對象存在問題把握度不夠、實際工況問題分析與理解不足等問題。

(一)材料成形技術的教學目的

材料成形技術基礎是材料成型及控制工程專業的一門專業必修課。涉及金屬材料的液態金屬成型工藝、鑄造工藝、焊接成型加工工藝和塑性成型加工工藝等內容的基本理論和基本知識，以及非金屬材料的高分子材料及復合材料成形與陶瓷粉末成形技術等內容的基本理論和基本知識。課程涉及金屬材料與非金屬材料等多種材料，以及各種不同材料的適應成形方法，因此，對于從未接觸到實際工程現場的學生們，這無疑是晦澀難以理解的復雜概念。

(二)材料成形技術的教學現狀

材料成形技術基礎課程包括理論教學和實踐教學兩部分，課程的教學順序為理論教學在前，實踐教學在后。在理論教學環節中以教師講授為主，通過多媒體和教學課件等資源講解課程內容，教師與學生間的互動較少，在課堂中無法了解每位同學的學習情況。相較于基礎理論課程而言，由于工程理論知識較為晦澀難懂，其中的一些概念和名詞，包括實際應用所涉及的工況分析與理論模型的應用，需要具有一定的工程背景才能更好地理解和學習。

目前，許多高校存在多媒體教學資料陳舊過時，闡述基本理論知識與難點知識內容過于單調等現象。這對于缺乏實踐背景的大學生來說，不利于其理論學習效果的提高，限制了學生對實際應用的想象和發揮。若按照書本上的理論層次深度講解理論知識，學生難以清晰理解和吸收理論知識；通過淺顯易懂的方式講解理論知識，有助于提高學生的理解和強化，但這樣會使理論與實踐應用相差過大，在今后的理論實踐中，增加學生的認知與聯系困難。因此，如何適當地將工程理論知識提高與簡化間的平衡，對于學生學習與理解課程內容具有重要意義。

(三)材料成形技術的教學改革

面對上述存在問題，國家教育相關部門在2015年頒布了《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》，意見中提到創新教學方法，補齊教育短板和強化實踐等有效措施。國內以應用型為主的高度教育學校，相繼開展以提高大學生高質量創業就業為目標的教學改革行動，以培養和提升學生的綜合素質為基礎，開展教學資源設計，建立課程評價體系，啟迪學生開創性思維，激發學生自主深度思考和學習能力。結合智慧學習系統，密切關注學生的學習反饋情況，對學習效果系統科學分析，根據學習能力制定相匹配的課程體系，從而降低學生對理論課程理解的差異化，全面提高教學實施效果。

此外，作為工科專業的基礎課程，不僅要強化學生的理論知識學習，更要加強工程實踐認知與操作。為激發學生對工程實踐操作的興趣點，提高學生實踐操作與行為，基于數字孿生技術的課程資源導入與開發，會顯著提高學生對實踐過程的熟悉和了解，增強課堂教學趣味性、啟發性，通過虛擬線下工程案例的實踐內容場景，提高學生對工程實踐內容的理解和掌握程度。將“大國工匠”的堅韌精神與課程體系恰當融合，了解重大工程對社會經濟和民生發展的重要性，提高學生對專業課程重要作用的認知高度和拓展專業視野，增強學生愛國情懷，提升學生對工程實踐學習的眼界與開拓思維。

二、數字孿生虛擬仿真技術在材料成形技術課程中的改革探索

在新工科背景下，教學模式更加注重理論聯系實際，針對理論教學與實踐教學環節的融合促進，MOOCs資源平臺給新型混合教學形式帶來極大幫助[8-9]，即使未能親自接觸實踐內容的動手操作，也能讓學生掌握實際工藝流程的整體運行方案，因此需要探索新型混合式的教學模式，強化實踐教學效果。

(一)數字孿生技術

數字孿生的概念誕生于21世紀，由美國密歇根大學的Michael Grieves教授所提出的先進制造技術領域與一種新型信息物理融合理念[10]，早期被命名為“信息鏡像模型”(Information Mirroring Model)，隨之逐漸地演變成為“數字孿生”(Digital Twin)。數字孿生技術是利用多物理、多尺度和多概率等虛擬量實現了現實的物理世界與虛擬的數字世界的集成映射與融合。用戶可基于數字孿生模型，對實體在現實環境中的制造形成過程、應用工作狀態等物理行為進行模擬、診斷、預測、監控產品等流程的操作。

(二)數字孿生混合式教學設計

基于材料成形技術的虛擬仿真模擬教學平臺，以交叉融合探索模式開展理論與實踐教學內容，教學內容以學生整體自主設計材料成形工藝方案為主，通過智慧評估系統，結合教師與學生反饋機制對教學模式進行優化。利用虛擬仿真實驗平臺模擬金屬材料的成形工藝過程，通過寓教于學的方式讓學生體驗材料成形過程，隨后的評估系統主要針對材料成形參數、材料體積以及設備參數等內容考核學生操作成績，根據學生對工藝流程的熟悉度及完成度加權評價總體成績。通過與傳統授課方式進行對比分析和評判，評價采用量化評估方式有助于充分了解學生對理論與實踐內容的掌握程度，其中量化指標主要從教學質量、教學效果、學生反饋等方面展開實施。

以鑄造成形工藝為教學案例，分析鋼液澆鑄過程中冷卻、凝固及收縮等現象，針對鋼液的冷卻過程、凝固過程、流道形狀等開發數字孿生模型，建立理論教學和實踐操作的虛擬仿真平臺。采用材料的本構關系模型、砂型形狀、冒口形狀、流道設計構建澆鑄仿真用數字孿生模型，完成虛擬仿真平臺開發與系統程序編寫、測試等任務。學生可使用本人的學號登入仿真平臺進行觀看和學習，通過對鑄造過程的了解和學習進行操作，教師根據學生在仿真平臺上的操作步驟給予評價和打分，同時，虛擬仿真教學平臺會針對學生線上實踐情況生成評估報告。

(三)數字孿生驅動混合教學模式

數字孿生技術可以將現實物理實踐內容生動和高效地映射到傳統課題教學中，增加傳統教學方式的趣味性和活躍性，并將數字化技術、網絡信息技術及教學方式等有機融合，滿足新工科背景驅動下對學生培養目標和創新能力提升的迫切需求。數字孿生技術驅動的混合式教學模式融合了虛擬現實與實踐操作等線上與線下混合式的教學模式。利用線上教學資源平臺，如MOOCs(慕課)國家精品課程在線教育平臺，將數字孿生驅動的材料成形工藝流程、加工過程仿真等數字信息技術與線上、線下理論教學融合，使學生可采用多種方式，如手機、平板和計算機等電子設備進行深度學習。針對材料成形技術課程內容和教學大綱，將網絡教學資源劃分為具體和細化的學習內容，學生可按照教學進度，利用教學資源進行自主學習，并進行自我學習情況檢驗與評估。智慧系統會記錄每位同學的學習時長以及觀看頻率，系統會根據學生比較關心和觀看頻率較高的部分內容進行反饋，并生成學習過程數據報告，有利于教師在后續課程推進與線上教學模式升級具有重要參考價值。

在傳統線下教學的課堂中，同樣也可采用數字孿生技術驅動的教學資源，主要是以課堂重點難點內容進行講授、課堂分組討論、隨堂測驗等方式，促進課堂活躍氣氛，使枯燥乏味的理論知識內容變得生動和精彩。通過線下課堂教師與學生面對面的交流，學生提出對學習材料成形過程的感受，及時反饋與學習內容溝通有助于學生抓住重點內容，理順課程內容的邏輯順序。教師要針對與學生的交流和學生的學習情況及時做出收集、反饋以及調整。在后續課堂中將學生分成若干組，對于學習進度和理解程度具有差異的同學，對其課程進行調整和不同程度的課堂提問，調動學生學習興趣，鼓勵學生學習熱情，通過課堂和課后的不斷學習，有效地掌握課程的重點內容。

(四)數字孿生混合教學實踐效果

目前，國內許多高校開始展開基于數字孿生驅動的混合實踐教學模式，大多數仍處于研究探索和開發的階段，隨著國家對專業技能人才的培養的高度重視，數字孿生技術與虛擬實踐仿真相結合的研究取得了較為豐富的研究成果。經過實際教學的體驗和實驗操作后發現，基于數字孿生技術驅動的混合式教學模式具有以下效果：

(1)強化學生學習效果。通過數字孿生技術驅動的教學方式對材料成形技術課程內容的講授，減少了理論課程學習的枯燥乏味，提升課堂學習活躍性，強化學生的自主學習能力。學生將基本理論知識形成豐富而具體的內容，通過與實踐教學內容聯系，學生自主查閱文獻和教學資料，增強理論課程內容學習，提升實驗操作熟練程度和準確性，理論課程和實踐教學成效得到顯著提升。

(2)提高理論聯系實踐效果。數字孿生驅動混合式教學形式，使學生從虛擬物理世界獲得現實世界的感受，從傳統理論課堂進入實際材料成形工藝流程，拓展課堂理論學習局限性，增強實踐學習環境下實踐學習能力和熟練程度，激發學生主動面對實踐操作困難的決心，從而得到更為全面的實踐訓練。

(3)提升學生綜合實踐能力。結合虛擬仿真平臺，熟悉每個材料成形過程中的所采用的重要參數和操作環節，提高學生面對實際問題的應變能力和動手能力。采用數字孿生驅動混合的教學形式，可以讓每位學生具有足夠的學習時間接觸實踐過程。針對不同工藝過程進行課程的獨立設置，讓學生以項目的形式進行學習和虛擬實踐操作，顯著提高工程綜合能力和創新能力。

結語

數字孿生驅動的混合式教學方式將物理世界與虛擬世界構筑橋梁，形成虛實結合、資源同步、互生互融的新型理論與實踐相融合的教學模式。根據當前社會發展對綜合素養和創新實踐能力人才的需求，基于材料成形技術課程進行教學改革嘗試和探索，提出基于數字孿生技術驅動虛擬仿真平臺的混合式教學思想，采用數字孿生的混合實踐拓展學習模式進行研究。基于數字孿生的混合實踐教學平臺提出總體設計方案，探究數字孿生的混合實踐教學模式以及平臺搭建。利用數字孿生實踐教學的自由性、拓展性的特點，可顯著提高學生對課程內容體驗感受和自主學習的興趣，相較于傳統授課，新型混合式的教學模式讓課程的重點和難點更加容易吸收和理解，使學生的綜合實踐能力和創新能力逐步提升，為新工科背景下的工程實踐課程的教學改革方向提供一條有益途徑。