基于數字孿生技術的機電類專業課程改革研究

曾麗穎 韋小芬

摘要文章基于數字化背景下機電類專業課程改革中存在專業課程設置與行業發展需求不兼容；教學環境與教學方式的數字化轉型成效不足；專業教師數字技術應用能力亟待提升；專業實訓設備更新緩慢；優質的數字化教學資源不足等問題，探索了數字孿生技術對于機電類專業課程改革的重要意義。提出關注數字化背景下機電類行業的發展與人才需求，借助數字孿生技術整合機電類課程內容，基于數字孿生技術創新教學模式；開發數字孿生技術的實訓資源；開展基于數字孿生技術的“云實訓”，為機電類專業課程的數字化教學改革提供參考借鑒。

關鍵詞數字孿生技術；機電類專業；課程改革；混合式

中圖分類號：G712? ??????????????????????????文獻標識碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.21.014

Research on the Curriculum Reform of Mechanical and Electrical Majors Based on Digital Twin Technology

ZENG Liying， WEI Xiaofen

（Baise Vocational College， Baise， Guangxi 533000）

AbstractThe article is based on the digital background， and there is an incompatibility between the professional curriculum and the industry development needs in the curriculum reform of mechanical and electrical majors; The effect of Digital transformation of teaching environment and teaching methods is insufficient; The digital technology application ability of professional teachers urgently needs to be improved; The professional training equipment is outdated and single; The lack of high-quality digital teaching resources and other issues have actively explored the important significance of digital twin technology for the curriculum reform of mechanical and electrical majors. Propose to pay attention to the development and talent needs of the electromechanical industry in the digital context， integrate the content of electromechanical courses with the help of digital twin technology， and innovate teaching models based on digital twin technology; Developing practical training resources for digital twin technology; Carry out "cloud training" based on digital twin technology， providing reference for the digital teaching reform of mechanical and electrical professional courses.

Keywordsdigital twin technology; mechanical and electrical majors; curriculum reform; hybrid

隨著《中國制造2025》的提出，新一代信息技術與制造業的深度融合成為國家戰略的重要方向[1]。制造業正面臨從傳統制造向智能化、數字化轉型升級的歷史性挑戰。職業教育作為培養高素質技術技能型人才的重要途徑，需要適時調整教學模式，為數字化轉型升級提供專業型人才支持[2]。數字孿生技術作為一種新興技術，通過構建虛擬與現實的雙向映射關系，實現對現實世界的數字化表征和模擬[3]。基于數字孿生技術的信息化教學模式可以有效地解決傳統教學模式中存在的教學資源不足、教學方法單一、教學效果難以評估等問題，從而提高教學質量，培養適應數字化轉型升級的高素質技術技能型機電類人才。因此，進一步探究數字孿生技術的信息化教學模式對于機電類專業課程的數字化教學改革具有重要意義。

1? 數字化時代機電類專業課程改革面臨的現實問題

1.1? 專業課程設置與行業發展需求不兼容

數字化升級為機電類崗位創造了大量就業機會。然而，機電專業課程體系相對傳統，缺乏與現代制造業發展趨勢的緊密結合，學生在學習過程中難以形成系統性的知識體系。并且，傳統的課程設置往往過于注重理論知識的傳授，而忽視了實踐操作能力的培養。這種情況下，學生在畢業后往往會面臨較大的就業困難問題。同時，傳統課程體系與工業4.0時代背景下的數字化需求不相適應。尤其在制造業智能化轉型的大潮中，數字孿生技術、云平臺、VR等新興技術正逐漸成為行業發展的關鍵驅動力。課程設置卻尚未充分涵蓋這些新興技術，也進一步導致學生在畢業后難以勝任數字化制造業的相關崗位。

1.2? 教學環境與教學方式的數字化轉型成效不足

傳統的機電專業課程主要依賴于線下教學，學生通過聽課、實驗和實訓等方式學習機電相關知識。存在學習資源和途徑較為單一，且教學效果受限于教師能力和實訓設備投入等多重因素的影響，從而無法保證教學過程的高質量開展。

隨著教育信息化2.0行動計劃的提出，教育現代化得到了一定程度的推動，線下教學空間逐漸拓展至線上，學生的學習空間和方式發生了轉變，教學質量也得到了一定程度的改善。但目前機電類專業課程的教學環境與實訓設備的樣式單一、更新不及時，使學生在實際操作過程中，由于無法接觸到更多樣化且新興的設備而影響了專業實踐能力的培養。

1.3? 專業教師數字技術應用能力亟待提升

當前數字化教學改革已成為教育領域的重要發展方向，教師對信息技術的熟悉程度直接影響了數字化教學改革的質量和效果。但目前高職院校機電類教師對新一代數字信息技術方面的熟悉程度普遍較低，這無疑會對數字化教學改革產生不利影響。同時，智能制造作為新一代數字化技術的重要內容，對教師的專業素質和技能也具有一定的要求。但教師在智能制造類相關的數字化培訓和先進智能制造類企業的實踐鍛煉方面存在明顯不足，導致教師很難迅速適應和跟上數字化時代教學改革發展的步伐。

1.4? 專業實訓設備更新緩慢，無法滿足多元化教學需求

首先，傳統實驗實訓設備的耗材消耗大，成本高。在實際操作過程中，學生需要使用大量耗材，如電子元件、機械零件等，這不僅增加了教學成本，還可能導致資源浪費。其次，由于實驗實訓設備的購置成本較高，院校往往無法購置足夠數量的機電類設備，使得學生在實際操作過程中面臨時間和空間的限制。這種情況不利于學生充分掌握實際操作技能，影響了職業能力的培養。此外，部分實訓設備的維護成本也較高，為院校帶來了經濟負擔。使得機電類專業教學的實訓設備無法滿足多樣化的教學需求，令學生在實際操作過程中難以全面掌握所需技能，影響了職業能力的培養。

1.5? 優質的數字化教學資源不足

首先，資源針對特定課程且相對分散，導致不同課程間資源整合共享程度低，可能引發重復建設與浪費，降低利用效率。其次，缺乏基于工作過程的虛擬仿真實驗、在線實訓等虛實融合的優質數字化教學資源，難以滿足教學需求。最后，機電專業缺少基于先進智能制造企業典型案例、數字孿生設備及常用機電元器件三維數字化模型庫的開發，影響學生了解行業最新動態與技術應用。

2? 數字孿生技術應用于機電專業課程教學改革的意義

首先，通過數字孿生技術與課堂教學的緊密結合，實現“教、學、做”一體化，提高教學質量。傳統教學方式存在資源有限、實踐操作機會不足等問題。引入數字孿生技術，學生在虛擬環境中實踐操作，提高動手能力和實踐經驗，從而提高教學質量。

其次，利用數字孿生技術改善課堂教學條件，減少硬件設備投入，提高設備使用效率，提高教學便捷性。傳統教學需大量硬件設備，如實驗室、實訓設備等，購置和維護成本高，使用效率不高。數字孿生技術通過虛擬仿真實驗室、虛擬實訓設備等方式，降低硬件設備投入，提高設備使用效率，同時提高教學便捷性。

再次，利用數字孿生軟件豐富的工業虛擬場景突破資源瓶頸，滿足學生開展實踐工程訓練的需求，培養其技能遷移能力和創新能力。傳統教學中，學生實踐操作機會受實驗室、實訓設備等資源限制。數字孿生技術提供了豐富的工業虛擬場景，讓學生在不同的場景中實踐操作，培養技能遷移能力和創新能力。

此外，數字孿生設備方便使用，不受時間空間限制，能夠提高有效教學時間，實現半沉浸式學習和異地“面對面”教學。傳統教學受實驗室、實訓設備等資源限制，學生學習時間和空間受束縛。數字孿生技術讓學生隨時隨地學習和實踐操作，提高有效教學時間，實現半沉浸式學習和異地“面對面”教學。

3? 基于數字孿生技術的機電專業課程教學改革創新舉措

3.1? 關注數字化背景下機電類行業的發展與人才需求

首先，需要加強教育部門和企業合作，共同制訂數字孿生技術在機電專業課程中的應用標準和教學大綱。確保課程內容與實際工作需求相匹配，為學生提供更加實用的技能培訓。其次，需要加強教師關于數字孿生技術的培訓和研究，使其更好地指導學生掌握相關技能。同時，教師還應關注數字孿生技術的發展動態，不斷更新教學內容，確保與時俱進。再次，注重實踐教學和理論教學相結合。在理論教學中，教師應重點講解數字孿生技術的基本原理、應用領域和發展趨勢。在實踐教學中，教師應引導學生通過實際項目和案例，學習數字孿生技術在智能制造中的具體應用，如數字化建模設計、數字化工藝驗證仿真、數字化裝備產線調試等。此外，評價體系也應與數字孿生技術的應用相適應。除了傳統的考試評價方式，還應加大對學生實踐能力和創新能力的考核。例如，可以通過實際項目、競賽等形式，檢驗學生在數字孿生技術應用方面的能力。

3.2? 借助數字孿生技術整合機電類課程內容

課程體系改革應根據工業4.0全智能集成的要求進行設置，充分借助數字孿生技術重組課程教學內容，實現課程之間的融合。并且，數字孿生技術作為一種將物理世界與虛擬世界相結合的技術，通過對物理設備的實時監測和數據分析，為設備的優化和維護提供支持。在教學過程中，我們可以利用數字孿生技術將不同課程的內容進行整合，使學生在學習過程中能夠更好地理解和掌握數字孿生仿真和調試技術。

3.3? 基于數字孿生技術創新教學模式

數字孿生技術作為一種現實生產與虛擬制造相融合的技術，其在機電專業課程教學中的應用可以分為三個階段：課前虛擬探索、課中實操驗證、課后虛擬拓展。

在課前虛擬探索階段，學生可以通過數字孿生技術提前了解課程內容，對實際操作有一個初步的認識。同時，學生還可以在虛擬環境中進行實踐操作，為課堂教學打下基礎。

課中實操驗證階段，學生在教師的指導下，將課前學到的知識應用于實際操作中。數字孿生技術可以為學生提供一個接近真實工作場景的環境以便更好地掌握操作技能。

課后虛擬拓展階段，學生可以通過數字孿生技術對所學知識進行鞏固和拓展。在虛擬環境中，學生可以自主選擇不同的實踐項目，進行多樣化的操作練習。這種方式有助于提高學生的實踐能力和創新能力。

3.4? 開發數字孿生技術的實訓資源

首先，我們需要深入調研智能制造數字化轉型升級背景下的企業需求和行業動態。通過與企業和行業專家的深度交流，了解企業在數字化轉型過程中面臨的挑戰和需求，從而設定適應新時代人才培養需求的教學內容。這將有助于我們培養出更具實際應用能力和創新精神的機電專業人才，滿足企業和行業的發展需求。

其次，基于數字孿生技術開發數字孿生設備和優質的數字化教學資源。數字孿生技術是一種將物理世界與數字世界相互映射的技術，通過構建數字孿生設備，我們可以實現對實物設備的實時監控和分析，為教學提供更加豐富和真實的教學資源。同時，我們還可以利用數字孿生技術開發優質的數字化教學資源，如虛擬仿真實驗、在線教學視頻等，形成完整的工作過程，提高教學質量和效果。

再次，借助數字孿生技術和工業互聯網技術實現實訓設備的遠程監控，支持線上線下混合式教學。通過將實訓設備與數字孿生技術和工業互聯網技術相結合，我們可以實現對實訓設備的遠程監控和管理，為學生提供更加便捷和高效的實訓環境。此外，線上線下混合式教學模式可以讓學生在課堂內外都能夠充分利用數字化教學資源，提高學習效果和興趣。

3.5? 基于數字孿生技術的“云實訓”的開展

利用數字孿生技術和工業互聯網技術開展“云實訓”，實現線上實驗實訓教學。通過數字孿生技術，模擬真實設備和場景，提高學生的應用技能和就業競爭力。線上實驗實訓教學突破了地域和時間限制，提高了教學的便捷性。

數字孿生技術可為機電專業課程教學、競賽訓練、考證提供便捷。實踐操作在機電專業課程中至關重要。通過數字孿生技術，構建虛擬實驗室和實訓場景，能提高學生的實踐能力。此外，數字孿生技術可應用于競賽訓練和考證過程，幫助學生應對實際工作的挑戰。

數字孿生技術在教育領域的應用需政、校、企、行多方合作共建豐富的應用場景。政府部門可制定政策，支持數字孿生技術在教育領域的應用；學校與企業合作，共同開發應用場景，提供實踐機會；企業提供實際工作場景和需求，幫助學校優化課程設置；行業協會組織專家評審，確保應用質量。多方合作共同推動數字孿生技術在教育領域的廣泛應用，為學生提供豐富的學習資源和實踐機會。

4? 結語

將數字孿生技術融入機電專業課程改革，對于培養高素質的技術人才具有重要意義。機電專業可以側重于教學方法的不斷創新、實踐培訓資源的開發以及基于數字孿生技術的“云培訓”的實施，以更好地適應數字時代不斷變化的行業需求和人才需求。

參考文獻

[1]王燦，羅文軍，秦展田.新工科背景下混合式教學評價體系的構建——以“機電傳動與控制”課程為例[J].科教導刊，2023，507（3）：115-117.

[2]陳乃超，王昊，馬行馳，等.基于“兩性一度”的機電傳動與控制課程教學改革[J].科教導刊，2022，497（29）：91-94.

[3]于劍鋒.鄉村振興背景下高校機電專業實踐教學改革研究[J].中國果樹，2023，23（4）：163.