智慧工廠+虛擬仿真混合式實踐教學模式探索

闞希 張紅燕 曹海嘯 朱靈龍

摘要：智慧工廠是指利用物聯網、大數據、人工智能等技術手段，將傳統生產制造業轉型升級為智能化的生產模式。隨著智能制造產業的快速發展，智慧工廠成為當前制造業改革的熱點之一。然而，高校在傳統的實踐教學模式下，存在教學與實際生產脫節等問題。通過采用虛擬仿真技術，學生可以在一個仿真的環境中進行實驗操作和工藝流程調整，不僅降低了實踐成本和學生安全風險，還提供了更多的重復實踐機會。混合式實踐教學模式結合了虛擬仿真和傳統實踐操作，在教學過程中可以提供更加全面和靈活的學習方式，學生可以通過虛擬仿真進行預習和實驗，掌握基礎知識和技能，然后在真實的生產環境中進行實踐操作和應用，鞏固和提升所學內容。文章采用混合式實踐教學模式的方法，將傳統的理論教學與實踐操作相結合，提供更加全面和有效的學習體驗。這種模式不僅可以提升學生的學習效果，還可以降低學習成本和風險。智慧工廠與虛擬仿真混合式實踐教學模式的探索能夠提供更加全面和靈活的學習方式，培養具備實際操作能力和創新思維的人才，促進生產制造業轉型升級。因此，文章提出“線上線下”“虛實結合”的方式，旨在探索智慧工廠與虛擬仿真混合式實踐教學模式，對推動智能制造發展和促進產學研結合具有重要意義。

關鍵詞：混合式教學；虛擬仿真；課程實踐；智慧工廠；虛實結合

中圖分類號：G652；G434 文獻標志碼：A 文章編號：1674-8883（2023）24-0054-03

基金項目：本論文為2023年度江蘇高校哲學社會科學研究一般項目“大學生學業成績對初次就業能力影響的統計學分析與研究”成果，項目編號：2023SJYB0918

智慧工廠是指利用先進的信息技術[1]，通過實時數據采集、分析和處理，實現工廠生產過程的自動化、智能化和高效化，覆蓋物聯網、大數據、人工智能、機器人等一系列高新技術領域[2]。因此，智能制造業對各領域學科交叉型技術人員的需求極大，工作人員需要對智慧工廠的生產工藝流程有全面、系統的深入了解。為了滿足智慧工廠對所需人才的知識與技能需求，本文探索了集理論、虛擬仿真、實際操作為一體化的智慧工廠虛擬仿真實踐教學模式[3]，著重從智慧工廠虛擬仿真系統的探索、實踐教學體系的構建等方面入手，模擬工廠的實際場景，基于真實的工作崗位、選取典型的企業案例、模仿真實的生產過程，培養與社會需求相一致的應用型專業人才[4]。

為此，本研究首先設計了一套具有可行性和可操作性的智慧工廠虛擬仿真方案，實現對生產過程的實時監控、優化和控制。然后，構建完善的實踐教學體系，以實際操作為核心，以理論教學為基礎，以虛擬仿真為輔助，實現三者有機融合。通過該體系，學生可以在掌握理論知識的同時，提高實際操作能力和解決問題的能力，更好地適應企業的實際需求。通過引導學生參與這種需要團隊合作的實踐項目，激發他們的創新意識和團隊協作精神，提高他們的綜合素質和團隊協作能力。

一、智慧工廠虛擬仿真的必要性

（一）解決實體實驗設備投入高的問題

智慧工廠的占地面積大，必須建設專用廠房，生產線的價格昂貴，設備的維護費用高昂，而且對環境要求極高，這些條件在實際教學中是無法滿足的。而本項目投入較少，可復用現有的實驗室，維護成本低，且無環境污染，能夠很好地解決實體實驗成本高昂的問題[5]。

（二）解決實體實驗動手機會少的問題

由于實體智慧工廠多為無人化工廠，有極其嚴格的準入制度，不僅申請程序煩瑣，而且工廠接納實習的人數很少，關鍵是絕大多數只提供參觀，學生根本沒有機會動手實踐。而本項目以真實工廠為對象，通過AR技術，把智慧工廠搬進課堂，搬出書本，通過手機、PAD、PC等終端[6]，學生可以隨時隨地開展智慧工廠虛擬實訓，能夠很好地解決赴實地工廠實訓效率低下的問題[7]。

（三）解決實體實驗安全系數低的問題

智慧工廠由大量生產線組成，大型設備多、載荷大，運動部件重量大，學生操作有較高的安全風險。本研究利用增強現實（AR）技術將工廠的實物對象虛擬化，即能夠讓學生獲得沉浸式的體驗效果，又可以很好地解決學生的安全問題[8]。

二、智慧工廠虛擬仿真實驗項目建設

以智慧工廠完整生產流程為綜合實訓項目，分為3個實訓環節，涵蓋17個知識點，如圖1所示。這些知識點涉及電氣、自動化、機電等工程實踐教學中的多門課程實踐要求，對學生學習專業基礎和專業課程起到承前啟后的作用。本項目包含的知識點如下[9]：

第一，智慧工廠的構成與生產流程：主要學習7個典型的生產單元的生產工作流程，包括智能加工、智能拆裝、智能分揀、智能AGV物流、智能倉儲、MES系統以及生產流程。

第二，工業機械手的構成與應用：主要學習5個典型的工業機械手應用，包括拆裝、搬運、切割、噴涂和裝配。

第三，工業機械手的控制：主要學習具體控制應用，包括場景組態、地址分配、定義變量、程序設計和在線調試5個訓練環節。

智慧工廠的生產工藝需在MES系統中下單，進入到生產計劃，在項目管理系統中，進行生產、出庫，接收到生產任務后，立體倉庫開始出庫，通過輸送線送達相應單元（如加工單元、裝配單元、輸送單元、分揀單元、入庫單元等），按流程進行處理，最后輸送線將產品輸送回立體倉庫，進行入庫管理[10]。

三、智慧工廠虛擬仿真實踐教學模式設計

實踐教學模式采用“真實工程項目（案例）”與“虛擬現實”相結合，不斷探索實驗課程教學方法，將任務驅動式教學方法、體驗式教學方法、探究式教學方法以及多平臺交互學習方法等應用于實驗教學中。