數字孿生技術在食品智能制造實訓虛實結合教學模式中的應用研究

摘 要：本研究通過分析現有食品智能制造實訓教學模式的現狀，探討如何將數字孿生技術應用于食品智能制造實訓課程，以革新傳統教學模式，增進教學效率與質量，同時著重培育學生的實踐操作技能與創新能力。本研究旨在為食品智能制造教育領域引入新的見解與教學手段，促進該領域教育實踐的進步。

關鍵詞：數字孿生技術；智能制造；食品工業；實訓課程；教學創新

一、引言

“十四五”期間，隨著物聯網、大數據及人工智能技術的飛速發展，數字化技術正逐步滲透到教育的每一個角落，推進信息技術、智能技術與教育教學融合的教育教學變革，加快推進教育數字化轉型，重塑教學模式，已成為我國教育發展的必然選擇。這一過程不僅受到革新的推動，還受到社會和文化的變遷、國家政策的主導以及教育系統內生發展的共同驅動[1]。數字化教學模式正在經歷一個快速發展的新階段。在此過程中，數字孿生技術的應用為虛實結合的教學模式帶來了強大的技術支持，使其煥發出前所未有的活力[2]。

數字孿生技術，憑借其卓越的模擬與仿真性能，能夠創建出具有高度真實感的虛擬環境。這一技術特性不僅為學生提供了一個安全、無風險的實踐平臺，使他們能夠在不受物理限制的情況下進行各種實驗與操作，而且極大地豐富了教學實踐的形式與內容。在教育領域，數字孿生技術的運用尤為顯著。它不僅能夠幫助學生更深入地理解那些抽象復雜的技術原理，通過直觀的模擬演示，將晦澀難懂的理論知識轉化為易于接受的視覺體驗；同時，通過高度還原真實工作場景的模擬訓練，學生的實踐能力和創新能力得到了顯著提升，為他們將來適應職場需求、解決實際問題奠定了堅實的基礎。

二、數字孿生技術定義及應用

數字孿生技術（Digital Twin，DT）是一種通過創建物理實體的虛擬副本，實現對其實時監控、分析和控制的技術。這種技術的核心在于將物理世界與數字世界無縫連接，通過實時監控和優化生產過程，提高生產效率，減少資源浪費[3]。

數字孿生技術最初在制造業中被提出，而后逐漸擴展到航空航天、智慧城市、醫療保健、教育等[4]領域。數字孿生技術作為智能制造的關鍵支撐技術之一，其在食品工業中的應用逐漸深入。數字孿生技術通過創建物理實體的數字表示，并整合實時和現實世界的數據，為食品工業提供了一種應對挑戰的有力工具。這些挑戰包括滿足不斷增長的人口需求、減少食品損失和浪費以及提高生產系統的效率。

三、食品智能制造實訓教學模式的現狀

（一）教學資源有限

當前食品智能制造實訓課程面臨教學資源不足的問題，難以滿足大規模教學需求。食品智能制造涉及到復雜的技術和工藝，需要豐富的教學軟件來模擬實際生產過程，幫助學生更好地理解和掌握知識。然而，目前市場上專門針對食品智能制造的教學軟件相對較少，且質量參差不齊，難以滿足教學需求[5]。

（二）教學內容與實際生產脫節

食品智能制造實訓課程面臨的另一個顯著問題是教學內容與實際生產活動之間的脫節。在教學實踐中，教師們常常過分強調理論知識的傳授，卻未能充分將理論與實際生產操作緊密結合，導致教學內容與實際操作需求之間存在明顯的差距。這種做法往往使得學生難以將所學的理論知識有效地轉化為實際操作能力[6]。此外，食品智能制造技術日新月異，實際生產工藝與技術持續演進，但教學內容更新滯后，致使學生所學與實際需求脫節。

（三）教學方法單一

目前，食品智能制造實訓課程的教學方法較為單一，缺乏互動性和實踐性。在教學過程中，教師傾向于使用傳統的灌輸式教學，學生處于被動接受知識的狀態，缺乏主動思考與參與互動的機會[7]。例如，在講解分析食品企業的智能制造情況時，教師可能只是通過演示的方式進行教學，學生沒有實際操作的機會，難以真正掌握設備的操作技能[8]。此外，教學方法的單一還體現在考核方式的單一上。目前，食品智能制造實訓課程的考核方式主要以實訓報告為主，缺乏對學生實踐能力和創新能力的考核，難以全面評價學生的學習效果[9]。

四、數字孿生技術在食品智能制造實訓教學中的應用優勢

（一）解決設備不足、成本高昂的問題

在智能制造類專業的實訓教學中，由于真實物理設備數量有限且占地面積大，傳統的教學模式往往難以滿足教學需求。通過數字孿生技術，可以構建虛擬的生產線和設備，使學生能夠在沒有實際設備的情況下進行操作和學習，從而提高教學效率并降低實訓成本[10]。

（二）提升學生的動手能力和創新意識

通過虛擬仿真平臺，學生可以進行各種創新型實驗活動，培養其分析調試和設計的能力。例如，在工業機器人實訓教學中，利用數字孿生技術輔助教學，學生可以更容易掌握理論知識和操作技能，并在一定程度上彌補了實訓設備數量不足的問題[11]。

（三）支持遠程教育和開放教育

在開放教育和遠程教育中，由于硬件資源短缺和師資力量薄弱，傳統的實訓教學難以開展。利用數字孿生技術，可以搭建虛擬的實訓平臺，使學生可以在任何地點進行實操訓練，解決了遠程教育中的實訓難題[12]。

（四）推動校企合作和產教融合

通過校企合作，可以共同開發基于數字孿生的實訓平臺和課程資源，實現數據、知識和技術的共享。這種合作模式不僅提高了教學質量和學生的實踐能力，還促進了教育鏈、人才鏈與產業鏈的有機銜接[13]。

（五）提高教學安全性和效率

數字孿生技術通過虛擬仿真與物理操作相結合的教學模式，能夠有效避免真實演示教學中的安全隱患，并提高教學的安全性和效率。例如，通過數字孿生技術構建的智能制造數字孿生實驗教學平臺，實現了智能制造實驗教學的安全、高效和經濟運行[14]。

五、數字孿生技術在虛實結合教學模式中的應用設計

（一）構建融合數字孿生的虛擬與現實交互教學平臺

借助數字孿生強大的技術能力，精心打造一個虛擬與現實深度交織的食品智能制造教學平臺。在這個平臺中，利用數字孿生技術精確復現食品智能制造生產線的每一個細節，從原材料的輸入端口，到復雜的加工環節，再到最終產品的輸出，都能以高保真的虛擬形式呈現[15]。每一臺設備、每一個傳感器、每一道工藝流程，都擁有其對應的數字孿生模型。學生可以自由地在這個虛擬平臺上進行模擬操作，宛如置身于真實的生產環境。他們可以啟動生產線、調整設備參數，觀察不同參數設置下的生產狀態變化，并通過對生產過程中產生的海量數據進行分析，深入理解食品智能制造的原理和邏輯，挖掘數據背后隱藏的生產規律和潛在問題[16]。

（二）開發基于數字孿生案例的深度學習模塊

基于數字孿生所構建的虛擬環境，設計一系列與實際食品生產緊密相關且極具代表性的案例。這些案例均取材于數字孿生模型所模擬的真實生產場景，涵蓋了從常見生產問題到復雜突發狀況的各種情形。例如，模擬在食品加工過程中，因設備故障導致的產品質量波動問題，或因原材料供應不穩定引發的生產效率降低問題。學生在面對這些案例時，需要深入數字孿生案例場景中，運用所學的知識和技能，對問題進行全面剖析，嘗試不同的解決方案，并通過觀察數字孿生模型的反饋結果，驗證方案的有效性[17]。通過這種方式，學生在解決實際問題的過程中，不僅能夠加深對理論知識的理解，更能將知識靈活應用于實際操作，培養解決復雜問題的能力。

（三）深化基于數字孿生的校企合作模式

積極強化與企業的緊密合作，充分發揮數字孿生技術在教學內容更新中的關鍵作用。與食品制造企業建立長期穩定的合作關系，企業利用其在實際生產中的豐富經驗和前沿技術，為教學內容和案例的更新提供一手資料。借助數字孿生技術，將企業提供的實際生產數據、最新工藝、常見問題等信息融入到教學平臺的虛擬模型和案例中。例如，企業在實際生產中對某食品包裝環節進行了智能化升級，學校可通過數字孿生技術將這一升級過程和相關數據轉化為教學案例，讓學生學習最新的包裝技術和自動化控制策略[18]。通過這種定期的、基于數字孿生的教學內容更新機制，確保教學內容與食品智能制造行業的發展緊密同步，時刻保持時效性和實用性，使學生所學知識與企業實際需求無縫對接。

六、總結

綜上所述，數字孿生技術在食品智能制造實訓課程中的運用具有重大實際意義。它通過融合虛擬與實體教學，不僅能夠有效提升教學的效率與質量，還能增強學生的實踐技能和創新思維能力。未來，隨著數字孿生技術的不斷發展和完善，其在食品智能制造實訓課程中的應用將更加廣泛和深入，為食品智能制造領域的教育提供新的視角和方法。

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