先進制造類專業群數字孿生建設模式創新研究

摘 "要：該文基于智能網聯數字技術，將先進制造專業群各專業離散型實踐中心教儀進行數字孿生，實現專業群各數字資源的重構、整合、聯接和集成，打通專業群中各專業物理壁壘，實現專業群教儀數據和資源共建、共管、共用和共享，促進專業群教學模式的改革，實現教學管理、教學過程、教學評價的數據量化，助推教育教學數字化轉型升級。

關鍵詞：智能網聯；數字孿生；資源重構；教學模式；先進制造

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）S2-0005-04

Abstract： Based on the intelligent network digital technology， this paper integrates the digital twin of teaching instrument in discrete practice center of each specialty in advanced manufacturing professional group to realizes the reconstruction， integration， connection and integration of digital resources in the professional group， penetrates the barriers of each specialty in the professional group. We finally realize the co-construction， co-management， sharing and sharing of data and resources of the professional group teaching instrument， and promotes the reform of the teaching mode of the professional group. To realize the data quantification of teaching management， teaching process and teaching evaluation， and promote the digital transformation and upgrading of education and teaching.

Keywords： intelligent networking; digital twin; resource restructuring; teaching mode; Advanced Manufacturing

教育數字化是開辟教育發展新賽道和塑造教育發展新優勢的重要突破口[1]，根據黨的二十大報告關于加快建設數字教育的系列部署和教育部加快建設教育強國的文件精神，強調了教育數字化的重要性和緊迫性，提出了具體的目標和措施。按照《中國教育現代化2035》的引領和指導，參照《職業院校數字校園規范》，要深入推進教育數字化，大力推進教育新型基礎設施建設，構建數據驅動的教育治理新模式，不斷健全教育信息化標準規范體系，深化國家智慧教育公共服務平臺建設和應用，服務教育教學模式變革與創新，實現教育、科技、人才深度融合的引領作用。

為加快推進教育數字化改革，數智教育引領未來，強化人工智能模型在教育教學中的探索與實踐、教育教學智能化與人才培養模式創新[2-3]，教育部聯合中國高等教育學會召開“2024高等教育數字化發展大會”，構建教育資源網絡化、數字化、個性化的教育體系，形成方式更加靈活、資源更加豐富的教學資源，推動國家教育數字化戰略行動，提升教育質量。

文章利用物聯網技術采集先進制造專業群中數控加工中心、焊接中心、三坐標檢測中心、CAD機房和智能裝備中心的實時數據，并通過SCADA系統與MES教學管理系統集成，實現數據的可視化管理。通過MES管理系統實現數字資源與教學管理、教學評價等功能的整合，形成統一的教學服務平臺，確保該平臺能夠為師生提供一站式的教學服務，提升教學體驗和效果。

一 先進制造專業群數字化轉型背景

（一） 專業群數字孿生發展現狀

國內外對于數字孿生技術在高校專業群中的應用研究尚處于探索階段，盡管已有一些積極的嘗試和初步成效，但整體而言，該領域的研究仍然充滿了挑戰與機遇[4-5]。

1）實踐教學方面。江南大學在智能制造學院機器人工程專業已經開始了對數字孿生技術的嘗試[6]，它們將這一技術引入教學資源中，構建了機器人虛擬仿真教學平臺。這些平臺為學生提供了更加真實、直觀的學習體驗，使他們能夠在虛擬環境中進行實踐操作，從而更深入地理解和掌握先進制造技術。這些嘗試不僅提高了教學效果，也激發了學生的學習興趣和積極性，為高校先進制造專業群的教學改革注入了新的活力。

2）學術研究方面。重慶大學李恒等也開始關注數字孿生技術在先進制造領域的應用前景和潛力[7]。他們通過數字孿生對傳動系統軸承與傳動軸故障診斷開展了初步的研究工作，探索數字孿生技術在先進制造過程中的優化和升級作用。這些研究不僅為數字孿生技術的發展提供了理論支持，也為行業的創新發展提供了新的思路和方法。

然而，目前的研究還存在一些問題和挑戰。首先，數字孿生技術的應用需要大量的數據支持和計算資源。如何獲取和處理這些數據，確保數據的準確性和實時性，是一個需要解決的問題。其次，數字孿生技術的實現涉及計算機科學、機械工程、控制理論等多個學科領域的知識和技術，如何實現跨學科的合作和創新，充分利用各個領域的優勢，也是一個需要克服的難題。此外，數字孿生技術的應用還需要考慮到實際生產中的安全性和可靠性問題。如何確保數字孿生系統的穩定運行，防止數據泄露和系統故障，保障生產過程的安全和效率，也是一個需要關注的問題。

（二） "行業發展需求

隨著信息化、智能化技術的快速發展，教育行業面臨數字化技術的轉型沖擊。數字孿生技術作為一種新型的制造技術，在制造業中的應用逐漸廣泛，對于提升高校先進制造專業群的教學質量和科研水平具有重要意義[8-9]。

先進制造專業群作為培養高素質先進制造人才的重要基地，需要緊跟行業發展趨勢，引入先進的技術手段，提升學生的實踐能力和創新能力。數字孿生技術作為制造業數字化轉型的關鍵技術，可以為高校先進制造專業群提供新的教學方法和實驗手段，幫助學生更好地理解和掌握先進制造技術。

隨著制造業對人才需求的不斷變化，先進制造專業群需要不斷優化課程設置和教學內容，以適應行業發展的需求[10-11]。數字孿生技術可以為高校先進制造專業群提供新的研究方向和課題，促進產學研深度融合，推動高校先進制造專業群的創新發展。

（三） "專業群現有基礎

先進制造專業群擁有先進裝備制造、智能焊接2個省級虛擬仿真基地，實訓資源集成得到一定程度數字化；擁有數控技術、機械設計與制造2個省級示范實訓基地，教儀智能化程度較高；擁有數控技術、智能制造裝備技術2個省級教學資源庫，教學數字量豐富。其次，五軸加工中心已經完成數字孿生集成，留有對外數據拓展接口；三坐標檢測中心數據接口對外開放；智能制造裝備技術專業的工業4.0自動化裝配線具有局域網通信接口；設備專業8套機械裝調設備都留有RS232串行通信接口等，專業群教學資源數字化得到部分集成。這將有助于實現MES教學系統的數據集成與數字孿生。

二 "專業群數字孿生的內涵要義

高校先進制造專業群數字孿生的引入，不僅代表了技術的革新，更是對傳統教育模式的深刻挑戰與革新[12-13]。數字孿生技術的應用，能夠極大地推動高校先進制造專業群的教學改革，為師生提供前所未有的學習體驗與成果。

（一） "教學層面

數字孿生技術為先進制造專業群帶來了教學方法和手段的創新。傳統的實驗教學受限于場地、設備等因素，難以為學生提供全面、真實的學習體驗。而數字孿生技術的引入，使得構建虛擬實驗室和仿真教學平臺成為可能。這些平臺能夠模擬真實的先進制造環境和操作過程，讓學生在虛擬環境中進行實踐操作，從而更直觀地理解和掌握先進制造技術。這不僅提高了教學效果和質量，也極大地激發了學生的學習興趣和積極性。

（二） "科研層面

數字孿生技術為高校先進制造專業群提供了新的研究方向和課題。通過對數字孿生技術在先進制造領域的應用進行深入研究，不僅能夠推動產學研的深度融合，還有助于實現科研成果的轉化。這種轉化不僅能夠提升高校的科研實力，也能為先進制造行業的創新發展提供有力的技術支持。

（三） "人才培養層面

數字孿生技術的應用還能有效提升高校先進制造專業群的人才培養質量。隨著制造業的轉型升級，對人才的需求也發生了變化。具備數字孿生技術應用能力的高素質人才，將成為行業發展的中堅力量。通過培養這類人才，高校不僅能夠滿足制造業對人才的需求，還能為行業的持續發展提供強有力的人才保障。

隨著技術的不斷進步和應用的深入，數字孿生技術將在高校先進制造專業群中發揮更加重要的作用。未來，我們可以期待數字孿生技術在更多領域得到應用，如智能制造、產品設計優化、生產流程改進等，進一步推動高校先進制造專業群的創新與發展。同時，高校也應積極適應這一變革趨勢，加強數字孿生技術的研究和應用，不斷提升自身的教育水平和科研實力，為培養更多具備數字孿生技術應用能力的高素質人才貢獻力量。

三 "專業群開展數字孿生面臨的現實問題

（一） "專業群實踐資源交互集成與監控困難的問題

如何將智能傳感、大數據、物聯網、云計算和區塊鏈等數字化技術有效地整合在一起，利用物聯網技術采集數控加工中心、焊接中心、三坐標檢測中心、CAD機房和智能裝備中心的實時數據，并通過SCADA系統與MES教學管理系統集成，實現數據的可視化管理。這需要對各種專業設備的通信協議進行深入研究，開發相應的數據采集和處理程序，探索它們之間的協同作用機制，并設計合理的系統架構和接口，確保數據的準確傳輸和高效處理。同時方便管理人員對實踐教學計劃、實驗實訓過程、設備運行情況和學生成績等進行全面監控和分析。

（二） "專業群實踐教學活動未能數字量化問題

MES教學系統的建設涉及制造中心的圖紙和模型、機電設備中心的下料、數控中心的加工、智能檢測中心的精度測量、智能焊接中心的焊接拼接、智能裝備中心的裝配和打包等全過程的互聯互通和工作協同。如何通過MES管理系統實現數字資源與教學管理、教學評價等功能的整合，形成統一的教學服務平臺，確保該平臺能夠為師生提供一站式的教學服務，提升教學體驗和效果。

四 "專業群開展數字孿生的路徑

基于智能傳感、大數據、物聯網、云計算和區塊鏈等數字化技術，將焊接中心、數控加工中心、三坐標檢測中心、智能制造裝備中心和機電設備中心等離散型實訓中心匯總到集成數字孿生實訓大廳，通過搭建可視化展示屏和手機APP，隨時隨地對專業群各實訓設備實施有效監測與控制，實現專業群教學資源與管理資源的共用共享。研究技術路線思路圖如圖1所示。

圖1 "研究技術路線思路圖

（一） "建設一套SCADA數據采集與監控系統

將模具設計與制造專業設計的圖紙和模型、機電一體化專業上下料、數控技術專業的加工、機械設計與制造專業的智能檢測、智能焊接技術專業的焊接拼接、智能制造裝備技術專業的裝配和打包全過程數據信息互聯互通，實現設計、加工、焊接、檢驗和裝配等制造工藝的在線檢測與監控閉環管理。

（二） "建立一套可視化看板系統

利用物聯網技術，采集數控加工中心、焊接中心、三坐標檢測中心、CAD機房和智能裝備中心的實時數據，通過拓展數據接口，使SCADA系統與MES集成，可將模具設計與制造專業圖紙設計—機電設備技術專業備料下料—數控技術專業車銑加工—機械設計與制造專業的三坐標在線檢測—智能焊接技術專業智能焊接-智能制造裝備技術專業裝配包裝等一整套工藝流程數字化展現在數字孿生實訓中心，通過PC和手機APP實現專業群各實踐中心教學計劃、實驗實訓過程、設備運行情況、學生成績分析等的可視化管理。

（三） "建立一套MES教學管理系統

通過實現專業群各教學實訓中心的互聯互通，有助于實現教學資源的優化配置和高效利用。教學管理系統可實現群組織架構管理、師生信息管理、課程信息管理和成績管理和教學質量分析，實現數據、資源共建、共管、共用和共享，促進專業群教學模式的改革，實現教學管理的數據量化，助推專業群教育教學的數字化轉型和升級。

（四） "重構課崗證賽協同育人模式

緊跟制造業智能化的步伐，按照智能操作、智能維修與數字控制等核心崗位能力需求，與企業共同精心打造智能制造虛擬仿真、智能制造單元數字集成應用實訓等一系列數字化前沿課程，提供實戰化、情景化的學習平臺，更直觀地了解和掌握專業課程的知識技能。同時，指導學生參與職業院校技能大賽2024年高職組新增賽項“生產單元數字化改造”，檢驗學習成果，加深同行交流切磋，共同提升。此外，申報教育部“1+X”生產線數字化仿真應用職業技能等級證書試點，為學生們提供更多元、更權威的職業技能認證渠道。

（五） "筑牢產學研用深度融合主線

通過實現專業群各教學實踐中心的互聯互通，加強專業群與制造行業的科研與合作，以項目研究為樞紐與企業共同開展實踐教學、技術研發等活動，聯合申報廣西壯族自治區科學技術廳廣西重點研發計劃、工業和信息化廳數字化車間項目，協助企業開展數字化升級改造，實現產學研用的深度融合，推動技術創新和產業升級，為社會經濟發展提供有力支持。

（六） "強化專業群人才鏈的有機銜接

利用數字孿生技術，模擬真實生產環境，創建與行業企業緊密關聯的虛擬實訓場景，增強學生對實際工作環境的認知與適應能力。同時，與廣西柳工集團有限公司、廣西玉柴機器集團有限公司等行業領軍企業建立長期合作關系，依托企業數字化車間、智能工廠等項目與案例，共同開發實訓課程，確保課題研究方向、內容與行業前沿接軌，實現人才培養與企業需求精準對接，縮短畢業生就業適應期。通過這種模式，構建教育鏈、人才鏈與產業鏈、創新鏈的深度融合體系，致力于培養符合產業發展趨勢、具備高技能和創新精神的應用型人才。

五 "專業群開展數字孿生的創新性

（一） "基于數字化技術的專業群實踐資源交互集成與智能監控體系

項目研究將突破傳統專業群實踐資源分散、管理困難的局限，創新性地構建基于智能傳感、大數據、物聯網、云計算和區塊鏈等數字化技術的專業群實踐資源交互集成與智能監控體系。通過SCADA數據采集與監控系統，實現各類數據資源的集成與可視化展示，打破專業壁壘，促進學科交叉與融合。同時，利用物聯網技術實時采集實訓中心的運行數據，通過MES管理系統實現教學管理與資源利用的數字化和智能化。這一創新體系將大幅提高實踐教學的效率和質量，為專業群教育教學的數字化轉型和升級提供有力支撐。

（二） "一體化數字孿生實踐教學平臺的開發與應用

本項目將構建專業群實踐中心的數字孿生，創新性地開發一體化數字孿生實踐教學平臺。該平臺將焊接中心、數控加工中心、三坐標檢測中心等多個離散型實訓中心集成到數字孿生實訓大廳，實現教學資源的共建、共管、共用和共享。通過可視化看板系統和MES教學管理系統的集成，實現教學計劃、實驗實訓過程、設備運行情況和學生成績等的全面可視化管理。此外，該平臺還將加強專業群與制造行業的產學研用深度融合，推動技術創新和產業升級。這一創新平臺將有力推動專業群教育教學的現代化和智能化發展，為社會經濟發展提供有力的人才和技術支持。

六 "專業群開展數字孿生的必要性

實現專業群實踐中心數字資源的重構、整合、聯接和集成，打通專業群各專業壁壘，實現數據、資源共建、共管、共用和共享，促進專業群教學模式的改革，實現教學管理、教學過程、教學評價的數據量化，助推專業群教育教學的數字化轉型和升級[14-15]。

（一） "專業群實踐資源的交互集成

通過SCADA數據采集與監控系統將各類數據資源進行集成，形成數據庫或數據中心，為數據分析、挖掘提供支撐。有利于打破各專業壁壘，將不同學科、不同專業的數字資源進行有效整合，促進學科交叉和融合，并協助管理人員更好地監控和管理實踐中心，確保教儀的安全性、可用性。

（二） "專業群教學功能的系統管理

通過MES管理系統將數字資源與教學管理、教學評價等功能進行整合，形成統一的教學服務平臺，為師生提供一站式的教學服務。如將實踐活動、實踐監控、教學評價、自動排課、成績分析和設備故障率等形成一體化的實踐教學管理系統。

（三） "專業群人才鏈的有機銜接

通過構建專業群實踐中心的數字孿生，銜接制造行業數字化工廠建設模式，強化與行業企業的深度合作，推動產教融合，提前讓學生接觸并適應未來的工作環境，縮短從學校到工作崗位的適應期，為社會輸送更多符合產業發展需求的高技能應用型人才，實現教育鏈、人才鏈與產業鏈、創新鏈有機銜接。

七 "結束語

通過先進制造專業群數字孿生，全面優化了專業群的實踐教學環境，梳理專業群實踐資源的交互集成方式，實現了數據采集、整合與分析的一體化管理，打破各專業壁壘，提升了實踐中心的安全與效率。同時，我們構建了教學功能管理系統，將數字資源與教學管理、評價等深度整合，提供便捷的教學服務，滿足專業群的教學需求。打通了專業群人才鏈的有機銜接，利用數字孿生技術模擬真實生產環境，引入企業實際項目，探索產教融合新模式，培養出符合產業需求的高技能創新人才。有效提升了教學效率與質量，實現了教育鏈、人才鏈與產業鏈、創新鏈的深度融合。

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