基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的探索與實(shí)踐
——以廣東理工職業(yè)學(xué)院為例

駱其城 趙國信 李柏輝

（廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州，510091）

一、引言

2020年伊始，一場突如其來的疫情打亂了全國人民日常生活、學(xué)習(xí)和工作的有序節(jié)奏。為嚴(yán)防病毒向校園蔓延，教育部提出“停課不停學(xué)、停課不停教”，號(hào)召各類各級(jí)學(xué)校實(shí)行線上教學(xué)[1]?！叭f眾一心、共抗疫情”，各級(jí)學(xué)校積極響應(yīng)國家號(hào)召，周密部署，為線上教學(xué)做好準(zhǔn)備。為解決在線實(shí)訓(xùn)的難題，保證實(shí)訓(xùn)課程線上教學(xué)正常開展，廣東理工職業(yè)學(xué)院與合作企業(yè)積極謀劃，以學(xué)生為本，借助校企合作的優(yōu)勢(shì)，利用數(shù)字孿生技術(shù)在“PLC技術(shù)與應(yīng)用實(shí)訓(xùn)”課程中構(gòu)建了云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)并開展線上實(shí)訓(xùn)，在防控疫情的同時(shí)確保了線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)不停頓。

二、高職院校在線實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問題

（一）教師混合式教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不足

在高職院校日常實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，教師主要依靠實(shí)體實(shí)訓(xùn)室和實(shí)訓(xùn)設(shè)備開展現(xiàn)場教學(xué)。通過現(xiàn)場教學(xué)，教師可以掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并及時(shí)調(diào)整課程內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度，以便學(xué)生更好地提高實(shí)踐動(dòng)手能力。但在疫情背景下，教師混合式實(shí)訓(xùn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不足，日常又疏于信息化教學(xué)技術(shù)方面的研究；學(xué)校在日常實(shí)訓(xùn)室建設(shè)項(xiàng)目中也極少考慮線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求，對(duì)線上教學(xué)的相關(guān)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)缺少建設(shè)。這些因素導(dǎo)致教師線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不足，疫情期間大多把精力用在線上直播或錄制實(shí)訓(xùn)操作視頻方面，以PPT錄屏或播放視頻的形式開展線上教學(xué)，形式單一，內(nèi)容枯燥，缺乏學(xué)生實(shí)踐操作的過程，無法有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，有些學(xué)生甚至因此而厭學(xué)棄課。

（二）線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源缺乏

高職院校往往只注重于實(shí)體實(shí)訓(xùn)室和實(shí)訓(xùn)設(shè)備的建設(shè)，線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源建設(shè)未得到足夠重視。在疫情防控的背景下，教育部組織全國高校和教學(xué)機(jī)構(gòu)免費(fèi)開放線上教學(xué)資源，包括2.4萬余門在線課程以及2000多門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，支持在線實(shí)訓(xùn)教學(xué)[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程在線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中發(fā)揮了重要作用，學(xué)生通過在線虛擬仿真系統(tǒng)開展自主實(shí)驗(yàn)，在沉浸式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，通過反復(fù)地練習(xí)和不斷地試錯(cuò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了一定的實(shí)訓(xùn)教學(xué)預(yù)期效果[3]。但由于開放的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程一般是為各建設(shè)高校量身訂做的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，其他高校無法直接使用里面的資源或只能使用部分資源，導(dǎo)致線上的實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源不足。同時(shí)，目前線上使用的大部分虛擬仿真系統(tǒng)都是基于流程化的操作，學(xué)生必須按照系統(tǒng)設(shè)定的步驟一步一步操作，才能獲得正確的結(jié)果，稍有差錯(cuò)整個(gè)實(shí)驗(yàn)只能重來。一般情況下，學(xué)生需要經(jīng)過反復(fù)多次的試驗(yàn)才能完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，這一過程慢慢消耗了學(xué)生的積極性，使學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)失去了興趣，在線實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果欠佳。此外，流程化的虛擬實(shí)驗(yàn)操作也不利于學(xué)生創(chuàng)新能力和獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)只注重于理念的學(xué)習(xí)和流程化操作實(shí)訓(xùn)，對(duì)產(chǎn)業(yè)場景認(rèn)知、技能培訓(xùn)以及場景化技術(shù)的訓(xùn)練等都有所欠缺。

（三）線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果難以保障

線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效果主要依靠學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)積極性，教師只能通過屏幕觀察學(xué)生的在線學(xué)習(xí)情況，如果學(xué)生的自控能力不強(qiáng)以及家長監(jiān)督不到位，教師對(duì)于學(xué)生是否在線學(xué)習(xí)以及學(xué)習(xí)進(jìn)度如何就無法掌握。同時(shí)，線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)無法解決學(xué)生與教師在針對(duì)性實(shí)訓(xùn)方面難以進(jìn)行雙向溝通交流的問題，雙方因屏幕阻隔，互動(dòng)有限，學(xué)生只能懵懵懂懂地上完規(guī)劃好的實(shí)訓(xùn)課程，知識(shí)的重點(diǎn)難點(diǎn)不能現(xiàn)場討論，更多地處于一種一知半解的狀態(tài)，學(xué)習(xí)效率不高，容易疲勞。此外，由于線上教學(xué)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)空間的限制，教師不能有效地指導(dǎo)學(xué)生完成課堂練習(xí)和課后作業(yè)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶、鞏固和消化等都會(huì)受到影響，這些都直接影響著線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)際效果。

三、基于數(shù)字孿生技術(shù)的云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

（一）數(shù)字孿生云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建

數(shù)字孿生技術(shù)是一項(xiàng)構(gòu)建數(shù)字化工廠和數(shù)字世界的基礎(chǔ)技術(shù)，它可以在設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”，這個(gè)“克隆體”能實(shí)現(xiàn)本體數(shù)據(jù)和信號(hào)的復(fù)現(xiàn)，可以貫穿產(chǎn)品包括設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)的整個(gè)周期，并與本體實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號(hào)的雙向流動(dòng)。數(shù)字孿生能夠?qū)⑻摂M模型與實(shí)體設(shè)備結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)器組件和模型之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息通信，讓實(shí)體設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在虛擬模型中呈現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)同步一致、實(shí)時(shí)反饋[4]。傳統(tǒng)的建模仿真系統(tǒng)是由一個(gè)個(gè)獨(dú)立單元建模仿真組成，它們之間沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系。而數(shù)字孿生是單元化的集成，并非孤立的模型仿真?zhèn)€體，其價(jià)值是傳統(tǒng)仿真所不可替代的。

為進(jìn)一步保障學(xué)生在線實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果，廣東理工職業(yè)學(xué)院在順利開展視頻直播理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字孿生技術(shù)與企業(yè)共同構(gòu)建云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。首先，通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，按照1：1的比例打造出能夠再現(xiàn)智能制造產(chǎn)業(yè)場景的虛擬仿真場景。其次，通過機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及控制技術(shù)，將真實(shí)和虛擬世界聯(lián)結(jié)，創(chuàng)造新的數(shù)字化環(huán)境和內(nèi)容，在虛擬空間中完成實(shí)體設(shè)備的映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)場景。最后，根據(jù)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)大綱，師生調(diào)用云實(shí)訓(xùn)平臺(tái)課程庫開展線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)，具體實(shí)施方式和操作過程如下：

步驟1：根據(jù)實(shí)體設(shè)備的規(guī)格、型號(hào)和參數(shù)，建立專業(yè)設(shè)備的三維模型，所建立的三維模型內(nèi)容包括設(shè)備規(guī)格、技術(shù)參數(shù)、連接控制等，利用三維建模軟件按照1：1比例建模，建立模型庫、工程庫和課程庫，并為模型渲染效果，從而實(shí)現(xiàn)逼真顯示。

步驟2：由實(shí)體設(shè)備控制系統(tǒng)生成控制信號(hào)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取實(shí)體設(shè)備的狀態(tài)傳感器、控制傳感器和環(huán)境傳感器等所采集到的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，虛擬環(huán)境中的模型設(shè)備作為受控對(duì)象，提取數(shù)據(jù)庫的采集數(shù)據(jù)模擬整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行過程。

步驟3：平臺(tái)中真實(shí)顯示模型設(shè)備和實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，師生通過操控模型設(shè)備把數(shù)據(jù)傳輸給實(shí)體設(shè)備，由實(shí)體設(shè)備完成指定操作。

相較于傳統(tǒng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)僅能實(shí)現(xiàn)觀摩認(rèn)知、流程操作等教學(xué)目標(biāo)，云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過“虛擬仿真+產(chǎn)業(yè)控制+云”等數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合企業(yè)的真實(shí)生產(chǎn)案例可開展在線場景化編程、控制、操作、調(diào)試等技能訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做一體化的線上實(shí)訓(xùn)。在線上實(shí)訓(xùn)過程中，實(shí)訓(xùn)任務(wù)可以在云實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的虛擬端和真實(shí)端開展，并實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)流動(dòng)[5]。基于數(shù)字孿生技術(shù)的云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的探索和實(shí)踐使得線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果得到顯著提升，從而讓學(xué)生掌握產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的知識(shí)和技能，并理解數(shù)字化制造的核心理念，培養(yǎng)并提高了學(xué)生的專業(yè)技能和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了線上“隨時(shí)隨地實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)目標(biāo)（圖1）。

圖1 “虛擬仿真+產(chǎn)業(yè)控制”虛實(shí)結(jié)合教學(xué)體系

（二）校企雙方導(dǎo)師線上協(xié)同實(shí)訓(xùn)教學(xué)

為了做好線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)，校企雙方導(dǎo)師共同制訂線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱，共同在線上直播教學(xué)，其中學(xué)院教師負(fù)責(zé)課程理論知識(shí)的授課，企業(yè)講師負(fù)責(zé)云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的指導(dǎo)。教師將錄制的教學(xué)視頻、教學(xué)PPT、作業(yè)等材料上傳至云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，要求學(xué)生課前觀看學(xué)習(xí)；課中教師利用騰訊會(huì)議、QQ課堂等直播軟件組織學(xué)生在線學(xué)習(xí)，就課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行專題輔導(dǎo)，針對(duì)學(xué)習(xí)難點(diǎn)、疑點(diǎn)開展頭腦風(fēng)暴和點(diǎn)評(píng)，同時(shí)根據(jù)課堂氛圍，隨機(jī)點(diǎn)名提問調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)氣氛；課后，學(xué)生可根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況，再次進(jìn)入云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)鞏固學(xué)習(xí)，并通過QQ群向校企雙導(dǎo)師進(jìn)行提問。學(xué)院通過校企雙導(dǎo)師線上協(xié)同實(shí)訓(xùn)教學(xué)，實(shí)踐了課前學(xué)習(xí)、課中答疑、課后鞏固知識(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)模式，三管齊下，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)保存著學(xué)生的實(shí)訓(xùn)操作步驟，可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)并生成實(shí)訓(xùn)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從預(yù)習(xí)到報(bào)告的全過程閉環(huán)管理。

（三）云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)使用效果分析

從教學(xué)效果來看，理論教學(xué)和實(shí)踐操作相融合的線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)極大地提高了學(xué)生的參與度。學(xué)生通過云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)擁有充分自主選擇權(quán)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)效果實(shí)時(shí)看，也可利用互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的碎片化時(shí)間課后溫習(xí)。結(jié)合數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，還能實(shí)現(xiàn)教學(xué)形式、教學(xué)風(fēng)格、授課內(nèi)容以及學(xué)習(xí)需求的高度匹配，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力，顯著提升了線上學(xué)習(xí)效果，具體來說有以下幾點(diǎn)：

（1）保障學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)嚴(yán)格受限于時(shí)間不同，線上實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以在任何時(shí)間登錄平臺(tái)進(jìn)行練習(xí)，并按個(gè)人的學(xué)習(xí)節(jié)奏，自行決定實(shí)訓(xùn)時(shí)長。即使因?yàn)橐咔闊o法返校進(jìn)入學(xué)院的實(shí)訓(xùn)室使用實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)生也可以在家按時(shí)完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)。同時(shí)，學(xué)生能夠自己搭建虛擬產(chǎn)線，操作各個(gè)模塊，完成一個(gè)個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，讓線上實(shí)訓(xùn)不再枯燥。

（2）輔助教師線上授課，減輕授課壓力。雙師授課能夠緩解學(xué)院教師直播前的備課壓力，讓教師把更多精力放在優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)上面。企業(yè)講師全過程指導(dǎo)在線實(shí)訓(xùn)，可以顯著減輕線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)的技術(shù)負(fù)擔(dān)。雙方導(dǎo)師借助云平臺(tái)的豐富系統(tǒng)資源有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生上課積極性，提升了直播課堂的趣味性。

（3）創(chuàng)新線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。學(xué)院云實(shí)訓(xùn)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式在短期內(nèi)有效地解決了疫情期間無法開展線下實(shí)訓(xùn)的難題。長遠(yuǎn)來看，云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以有效解決職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備購置成本高、設(shè)備維護(hù)難等問題，最終為職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)體系的創(chuàng)新發(fā)展提供新思路。

（4）推動(dòng)“引企入教”的改革和實(shí)踐。疫情期間，合作企業(yè)像往常一樣參與學(xué)院的教學(xué)活動(dòng)。一方面，企業(yè)講師為學(xué)院帶來了一手的產(chǎn)業(yè)前沿資訊與技術(shù)，學(xué)院老師則可以通過企業(yè)了解一線產(chǎn)業(yè)需求，靈活增減實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。另一方面，企業(yè)自身也加強(qiáng)了對(duì)高職院校人才培養(yǎng)體系的了解，為產(chǎn)教融合貢獻(xiàn)了力量。學(xué)院云實(shí)訓(xùn)線上教學(xué)模式既是一次對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的創(chuàng)新，也是一次對(duì)產(chǎn)教融合的探索與嘗試。

（四）存在問題分析與改進(jìn)措施

基于數(shù)字孿生技術(shù)的系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用在智能制造產(chǎn)業(yè)，它為單個(gè)或多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能制造提供了可能，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)要素配置、生產(chǎn)計(jì)劃以及生產(chǎn)過程的最優(yōu)化。疫情期間，廣東理工職業(yè)學(xué)院把應(yīng)用在企業(yè)的數(shù)字孿生系統(tǒng)作為高職院校的云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，讓學(xué)生能夠一開始就基于企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)內(nèi)容進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)。但由于系統(tǒng)聯(lián)接的是企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，為不影響企業(yè)日常生產(chǎn)活動(dòng)，線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)主要是以模擬仿真為主。當(dāng)需要把教學(xué)內(nèi)容運(yùn)用到實(shí)體設(shè)備時(shí)，需要與企業(yè)提前協(xié)商，確保學(xué)院教學(xué)與企業(yè)生產(chǎn)不沖突，同時(shí)也需要企業(yè)導(dǎo)師對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)，避免有損壞設(shè)備的操作。為此，需要學(xué)院教師與企業(yè)導(dǎo)師通力合作做好教學(xué)計(jì)劃，在做到互不影響的前提下實(shí)現(xiàn)雙方共贏。

四、結(jié)語

疫情期間，廣東理工職業(yè)學(xué)院云實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式有效解決了當(dāng)前在線實(shí)訓(xùn)存在的問題。通過在線觀察和問卷調(diào)查，參與云實(shí)訓(xùn)的學(xué)生中有90%認(rèn)為相對(duì)于其他的在線課程，云實(shí)訓(xùn)更能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，校企雙師授課的模式也讓學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解更加透徹，有效提升了學(xué)生的實(shí)踐能力。學(xué)院通過校企合作模式，借助企業(yè)的研發(fā)能力和成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術(shù)的云實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，讓基于數(shù)字孿生技術(shù)的理論教學(xué)與實(shí)踐操作教學(xué)切實(shí)落地，從而使學(xué)生一開始就基于實(shí)際的工業(yè)場景進(jìn)行學(xué)習(xí)與思考，未來走上工作崗位也能夠更好地應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)。

線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)迫使教師把講臺(tái)搬到屏幕，學(xué)生的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)從實(shí)訓(xùn)室轉(zhuǎn)移到家中，這對(duì)教師和學(xué)生都是一個(gè)重大考驗(yàn)[6]。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐證明，線上開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)也能達(dá)到同樣的學(xué)習(xí)效果。在線實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐證明，它改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)，形成一種新的教育形態(tài)[7]。當(dāng)前，5G、人工智能(AI)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等現(xiàn)代化信息技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用，高職院校應(yīng)抓住機(jī)遇并以此為契機(jī)，全面推進(jìn)現(xiàn)代化信息技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)的融合，做好線上線下實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的建設(shè)，倒逼教師提升線上線下的教學(xué)能力。同時(shí)，高職院?？梢愿淖儌鹘y(tǒng)以教師講授為主的教學(xué)模式，開展線上線下相結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革，建立起教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，形成線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，從而取得最優(yōu)化的實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。