加工制造類專業(yè)虛擬工廠實訓(xùn)資源建設(shè)與應(yīng)用研究

黃桂勝

（佛山市南海區(qū)理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 佛山 528247）

一、虛擬工廠的應(yīng)用背景及發(fā)展現(xiàn)狀

加工制造業(yè)類專業(yè)安排學(xué)生到對口企業(yè)實習(xí)是職業(yè)教育的一個重要環(huán)節(jié)。中職學(xué)生在一年級時，進行企業(yè)認(rèn)識實習(xí)，二年級時學(xué)校會安排部分學(xué)生跟崗實習(xí)，三年級時進行半年“頂崗實習(xí)”，而最新實習(xí)模式則將“跟崗實習(xí)”“頂崗實習(xí)”統(tǒng)一為“崗位實習(xí)”，但較多的學(xué)生仍不能參與到企業(yè)整個生產(chǎn)和加工的全過程。在相當(dāng)一段時間內(nèi)，較多的開設(shè)有加工制造類專業(yè)的學(xué)校受限于各種條件，也難以讓學(xué)生參與到企業(yè)生產(chǎn)的全過程。因此，有必要在學(xué)校內(nèi)建立一個能讓學(xué)生全程參與工廠的生產(chǎn)、管理過程體驗環(huán)境，讓學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握相關(guān)設(shè)備基本操作技能，特別是可以讓全體學(xué)生在這種環(huán)境的“虛擬工廠”，對企業(yè)的生產(chǎn)、管理過程體驗，掌握零件從訂單到加工，再到檢驗交客戶整個生產(chǎn)過程中機床、儀器、量具的操作與使用全過程。

隨著國家深入推進“中國制造2025”，越來越多職業(yè)學(xué)校加工制造類專業(yè)快速發(fā)展，在《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計劃（2020—2023年）》中，特別提到全國范圍構(gòu)建智能制造虛擬仿真實訓(xùn)基地，讓學(xué)生進入企業(yè)后能夠盡快適應(yīng)專業(yè)崗位，融入企業(yè)的工作環(huán)境，跟上企業(yè)的生產(chǎn)節(jié)奏。因此，在職業(yè)學(xué)校加工制造類專業(yè)建設(shè)虛擬工廠，教師通過在虛擬工廠中教學(xué)，使學(xué)生掌握企業(yè)的生產(chǎn)、管理各基本崗位的工作要求和操作技能十分必要。

職業(yè)教育學(xué)校信息化教學(xué)資源經(jīng)過多年不斷的發(fā)展，如今已經(jīng)歷三個重要階段，交互式教學(xué)資源也被引入教學(xué)實踐中，采用視窗軟件讓學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)，擺脫學(xué)生被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。信息化教學(xué)資源發(fā)展至今，正處于第四個發(fā)展階段，即基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)正在成長壯大。數(shù)字化的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供真實的生產(chǎn)場景，該系統(tǒng)模擬復(fù)雜的產(chǎn)品在工廠中使用各類型機床加工，最后完成組裝，以仿真原型的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生通過交互式的操作可以了解和掌握零件加工、零件外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運動狀態(tài)等。

目前，眾多職業(yè)學(xué)校為了使學(xué)生能夠在校通過沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，了解、熟悉和體驗先進制造業(yè)企業(yè)工廠環(huán)境和生產(chǎn)管理過程，在教學(xué)過程中與軟件公司、高校研究機構(gòu)合作，研究和配置了數(shù)字化的虛擬工廠實訓(xùn)資源系統(tǒng)。

二、虛擬工廠實訓(xùn)資源建設(shè)的意義

虛擬工廠的建設(shè)過程是集自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、先進制造技術(shù)于一體的多專業(yè)知識和技術(shù)的過程，是校企合作的一項重要內(nèi)容。利用相對少量的硬件設(shè)備和強大的工業(yè)控制軟件，模擬數(shù)字化工廠控制工程的設(shè)計、安裝、仿真調(diào)試和投運，最大限度地發(fā)揮實訓(xùn)中心的效率，提高學(xué)生的工程控制能力。

通過虛擬工廠開展仿真實訓(xùn)教學(xué)模式，就是讓教師與學(xué)生在模仿企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境中，安全、有序地開展教學(xué)活動。教師的教學(xué)內(nèi)容和方式與企業(yè)的實際工作情境相吻合，虛擬增設(shè)一些崗位，學(xué)生在實訓(xùn)過程中擔(dān)任一定的角色來完成實訓(xùn)任務(wù)。使學(xué)生參與到企業(yè)的生產(chǎn)、管理中去，每組學(xué)生在虛擬工廠中完成一個訂單的全過程，整個系統(tǒng)在計算機上實現(xiàn)，實現(xiàn)與課堂教育的融合。

虛擬工廠不是簡單的虛擬現(xiàn)實，而是模擬真實工廠的環(huán)境和工作流程，學(xué)生可以體驗各工種崗位的操作規(guī)范和技能要求，在課堂教學(xué)與實訓(xùn)過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)與操作各類機床設(shè)備操作和加工過程，還可以了解企業(yè)生產(chǎn)加工，工序安排、生產(chǎn)排產(chǎn)要求等企業(yè)相關(guān)管理過程。教師還可以在虛擬工廠中實施相關(guān)課程的仿真實訓(xùn)與技能考核，實現(xiàn)學(xué)習(xí)效果全面評價。

使用虛擬工廠實訓(xùn)資源平臺，結(jié)合資源庫開發(fā)教學(xué)資源，進行項目引領(lǐng)的教學(xué)模式改革，使教師和學(xué)生在這樣的環(huán)境中獲得教學(xué)和學(xué)習(xí)的樂趣。其意義在于：一是教師有效地建設(shè)多種形式融合的立體化的教學(xué)資源，學(xué)生體驗完整的生產(chǎn)過程，體驗各種設(shè)備的操作和加工過程，適應(yīng)工廠環(huán)境及生產(chǎn)管理過程等眾多崗位要求；二是開展任務(wù)引領(lǐng)的教學(xué)模式改革，教師在虛擬工廠實訓(xùn)資源平臺中組織一個訂單的生產(chǎn)加工，學(xué)生在完成加工任務(wù)的過程中學(xué)習(xí)、鞏固相關(guān)的知識和技能。三是在虛擬工廠實訓(xùn)資源平臺中，組織幾個小組共同來完成一套產(chǎn)品的生產(chǎn)加工，這既可以發(fā)揮學(xué)生團隊協(xié)作意識，還增加了學(xué)生團隊競爭的趣味性。

三、虛擬工廠實訓(xùn)資源建設(shè)內(nèi)容

（一）虛擬工廠系統(tǒng)環(huán)境的構(gòu)建

虛擬工廠實訓(xùn)資源建設(shè)應(yīng)該包括虛擬的工廠環(huán)境。對于虛擬工廠建設(shè)，開發(fā)包括設(shè)計、生產(chǎn)加工、裝調(diào)、成品試制等四大虛擬功能及多個生產(chǎn)車間，以逼真的三維場景和三維虛擬裝備，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程，仿真教學(xué)與實訓(xùn)。虛擬工廠提供一個全新的教學(xué)環(huán)境和一種教學(xué)手段，其功能是讓教師和學(xué)生能夠更多地集中精力于教學(xué)和學(xué)習(xí)。教師使用該平臺方便構(gòu)建多種形式融合的立體化的教學(xué)資源，按照自己的教學(xué)思想和教學(xué)方法進行各種教學(xué)活動。學(xué)生在使用該平臺，可以很好地通過操作、學(xué)習(xí)、評價，學(xué)習(xí)企業(yè)生產(chǎn)過程內(nèi)容，體驗工廠環(huán)境及生產(chǎn)管理過程，體驗各種設(shè)備的操作和加工過程。

（二）虛擬工廠教學(xué)資源開發(fā)平臺的構(gòu)建

在虛擬工廠中結(jié)合學(xué)校數(shù)字化校園，配備一個信息管理系統(tǒng)，打通數(shù)字化校園的數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建一個統(tǒng)一平臺實現(xiàn)生產(chǎn)活動的有序進行，實現(xiàn)“平臺統(tǒng)一、案例貫穿、課程連通、知識融合”。即整合、實現(xiàn)功能：一是儲存產(chǎn)品信息、生產(chǎn)工藝流程信息、生產(chǎn)環(huán)境信息、各種生產(chǎn)設(shè)備信息、生產(chǎn)執(zhí)行情況等等信息；二是數(shù)字化課程系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)上在線操作機床設(shè)備等教學(xué)資源等，從而實現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)的上網(wǎng)計劃；三是可視化管理系統(tǒng)，可調(diào)用教師授課視頻，也可查看學(xué)生操作情況視頻，實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)交互視頻/資源在線播放”；四是學(xué)校現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫、各門網(wǎng)絡(luò)精品課程，實現(xiàn)“課件資源管理”；五是在學(xué)生成長管理系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加硬件設(shè)備，實現(xiàn)對學(xué)生操作機床的考勤，實訓(xùn)操作情況等進行記錄；六是在線測試系統(tǒng)，實現(xiàn)“作業(yè)布置、提交、檢查、測試”功能；七是基于移動終端（PAD）的全媒體移動課堂，集“教——練——考”于一體；八是進行二次、多次開發(fā)，開發(fā)教學(xué)資源，資源與網(wǎng)站無縫對接，直接將資源在網(wǎng)站進行展示。

（三）建設(shè)多種形式融合的立體化教學(xué)資源庫

1.貫穿案例

選取典型機械產(chǎn)品，將貫穿案例資源包拆解到各課程中，使各課程通過貫穿案例得以銜接，將其生產(chǎn)全過程策劃、跟蹤、拍攝、制作成教學(xué)資源包，形成典型的基于工作過程導(dǎo)向的項目化教學(xué)資源。

2.貫穿案例資源組成

包括電子文檔、視頻、設(shè)計數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)、教學(xué)課件、試題庫、實訓(xùn)素材、實物樣件等。

四、虛擬工廠實訓(xùn)資源的應(yīng)用案例及其成效

（一）充分利用現(xiàn)有硬件條件，提高設(shè)備利用率

佛山市南海區(qū)理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校開展了數(shù)字化實訓(xùn)中心建設(shè)，教師教育教學(xué)理念先進，學(xué)校硬件設(shè)施配置、布局合理、管理規(guī)范，實訓(xùn)中心包括鉗工實訓(xùn)室、普通車床實訓(xùn)室、模具拆裝實訓(xùn)室、普通加工綜合實訓(xùn)室、模具綜合實訓(xùn)室、數(shù)控車床實訓(xùn)室、CAD/CAM實訓(xùn)室、數(shù)控銑床實訓(xùn)室和特種加工實訓(xùn)室等9個實訓(xùn)室（4間一體化實訓(xùn)室），工位總數(shù)達(dá)510個，中心占地面積約2500平方米，配備包括先進的四軸加工中心、3D打印機、三坐標(biāo)測量機、三軸加工中心等設(shè)備，設(shè)備總價值1250多萬元。數(shù)字化實訓(xùn)中心包括庫房管理系統(tǒng)、可視化管理系統(tǒng)、教學(xué)資源管理系統(tǒng)、學(xué)生考勤管理系統(tǒng)、車間管理系統(tǒng)等各子系統(tǒng)，并已經(jīng)運作多年。在此基礎(chǔ)之上，新建近800平方米的數(shù)字化虛擬“教學(xué)工廠”，完成“模具在虛擬工廠中的生產(chǎn)”“模具制造技術(shù)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)”兩個廣東省信息化資源建設(shè)項目，取得良好運用效果。

（二）實現(xiàn)全新“三位一體”教學(xué)資源開發(fā)

虛擬工廠平臺由專業(yè)制作公司為項目實施提供技術(shù)保障，教師通過與學(xué)校合作生產(chǎn)企業(yè)提供真實生產(chǎn)項目制作教學(xué)資源，由學(xué)校專業(yè)教師、生產(chǎn)企業(yè)兼職教師共同開發(fā)典型產(chǎn)品加工案例教學(xué)資源，與專業(yè)制作公司協(xié)作，在虛擬工廠完成資源導(dǎo)入，實現(xiàn)三位一體新型教學(xué)資源的開發(fā)模式。

教師是教學(xué)方法、教學(xué)思想的主要提供者，生產(chǎn)企業(yè)與專業(yè)制作公司是平臺提供者。工具平臺的開發(fā)，則應(yīng)是企業(yè)的任務(wù)。如在線精品課程、虛擬仿真教學(xué)資源等建設(shè)中，通過校企合作模式，由企業(yè)提供教學(xué)資源建設(shè)的工具平臺，學(xué)校（教師）根據(jù)自己教育思想和教育方法在工具平臺上有效地編制各種教學(xué)資源。教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)，在這個虛擬工廠設(shè)置生產(chǎn)任務(wù)、設(shè)置崗位和崗位職責(zé)，將學(xué)生分派到設(shè)定的崗位上，并且對每個崗位上的學(xué)生明確工作評價標(biāo)準(zhǔn)，在虛擬工廠中進行教學(xué)，學(xué)生在虛擬工廠進行學(xué)習(xí)。在這平臺上編制的帶有教學(xué)思想和教學(xué)方法的理實一體化教材、仿真實訓(xùn)試題庫、教學(xué)過程管理系統(tǒng)、教學(xué)資源庫和網(wǎng)站。

圖1 數(shù)字化模具實訓(xùn)中心架構(gòu)圖

圖2 由學(xué)校、生產(chǎn)企業(yè)、專業(yè)制作公司組成“三位一體”教學(xué)資源開發(fā)模式

（三）構(gòu)建“工學(xué)結(jié)合”人才培養(yǎng)模式

以現(xiàn)有的實訓(xùn)室為基礎(chǔ)，建成集教學(xué)、培訓(xùn)、生產(chǎn)為一體的現(xiàn)代數(shù)字化虛擬工廠的“生產(chǎn)車間”模式作為專業(yè)實訓(xùn)基地。企業(yè)管理、設(shè)備生產(chǎn)化、環(huán)境真實化、人員職業(yè)化相關(guān)要素，學(xué)生可以通過在虛擬工廠操作得到強化。構(gòu)建“工學(xué)結(jié)合”人才培養(yǎng)模式，學(xué)生的基本職業(yè)素養(yǎng)、基本技能與專業(yè)綜合能力得到全面提高。

（四）優(yōu)化新型教學(xué)模式

在課堂教學(xué)過程中，學(xué)生通過實訓(xùn)項目的講解和演示，項目仿真實訓(xùn)，掌握各類組合產(chǎn)品加工和裝配過程。同時，通過IE瀏覽器在網(wǎng)站上設(shè)立賬戶管理，有效控制虛擬工廠資源的合理使用。

（五）強化基于訂單引領(lǐng)的虛擬工廠教學(xué)應(yīng)用

教師可以方便地在虛擬工廠中組織一個訂單的生產(chǎn)加工。學(xué)生可以在完成加工任務(wù)的過程中學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)的知識。因此，虛擬工廠環(huán)境非常適合項目引領(lǐng)的教學(xué)模式。享受合作與競爭的樂趣，在虛擬工廠中完成一個訂單的生產(chǎn)加工一般工作量是比較大的，而且有很多零部件是類似的。因此，一個訂單的生產(chǎn)加工可以組織幾個小組共同來完成。每個學(xué)生可以參與不同小組，也可以承擔(dān)不同的角色。教師可以組織小組之間的各種競賽活動。

五、結(jié)語

加工制造業(yè)虛擬工廠實訓(xùn)資源建設(shè)的實施，使得受益學(xué)生大幅度增加。廣東省乃至全國眾多理工類大專院校、職業(yè)技術(shù)學(xué)院、職業(yè)技術(shù)學(xué)校等開設(shè)有加工制造類專業(yè)課程，本項目可覆蓋的學(xué)生總?cè)藬?shù)僅在廣東省就達(dá)萬人以上。并且，虛擬工廠實訓(xùn)資源平臺具有二次開發(fā)功能，教師可以在不斷學(xué)習(xí)過程中，增加新產(chǎn)品生產(chǎn)仿真。另外，平臺可以在線仿真，使學(xué)生不受時間、空間限制，隨時隨地進行學(xué)習(xí)。更重要的是，通過虛擬工廠實訓(xùn)資源建設(shè)與應(yīng)用，推動教學(xué)模式由“學(xué)生被動聽”向“學(xué)生動手做”轉(zhuǎn)化，從而有效地支撐“基于工作過程”“項目化教學(xué)”“做中學(xué)”等現(xiàn)代職業(yè)教育理念的實現(xiàn)。