基于數(shù)字孿生的智能制造線上線下實訓(xùn)教學(xué)研究
——以工業(yè)機器人裝調(diào)實訓(xùn)課程為例

韋鳳慈，張 濤，羅 攀

（1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.機械工程學(xué)院；b.科研處，安徽 蕪湖 241000；2.玉柴聯(lián)合動力股份有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

實踐教學(xué)是高等職業(yè)教育的基礎(chǔ)，逐漸被各高職院校和企業(yè)所重視，它是高職院校根據(jù)人才培養(yǎng)計劃和目標培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力的教學(xué)過程，是培養(yǎng)高素質(zhì)高技能人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。線下教學(xué)一直是各高校實訓(xùn)課程的經(jīng)典教學(xué)模式，目前高職理工科常規(guī)實訓(xùn)教學(xué)研究多是線下教學(xué)［1］，而線上線下結(jié)合實訓(xùn)教學(xué)研究也偏理論概述及建議設(shè)想方面［2］。關(guān)于線上線下實踐教學(xué)理實和現(xiàn)實一體明確分工新模式的研究較少。本研究以安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造裝備技術(shù)專業(yè)工業(yè)機器人裝調(diào)實訓(xùn)課程為例，在保證新冠疫情期間學(xué)校提出的“停課不停教、停課不停學(xué)”的教學(xué)要求基礎(chǔ)上，結(jié)合智能制造和數(shù)字孿生技術(shù)，嘗試探索線上線下理實和現(xiàn)實一體明確分工的教學(xué)模式，取得了一定的教學(xué)效果。

1 實訓(xùn)課程背景

以安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱“我校”）為例，智能制造裝備技術(shù)專業(yè)從屬于工業(yè)機器人專業(yè)群，在校?？粕鷶?shù)量約120人。我校智能制造裝備技術(shù)專業(yè)是安徽省特色專業(yè)、安徽省地方技能型高水平大學(xué)重點建設(shè)專業(yè)、高職創(chuàng)新發(fā)展行動計劃骨干專業(yè)。該專業(yè)主要面向智能裝備設(shè)計、裝調(diào)、制造及技術(shù)改造等，依托行業(yè)和學(xué)科特色開展數(shù)控機床機電聯(lián)調(diào)、工業(yè)機器人裝調(diào)、數(shù)控機床與機器人連接調(diào)試、精密檢測與伺服優(yōu)化、機床升級改造、數(shù)控系統(tǒng)連接與調(diào)試等專業(yè)課實訓(xùn)教學(xué)。

工業(yè)機器人裝調(diào)實訓(xùn)課程實踐性較強，一直采用先理論后實踐的分階段教學(xué)模式。該課程實訓(xùn)教學(xué)以實訓(xùn)周方式開展，目前為期一周，在實訓(xùn)教學(xué)期間，教師引導(dǎo)學(xué)生按照實訓(xùn)任務(wù)書和實訓(xùn)指導(dǎo)書進行操作實踐。實訓(xùn)期間，學(xué)生根據(jù)理論掌握程度被分成不同的小組，通過小組合作完成實訓(xùn)項目，現(xiàn)場教學(xué)效果良好。

在新冠疫情在線教學(xué)趨勢的推動下，我校智能制造裝備技術(shù)專業(yè)教學(xué)團隊，提出了基于虛實結(jié)合的現(xiàn)實綜合實踐課程教學(xué)方法，利用數(shù)字孿生技術(shù)，探索虛擬實訓(xùn)場景與線下真實設(shè)備相結(jié)合，使學(xué)生在線上就能充分熟悉實訓(xùn)目標、技能及實訓(xùn)項目，同時在線實訓(xùn)的再現(xiàn)和在線與線下相結(jié)合的實踐教學(xué)復(fù)盤，增強學(xué)生對知識的理解和掌握［3］。線上線下結(jié)合的實訓(xùn)教學(xué)，突破了空間和物理設(shè)備的局限，解決了線上實踐教學(xué)達不到目的的問題，對推動智能制造裝備技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)改革具有很大意義。

2 線上線下實訓(xùn)教學(xué)的內(nèi)涵及特征

2.1 線上線下實訓(xùn)教學(xué)的內(nèi)涵

首先，線上線下實訓(xùn)教學(xué)不是基于MOOC或E會學(xué)等線上課程平臺的混合教學(xué)。本文認為線上培訓(xùn)教學(xué)和線下教學(xué)具有同等重要的地位，而不是簡單地用視頻或錄制的信息學(xué)習(xí)資源來補充線下教學(xué)內(nèi)容［4］。其次，線上線下實訓(xùn)教學(xué)也不是線上主講加線下助教的雙師課堂教學(xué)模式，本文中的線上培訓(xùn)教學(xué)和線下教學(xué)不是在同一個時空進行的，有不同的培訓(xùn)內(nèi)容、側(cè)重點和教學(xué)目標；最后，網(wǎng)上實踐教學(xué)與線下實訓(xùn)教學(xué)具有緊密聯(lián)系，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

2.2 線上線下實訓(xùn)教學(xué)的特征

一是線上線下實訓(xùn)主講教師依據(jù)不同時空、不同實訓(xùn)平臺以及不同教學(xué)環(huán)境開展實訓(xùn)教學(xué)。這是線上線下結(jié)合實踐教學(xué)的基本形式，也是體現(xiàn)線上線下實踐教學(xué)各自優(yōu)勢的主要保障。尤其是對于高等職業(yè)學(xué)生生源質(zhì)量相對不高，自主學(xué)習(xí)能力相對不足，學(xué)習(xí)態(tài)度不甚積極的情況下，相較于基于MOOC或E會學(xué)等線上課程平臺的混合教學(xué)，線上線下實訓(xùn)教學(xué)有一定優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在它有教師實時直播授課，線上教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量相對較好。

二是線上線下實訓(xùn)教學(xué)的目標各有側(cè)重。眾所周知，教學(xué)目標可反映教學(xué)所要和所能達到的目的，也可直接反映線上線下實踐教學(xué)的各自優(yōu)勢。線上實訓(xùn)教學(xué)目標側(cè)重于知識技能的掌握，主要關(guān)注學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解掌握和未來可具有的運用能力；線下實訓(xùn)教學(xué)除了側(cè)重操作技能外，還側(cè)重勞動教育，強調(diào)學(xué)生對實踐問題的分析、創(chuàng)造能力。不同側(cè)重點的差異化線上線下實訓(xùn)教學(xué)，使得各自教學(xué)目標突出，教學(xué)優(yōu)勢凸顯。

三是線上線下實訓(xùn)教學(xué)緊密聯(lián)系又相輔相成。主要表現(xiàn)在虛實結(jié)合的教學(xué)模式，使得教學(xué)能夠在不同時間、不同空間最大程度地運用信息化、智能化手段，并將其貫穿于線上線下實訓(xùn)教學(xué)的全過程，這也是實踐教學(xué)三全育人的真實反映，讓學(xué)生可以直觀、快速地掌握最先進的智能制造技術(shù)，緊跟時代前沿。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造實訓(xùn)線上線下教學(xué)模式探索

3.1 數(shù)字孿生技術(shù)實訓(xùn)平臺設(shè)計理念

新冠疫情推動線上實訓(xùn)教學(xué)改革成為必然，在智能制造裝備技術(shù)專業(yè)工業(yè)機器人裝調(diào)實訓(xùn)教學(xué)過程中引入數(shù)字孿生概念，以虛擬3D孿生技術(shù)與現(xiàn)實世界智能制造技術(shù)平臺進行通信仿真，搭建出虛擬空間數(shù)字化與現(xiàn)實世界中物理模型控制一致的平行世界，實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實世界同步，解決實訓(xùn)過程無法進行現(xiàn)實操作的問題［5］。在智能制造領(lǐng)域，運用數(shù)字孿生技術(shù)，現(xiàn)實物理工廠車間通過在虛擬空間中搭建出對應(yīng)的車間數(shù)字雙胞胎模型，物理生產(chǎn)作業(yè)線在虛擬空間搭建出對應(yīng)的生產(chǎn)作業(yè)線。學(xué)生通過運用虛擬空間模型信息，仿真現(xiàn)實世界中車間生產(chǎn)作業(yè)線及運行動態(tài)，并實時接收數(shù)據(jù)反饋。從而使虛擬空間數(shù)據(jù)與現(xiàn)實世界實現(xiàn)通信聯(lián)通，線下實訓(xùn)時直接導(dǎo)入線上數(shù)據(jù)信息到現(xiàn)實物理設(shè)備中［6］。使學(xué)生輕松掌握任務(wù)書中的實訓(xùn)內(nèi)容和工作原理。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造實訓(xùn)具有以下2個優(yōu)點：（1）解決了現(xiàn)實世界實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量多數(shù)匱乏或更新不充分的問題。很多院校實訓(xùn)設(shè)備存在數(shù)量不足、老舊等現(xiàn)象，而通過數(shù)字孿生技術(shù)仿真，可在線實現(xiàn)人手一臺設(shè)備，可視化操作，直觀完成虛擬設(shè)備實踐操作學(xué)習(xí)，為后期現(xiàn)實物理設(shè)備的實踐操作打下基礎(chǔ)，提高學(xué)生積極性和動手能力；（2）解決了現(xiàn)實世界實訓(xùn)室建設(shè)成本、維護和升級成本高的問題，現(xiàn)今智能技術(shù)發(fā)展迅速，實訓(xùn)設(shè)備更新?lián)Q代較快，受成本制約，很多院校無法實現(xiàn)每年更換或升級新設(shè)備，而通過數(shù)字孿生技術(shù)仿真可較好地解決這個問題［6］。

3.2 基于數(shù)字孿生的智能制造實訓(xùn)平臺設(shè)計

以我校智能制造裝備技術(shù)專業(yè)為例，結(jié)合制定的專業(yè)人才培養(yǎng)方案，搭建數(shù)字孿生智能制造實訓(xùn)平臺，探索“工業(yè)機器人裝調(diào)”實訓(xùn)課程教學(xué)模式。實訓(xùn)平臺基于現(xiàn)實世界生產(chǎn)車間搭建1∶1虛擬場景，同步實現(xiàn)生產(chǎn)車間設(shè)備控制，如PLC控制、CNC加工過程控制、工業(yè)機器人控制等流程動作及信息反饋控制。實訓(xùn)平臺包含CNC加工單元、機器人工作單元、檢測單元、倉儲單元、PLC控制單元，以此為基礎(chǔ)開展實訓(xùn)教學(xué)仿真。實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生智能制造實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)圖

3.3 實訓(xùn)平臺功能模塊設(shè)計

以PLC控制單元為例，通過連接真實PLC硬件，學(xué)生在線上完成I/O信號的分配、調(diào)試，實時觀察PLC信號變化［7］。同時將PLC的I/O信號分別與CNC加工單元、機器人工作單元、數(shù)字孿生單元、檢測單元、倉儲單元PLC信號連接，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部邏輯運算和控制，在實訓(xùn)平臺終端實現(xiàn)各工作單元PLC信號的采集、讀取、跟蹤等功能，實時檢測各單元工作狀態(tài)，實現(xiàn)各單元整體控制、信息采集及設(shè)備運轉(zhuǎn)［8］。虛擬實訓(xùn)場景如圖2所示。

圖2 虛擬實訓(xùn)場景

4 工業(yè)機器人裝調(diào)實訓(xùn)課程教學(xué)

工業(yè)機器人裝調(diào)實訓(xùn)課程采用項目化教學(xué)，共5個項目，如表1所示。其中，工業(yè)機器人機械安裝與調(diào)試和工業(yè)機器人電氣安裝與調(diào)試2個項目最為典型，下面具體介紹。

表1 工業(yè)機器人裝調(diào)實訓(xùn)課程主要項目

4.1 工業(yè)機器人機械安裝與調(diào)試

工業(yè)機器人的機械安裝與調(diào)試實訓(xùn)，通過理論講解使學(xué)生快速理解和掌握工業(yè)機器人基本結(jié)構(gòu)組成、安裝調(diào)試、維護與保養(yǎng)基礎(chǔ)知識，便于實踐階段教學(xué)的開展。教學(xué)過程采取線上線下實訓(xùn)時間1∶1的分配方式，通過理論知識點和技能操作點的講解后，學(xué)生再在數(shù)字孿生制造實訓(xùn)平臺中實踐運用。具體分為以下步驟。

1）工業(yè)機器人各組成機構(gòu)安裝。

熟悉實訓(xùn)平臺場景，快速查找到各組成機構(gòu)設(shè)備組件，包括執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)。該實踐環(huán)節(jié)其實是對理論知識的補充和回顧，有利于機器人系統(tǒng)構(gòu)成、安裝與拆卸、電氣及氣動管路連接等知識的再掌握。

2）熟悉實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容。

學(xué)生認真閱讀實訓(xùn)任務(wù)書，明確實訓(xùn)任務(wù)目的、實訓(xùn)內(nèi)容及步驟、實訓(xùn)要點、注意事項等。

3）各軸零點校準。

工業(yè)機器人每個關(guān)節(jié)軸都設(shè)置有機械零點位置。在完成工業(yè)機器人的機械安裝操作后，必須進行機械零點校準。通過對實訓(xùn)平臺場景內(nèi)各軸零點位置監(jiān)控，點動操作完成機械零點的校準。

4）點動示教操作。

通過實訓(xùn)平臺場景，點動示教各軸空間移動距離，并返回到原點。若操作過程中發(fā)現(xiàn)工業(yè)機器人無法進行示教，需檢查虛擬線路連接及控制柜安裝來排除故障。

工業(yè)機器機械安裝與調(diào)試線上線下實訓(xùn)教學(xué)可以加深學(xué)生對機器人各組成部分之間的相互聯(lián)系了解，掌握機器人機械安裝步驟及調(diào)試方法，具備未來機器人安裝維護崗位工作能力。虛擬實訓(xùn)平臺機器人安裝如圖3所示。

圖3 虛擬實訓(xùn)平臺機器人安裝

4.2 工業(yè)機器人電氣安裝與調(diào)試

工業(yè)機器人電氣安裝與調(diào)試實訓(xùn)，通過對工業(yè)機器人機電構(gòu)成裝置的安裝調(diào)試基礎(chǔ)知識的理論講解，讓學(xué)生掌握工業(yè)機器人的基本電氣安裝方法和技能。理論講解和實操同機器人機械安裝調(diào)試相類似，應(yīng)交互進行，學(xué)生在數(shù)字孿生智能制造實訓(xùn)平臺中，實時對機器人電氣安裝與調(diào)試進行學(xué)習(xí)實踐。具體實踐環(huán)節(jié)如下.

1）電氣系統(tǒng)I/O配置及接線。

熟悉數(shù)字孿生實訓(xùn)平臺，包括機器人各部分接線電氣原理圖和信號輸入輸出部分原理圖，掌握機器人電氣系統(tǒng)安裝與調(diào)試、各組成部分電氣連接關(guān)系及I/O配置。

2）熟悉實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容。

學(xué)生認真閱讀實訓(xùn)任務(wù)書，了解實驗?zāi)康?、功能、工業(yè)機器人機電系統(tǒng)、電氣原理圖、實驗指令、軟件操作說明、電氣控制柜等信息。

3）工業(yè)機器人電氣系統(tǒng)調(diào)試。

學(xué)生通過回顧和運用已學(xué)的電氣系統(tǒng)的調(diào)試方法，如控制器調(diào)試、電源調(diào)試等，在數(shù)字孿生實訓(xùn)平臺中認真觀察各電氣裝置組成部分的工作方式、特性、I/O信號傳輸過程等，理解和掌握電氣系統(tǒng)調(diào)試基本方法在工業(yè)機器人電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用，達到知識的遷移和拓展。

工業(yè)機器人電氣系統(tǒng)的調(diào)試安裝實訓(xùn)可加深學(xué)生對工業(yè)機器人整個電氣系統(tǒng)的了解和認知，熟悉工業(yè)機器人電氣系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)組成、各環(huán)節(jié)控制流程以及對應(yīng)的工作原理。整體而言，線上線下整體教學(xué)效果優(yōu)于純線下實訓(xùn)教學(xué)過程，學(xué)生的總體參與度較高。

5 結(jié)語

隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+教育的發(fā)展，線上線下相結(jié)合的教學(xué)將逐步發(fā)展為教育的常見形式，根據(jù)時代要求，為社會培養(yǎng)出全面高素質(zhì)高技能的職業(yè)技能型綜合型人才成為一種趨勢，各高職院校需深化教學(xué)目標的改革，不斷加強線上線下教學(xué)改革，適應(yīng)當(dāng)代職業(yè)教育發(fā)展［9］?；跀?shù)字孿生技術(shù)的智能制造實訓(xùn)線上線下教學(xué)研究成果有：1）解決了純線上實訓(xùn)教學(xué)難的問題；2）增加了學(xué)生的實踐鍛煉機會；3）幫助教師輕松實現(xiàn)線上有的放矢指導(dǎo)、個性化指導(dǎo)，從而可以安排出更多更豐富的教學(xué)內(nèi)容；4）使線上教學(xué)組織越來越靈活。筆者下一步將繼續(xù)深入開展線上線下實訓(xùn)教學(xué)研究，不斷完善實訓(xùn)平臺設(shè)計、實訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計、學(xué)生反饋效果等，持續(xù)推進理實和現(xiàn)實一體實訓(xùn)教學(xué)。