淺談數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)材料成形技術(shù)課程的促進(jìn)作用

王立巖 夏建生 董小飛 陳青

鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鹽城 224051

工程技術(shù)人才是國(guó)家重大工程和基礎(chǔ)制造發(fā)展的基石。因此，黨和國(guó)家對(duì)培養(yǎng)綜合實(shí)踐創(chuàng)新能力人才提出重要策略，深化改革高等教育實(shí)踐教學(xué)的教育方式的根本在于傳統(tǒng)理論課堂的教學(xué)模式改革與升級(jí)。目前，在教學(xué)改革嘗試中存在一些弊端，如教師自身的實(shí)踐教學(xué)能力和意識(shí)的不足；課堂教學(xué)方式抽象使學(xué)生難以理解重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容；教學(xué)手段單調(diào)；針對(duì)性實(shí)效性不強(qiáng)等。

數(shù)字孿生技術(shù)與傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的主要區(qū)別在于，數(shù)字孿生技術(shù)給學(xué)生們帶來更加生動(dòng)和沉浸式的課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)。尤其是一些與工程實(shí)際緊密聯(lián)系的工程理論課程——材料成形技術(shù)基礎(chǔ)，在課程學(xué)習(xí)中涉及較多的專業(yè)術(shù)語和工藝步驟，僅通過靜態(tài)的圖片或影像資源很難讓學(xué)生對(duì)課程的基本概念與重要知識(shí)點(diǎn)吸收和理解，進(jìn)而大幅降低學(xué)習(xí)效率。因此，需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)思維與方法，將數(shù)字孿生技術(shù)引入工程課程的課堂具有重要意義[1-3]。

一、材料成形技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題

在新工科發(fā)展的背景下，工程專業(yè)理論課程學(xué)習(xí)中增強(qiáng)了理論聯(lián)系實(shí)踐環(huán)節(jié)[4-6]，實(shí)踐環(huán)節(jié)能提高和培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與理論聯(lián)系實(shí)際的能力[7]。但實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論教學(xué)環(huán)節(jié)分開獨(dú)立進(jìn)行仍然存在一些弊端，教學(xué)過程中學(xué)生存在對(duì)理論知識(shí)把握程度與認(rèn)識(shí)理解程度不深等現(xiàn)象，遇到應(yīng)用對(duì)象存在問題把握度不夠、實(shí)際工況問題分析與理解不足等問題。

(一)材料成形技術(shù)的教學(xué)目的

材料成形技術(shù)基礎(chǔ)是材料成型及控制工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。涉及金屬材料的液態(tài)金屬成型工藝、鑄造工藝、焊接成型加工工藝和塑性成型加工工藝等內(nèi)容的基本理論和基本知識(shí)，以及非金屬材料的高分子材料及復(fù)合材料成形與陶瓷粉末成形技術(shù)等內(nèi)容的基本理論和基本知識(shí)。課程涉及金屬材料與非金屬材料等多種材料，以及各種不同材料的適應(yīng)成形方法，因此，對(duì)于從未接觸到實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)生們，這無疑是晦澀難以理解的復(fù)雜概念。

(二)材料成形技術(shù)的教學(xué)現(xiàn)狀

材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分，課程的教學(xué)順序?yàn)槔碚摻虒W(xué)在前，實(shí)踐教學(xué)在后。在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中以教師講授為主，通過多媒體和教學(xué)課件等資源講解課程內(nèi)容，教師與學(xué)生間的互動(dòng)較少，在課堂中無法了解每位同學(xué)的學(xué)習(xí)情況。相較于基礎(chǔ)理論課程而言，由于工程理論知識(shí)較為晦澀難懂，其中的一些概念和名詞，包括實(shí)際應(yīng)用所涉及的工況分析與理論模型的應(yīng)用，需要具有一定的工程背景才能更好地理解和學(xué)習(xí)。

目前，許多高校存在多媒體教學(xué)資料陳舊過時(shí)，闡述基本理論知識(shí)與難點(diǎn)知識(shí)內(nèi)容過于單調(diào)等現(xiàn)象。這對(duì)于缺乏實(shí)踐背景的大學(xué)生來說，不利于其理論學(xué)習(xí)效果的提高，限制了學(xué)生對(duì)實(shí)際應(yīng)用的想象和發(fā)揮。若按照書本上的理論層次深度講解理論知識(shí)，學(xué)生難以清晰理解和吸收理論知識(shí)；通過淺顯易懂的方式講解理論知識(shí)，有助于提高學(xué)生的理解和強(qiáng)化，但這樣會(huì)使理論與實(shí)踐應(yīng)用相差過大，在今后的理論實(shí)踐中，增加學(xué)生的認(rèn)知與聯(lián)系困難。因此，如何適當(dāng)?shù)貙⒐こ汤碚撝R(shí)提高與簡(jiǎn)化間的平衡，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)與理解課程內(nèi)容具有重要意義。

(三)材料成形技術(shù)的教學(xué)改革

面對(duì)上述存在問題，國(guó)家教育相關(guān)部門在2015年頒布了《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》，意見中提到創(chuàng)新教學(xué)方法，補(bǔ)齊教育短板和強(qiáng)化實(shí)踐等有效措施。國(guó)內(nèi)以應(yīng)用型為主的高度教育學(xué)校，相繼開展以提高大學(xué)生高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)為目標(biāo)的教學(xué)改革行動(dòng)，以培養(yǎng)和提升學(xué)生的綜合素質(zhì)為基礎(chǔ)，開展教學(xué)資源設(shè)計(jì)，建立課程評(píng)價(jià)體系，啟迪學(xué)生開創(chuàng)性思維，激發(fā)學(xué)生自主深度思考和學(xué)習(xí)能力。結(jié)合智慧學(xué)習(xí)系統(tǒng)，密切關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋情況，對(duì)學(xué)習(xí)效果系統(tǒng)科學(xué)分析，根據(jù)學(xué)習(xí)能力制定相匹配的課程體系，從而降低學(xué)生對(duì)理論課程理解的差異化，全面提高教學(xué)實(shí)施效果。

此外，作為工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，不僅要強(qiáng)化學(xué)生的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，更要加強(qiáng)工程實(shí)踐認(rèn)知與操作。為激發(fā)學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐操作的興趣點(diǎn)，提高學(xué)生實(shí)踐操作與行為，基于數(shù)字孿生技術(shù)的課程資源導(dǎo)入與開發(fā)，會(huì)顯著提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐過程的熟悉和了解，增強(qiáng)課堂教學(xué)趣味性、啟發(fā)性，通過虛擬線下工程案例的實(shí)踐內(nèi)容場(chǎng)景，提高學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐內(nèi)容的理解和掌握程度。將“大國(guó)工匠”的堅(jiān)韌精神與課程體系恰當(dāng)融合，了解重大工程對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和民生發(fā)展的重要性，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)課程重要作用的認(rèn)知高度和拓展專業(yè)視野，增強(qiáng)學(xué)生愛國(guó)情懷，提升學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐學(xué)習(xí)的眼界與開拓思維。

二、數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)在材料成形技術(shù)課程中的改革探索

在新工科背景下，教學(xué)模式更加注重理論聯(lián)系實(shí)際，針對(duì)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的融合促進(jìn)，MOOCs資源平臺(tái)給新型混合教學(xué)形式帶來極大幫助[8-9]，即使未能親自接觸實(shí)踐內(nèi)容的動(dòng)手操作，也能讓學(xué)生掌握實(shí)際工藝流程的整體運(yùn)行方案，因此需要探索新型混合式的教學(xué)模式，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)效果。

(一)數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生的概念誕生于21世紀(jì)，由美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授所提出的先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域與一種新型信息物理融合理念[10]，早期被命名為“信息鏡像模型”(Information Mirroring Model)，隨之逐漸地演變成為“數(shù)字孿生”(Digital Twin)。數(shù)字孿生技術(shù)是利用多物理、多尺度和多概率等虛擬量實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)的物理世界與虛擬的數(shù)字世界的集成映射與融合。用戶可基于數(shù)字孿生模型，對(duì)實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的制造形成過程、應(yīng)用工作狀態(tài)等物理行為進(jìn)行模擬、診斷、預(yù)測(cè)、監(jiān)控產(chǎn)品等流程的操作。

(二)數(shù)字孿生混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

基于材料成形技術(shù)的虛擬仿真模擬教學(xué)平臺(tái)，以交叉融合探索模式開展理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生整體自主設(shè)計(jì)材料成形工藝方案為主，通過智慧評(píng)估系統(tǒng)，結(jié)合教師與學(xué)生反饋機(jī)制對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行優(yōu)化。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬金屬材料的成形工藝過程，通過寓教于學(xué)的方式讓學(xué)生體驗(yàn)材料成形過程，隨后的評(píng)估系統(tǒng)主要針對(duì)材料成形參數(shù)、材料體積以及設(shè)備參數(shù)等內(nèi)容考核學(xué)生操作成績(jī)，根據(jù)學(xué)生對(duì)工藝流程的熟悉度及完成度加權(quán)評(píng)價(jià)總體成績(jī)。通過與傳統(tǒng)授課方式進(jìn)行對(duì)比分析和評(píng)判，評(píng)價(jià)采用量化評(píng)估方式有助于充分了解學(xué)生對(duì)理論與實(shí)踐內(nèi)容的掌握程度，其中量化指標(biāo)主要從教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效果、學(xué)生反饋等方面展開實(shí)施。

以鑄造成形工藝為教學(xué)案例，分析鋼液澆鑄過程中冷卻、凝固及收縮等現(xiàn)象，針對(duì)鋼液的冷卻過程、凝固過程、流道形狀等開發(fā)數(shù)字孿生模型，建立理論教學(xué)和實(shí)踐操作的虛擬仿真平臺(tái)。采用材料的本構(gòu)關(guān)系模型、砂型形狀、冒口形狀、流道設(shè)計(jì)構(gòu)建澆鑄仿真用數(shù)字孿生模型，完成虛擬仿真平臺(tái)開發(fā)與系統(tǒng)程序編寫、測(cè)試等任務(wù)。學(xué)生可使用本人的學(xué)號(hào)登入仿真平臺(tái)進(jìn)行觀看和學(xué)習(xí)，通過對(duì)鑄造過程的了解和學(xué)習(xí)進(jìn)行操作，教師根據(jù)學(xué)生在仿真平臺(tái)上的操作步驟給予評(píng)價(jià)和打分，同時(shí)，虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)會(huì)針對(duì)學(xué)生線上實(shí)踐情況生成評(píng)估報(bào)告。

(三)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)混合教學(xué)模式

數(shù)字孿生技術(shù)可以將現(xiàn)實(shí)物理實(shí)踐內(nèi)容生動(dòng)和高效地映射到傳統(tǒng)課題教學(xué)中，增加傳統(tǒng)教學(xué)方式的趣味性和活躍性，并將數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)及教學(xué)方式等有機(jī)融合，滿足新工科背景驅(qū)動(dòng)下對(duì)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和創(chuàng)新能力提升的迫切需求。數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)模式融合了虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)踐操作等線上與線下混合式的教學(xué)模式。利用線上教學(xué)資源平臺(tái)，如MOOCs(慕課)國(guó)家精品課程在線教育平臺(tái)，將數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的材料成形工藝流程、加工過程仿真等數(shù)字信息技術(shù)與線上、線下理論教學(xué)融合，使學(xué)生可采用多種方式，如手機(jī)、平板和計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。針對(duì)材料成形技術(shù)課程內(nèi)容和教學(xué)大綱，將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源劃分為具體和細(xì)化的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生可按照教學(xué)進(jìn)度，利用教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并進(jìn)行自我學(xué)習(xí)情況檢驗(yàn)與評(píng)估。智慧系統(tǒng)會(huì)記錄每位同學(xué)的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)以及觀看頻率，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生比較關(guān)心和觀看頻率較高的部分內(nèi)容進(jìn)行反饋，并生成學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)報(bào)告，有利于教師在后續(xù)課程推進(jìn)與線上教學(xué)模式升級(jí)具有重要參考價(jià)值。

在傳統(tǒng)線下教學(xué)的課堂中，同樣也可采用數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)資源，主要是以課堂重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行講授、課堂分組討論、隨堂測(cè)驗(yàn)等方式，促進(jìn)課堂活躍氣氛，使枯燥乏味的理論知識(shí)內(nèi)容變得生動(dòng)和精彩。通過線下課堂教師與學(xué)生面對(duì)面的交流，學(xué)生提出對(duì)學(xué)習(xí)材料成形過程的感受，及時(shí)反饋與學(xué)習(xí)內(nèi)容溝通有助于學(xué)生抓住重點(diǎn)內(nèi)容，理順課程內(nèi)容的邏輯順序。教師要針對(duì)與學(xué)生的交流和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及時(shí)做出收集、反饋以及調(diào)整。在后續(xù)課堂中將學(xué)生分成若干組，對(duì)于學(xué)習(xí)進(jìn)度和理解程度具有差異的同學(xué)，對(duì)其課程進(jìn)行調(diào)整和不同程度的課堂提問，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，通過課堂和課后的不斷學(xué)習(xí)，有效地掌握課程的重點(diǎn)內(nèi)容。

(四)數(shù)字孿生混合教學(xué)實(shí)踐效果

目前，國(guó)內(nèi)許多高校開始展開基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的混合實(shí)踐教學(xué)模式，大多數(shù)仍處于研究探索和開發(fā)的階段，隨著國(guó)家對(duì)專業(yè)技能人才的培養(yǎng)的高度重視，數(shù)字孿生技術(shù)與虛擬實(shí)踐仿真相結(jié)合的研究取得了較為豐富的研究成果。經(jīng)過實(shí)際教學(xué)的體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)操作后發(fā)現(xiàn)，基于數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)模式具有以下效果：

(1)強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)效果。通過數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式對(duì)材料成形技術(shù)課程內(nèi)容的講授，減少了理論課程學(xué)習(xí)的枯燥乏味，提升課堂學(xué)習(xí)活躍性，強(qiáng)化學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生將基本理論知識(shí)形成豐富而具體的內(nèi)容，通過與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系，學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)和教學(xué)資料，增強(qiáng)理論課程內(nèi)容學(xué)習(xí)，提升實(shí)驗(yàn)操作熟練程度和準(zhǔn)確性，理論課程和實(shí)踐教學(xué)成效得到顯著提升。

(2)提高理論聯(lián)系實(shí)踐效果。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)混合式教學(xué)形式，使學(xué)生從虛擬物理世界獲得現(xiàn)實(shí)世界的感受，從傳統(tǒng)理論課堂進(jìn)入實(shí)際材料成形工藝流程，拓展課堂理論學(xué)習(xí)局限性，增強(qiáng)實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境下實(shí)踐學(xué)習(xí)能力和熟練程度，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)面對(duì)實(shí)踐操作困難的決心，從而得到更為全面的實(shí)踐訓(xùn)練。

(3)提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力。結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)，熟悉每個(gè)材料成形過程中的所采用的重要參數(shù)和操作環(huán)節(jié)，提高學(xué)生面對(duì)實(shí)際問題的應(yīng)變能力和動(dòng)手能力。采用數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)混合的教學(xué)形式，可以讓每位學(xué)生具有足夠的學(xué)習(xí)時(shí)間接觸實(shí)踐過程。針對(duì)不同工藝過程進(jìn)行課程的獨(dú)立設(shè)置，讓學(xué)生以項(xiàng)目的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)踐操作，顯著提高工程綜合能力和創(chuàng)新能力。

結(jié)語

數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)方式將物理世界與虛擬世界構(gòu)筑橋梁，形成虛實(shí)結(jié)合、資源同步、互生互融的新型理論與實(shí)踐相融合的教學(xué)模式。根據(jù)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展對(duì)綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力人才的需求，基于材料成形技術(shù)課程進(jìn)行教學(xué)改革嘗試和探索，提出基于數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)虛擬仿真平臺(tái)的混合式教學(xué)思想，采用數(shù)字孿生的混合實(shí)踐拓展學(xué)習(xí)模式進(jìn)行研究?；跀?shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)提出總體設(shè)計(jì)方案，探究數(shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)模式以及平臺(tái)搭建。利用數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)的自由性、拓展性的特點(diǎn)，可顯著提高學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容體驗(yàn)感受和自主學(xué)習(xí)的興趣，相較于傳統(tǒng)授課，新型混合式的教學(xué)模式讓課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)更加容易吸收和理解，使學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力逐步提升，為新工科背景下的工程實(shí)踐課程的教學(xué)改革方向提供一條有益途徑。