元宇宙助推機械專業(yè)實訓模式創(chuàng)新

薛曉荔

元宇宙為機械實訓模式的創(chuàng)新帶來全新的體驗和機遇，其整合并應用了各種數(shù)字技術，形成了虛擬與現(xiàn)實、數(shù)字與應用的互聯(lián)網(wǎng)交叉融合的社會形式。在機械專業(yè)實訓教學的過程中，學生面臨實用設備資源有限、校外實訓受到現(xiàn)實因素的限制、在線實用資源建設不完善等一系列挑戰(zhàn)。建議使用元宇宙、數(shù)字孿生和其他技術創(chuàng)建虛擬空間，通過虛擬空間和物理空間之間的實時數(shù)據(jù)交換，打造出一個完整的工程訓練數(shù)字孿生空間，從而幫助學生完成機械專業(yè)的相關實訓科目，更好地了解該專業(yè)不同工種的操作細節(jié)和加工流程，并促進學習系統(tǒng)的更新和專業(yè)實訓模式的創(chuàng)新。

元宇宙介紹

元宇宙是由多種技術組合而成的綜合體，其是一個虛擬的、互動式的世界，結合了虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、人工智能、區(qū)塊鏈等多種技術，可以模擬真實世界中的場景和物體，同時也可以讓用戶進行互動和操作[1]。

當前，中國數(shù)字經濟快速發(fā)展，為傳統(tǒng)產業(yè)提供了數(shù)字化轉型的契機，推動了數(shù)字技術與實體產業(yè)的快速融合。在元宇宙中，虛擬現(xiàn)實技術可以創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境；增強現(xiàn)實技術可以讓用戶感受到更加真實的環(huán)境和體驗；人工智能可以讓虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界更加緊密地結合起來；區(qū)塊鏈可以確保虛擬資產的安全和可信性。數(shù)字技術不僅可以實現(xiàn)生產，而且可以應用于日常教學活動。

機械專業(yè)實訓的現(xiàn)狀與問題

機械專業(yè)的學生需要直接面向制造行業(yè)，因而該行業(yè)對他們操作技能的要求非常高。在機械專業(yè)的教學過程中，機械專業(yè)實訓課程是必不可少的重要一環(huán)，它是培養(yǎng)學生綜合實踐能力和解決問題能力的重要途徑。然而，目前傳統(tǒng)的機械專業(yè)實訓還存在一些問題和挑戰(zhàn)。

高成本

傳統(tǒng)的機械專業(yè)實訓需要大量的設備和材料，而這些設備和材料往往價格昂貴，給學校和企業(yè)帶來了很大的經濟壓力。校園實踐資源有限、設備更新緩慢，在大規(guī)模教學的情況下，很難滿足一人一機的要求，有時甚至出現(xiàn)幾十人共用一臺設備的現(xiàn)象，導致練習的時間十分有限。

安全隱患

傳統(tǒng)的機械專業(yè)實訓往往需要使用一些危險的工具和材料，如果操作不當，可能會出現(xiàn)人員傷亡和設備損壞等問題。

時間限制

傳統(tǒng)的機械專業(yè)實訓往往需要在實驗室或者工廠進行，時間和場地的限制往往會影響實訓的效果和質量。學校根據(jù)教學大綱，每學期著重安排幾周的實訓課程，受時間短、人員多、管理、設備等因素的影響，學生往往只能以粗淺的方式進行入門練習，無法扎實深入地掌握整體的系統(tǒng)框架，導致記憶周期短、學習效果差。隨著生產一體化的技術和現(xiàn)代化程度的不斷提高，機器正向著模塊化、集成化方向發(fā)展，學生在有限的時間內只能對生產過程有一個大致的了解。

無法模擬復雜場景

傳統(tǒng)的機械專業(yè)實訓往往只能模擬一些簡單的工作場景，難以模擬一些復雜的實際工程問題，這會影響學生的實踐能力和解決問題的能力。

缺乏互動和反饋

傳統(tǒng)的機械專業(yè)實訓往往是單向的，單向的教學方式容易使學生產生厭倦和抵觸情緒，學生的學習效果不佳，興趣減弱。因此，需要通過創(chuàng)新技術手段和教學方法解決這些問題。元宇宙作為一種新興的虛擬現(xiàn)實技術，可以為機械專業(yè)的實訓模式帶來新的機遇和挑戰(zhàn)，通過虛擬現(xiàn)實技術的應用，可以有效地解決傳統(tǒng)機械專業(yè)實訓中存在的問題，構建新的實訓模式。

元宇宙技術在機械專業(yè)實訓中的優(yōu)勢

通過分析元宇宙技術在機械專業(yè)實訓中的優(yōu)勢，探討其在機械專業(yè)實訓中的適用性和推廣前景。

目前，為了解決機械實訓教學中存在的問題，除了需要教師正確的指導外，還需要利用先進的技術手段，開發(fā)互動式、高精度的虛擬培訓教學工具，拓寬實訓課程的多樣性渠道，激發(fā)學生的學習積極性。近年來，新興技術在不斷迭代更新、融合升級。例如，在工業(yè)領域中應用增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、人工智能、數(shù)字孿生等技術，極大地促進了虛擬世界和物理世界的融合，為進一步拓寬教學渠道奠定了基礎，創(chuàng)新了教學思路，將會對教學的模式設計產生重大的影響，加速了教學數(shù)字化升級的進程[2]。

元宇宙被視為互聯(lián)網(wǎng)進化的終極形態(tài)，其在教學領域的運用將成為未來教學發(fā)展的新樣態(tài)，必將給機械專業(yè)實訓教學帶來新面貌。

元宇宙在機械實訓模式中的可能性

元宇宙通過數(shù)字孿生技術[3]生成了現(xiàn)實世界的鏡像，這是元宇宙的重要底層技術之一。它是一個虛擬的、互動式的世界，結合了虛擬現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術，可以模擬真實世界中的場景和物體，同時也可以讓用戶進行互動和操作。在機械實訓中，數(shù)字孿生技術的前景廣闊，可以被用來模擬各種機械設備和工藝流程，從而提高學生的實踐能力和技能水平。以下內容是數(shù)字孿生技術在機械實訓模式中的可能性探索。

第一，機械設備模擬。數(shù)字孿生技術可以用來模擬各種機械設備的工作原理和操作流程，包括數(shù)控機床、注塑機、壓力機、焊接設備等。學生可以在虛擬現(xiàn)實中進行操作和調試，學習如何使用這些設備，并了解其工作原理和性能特點。

第二，工藝流程模擬。數(shù)字孿生技術可以用來模擬各種機械加工和制造的工藝流程，包括鑄造、鍛造、沖壓等。學生可以在虛擬現(xiàn)實中模擬操作各種工藝流程，了解每個工藝步驟的作用和影響，并進行工藝參數(shù)的調整和優(yōu)化。

第三，虛擬現(xiàn)實培訓。結合了虛擬現(xiàn)實技術，給學生提供更加真實的機械實訓體驗。學生可以在虛擬場景中進行培訓，如操作復雜的機床或進行危險的高空作業(yè)，從而提高他們的實踐能力和技能水平。

第四，多人協(xié)同實訓。數(shù)字孿生技術可以提供多人協(xié)同實訓的平臺，多個學生可以同時進入虛擬場景中進行機械實訓，共同完成一個任務或解決一個問題。這種方式可以促進學生之間的合作和交流，提高他們的團隊合作能力和溝通能力。

元宇宙在機械實訓模式中的特征

在科學和技術方面，機械專業(yè)實訓的元宇宙具有虛擬性、開放性、低延遲性、互動性等特征。而在社會維度方面，元宇宙具有虛擬身份、經濟、社交網(wǎng)絡、文明等特征。因此，機械專業(yè)實訓科目的元宇宙特征是創(chuàng)新的，具有前瞻性和實用性。

第一，虛擬化。機械專業(yè)實訓的虛擬世界有兩種構建渠道，一是可以通過元宇宙中的虛擬身份，同步顯現(xiàn)出物理世界中的人物，在虛擬世界中出現(xiàn)學生和教師的角色，從而實現(xiàn)了物理與虛擬的全面交織。二是通過數(shù)字孿生技術生成鏡像，將物理世界中的機械設備構造出一樣的虛擬世界。學生戴上AR或VR眼鏡，即可在虛擬環(huán)境中感受到真實的操作環(huán)境，獲得豐富的沉浸式體驗感，從而更好地掌握機械知識和技能。

第二，開放性。機械教學元宇宙的構建打破了學校和社會的壁壘，通過使用機械設備可以打造互動式教學模式。元宇宙打造了一種開放的教學環(huán)境，教師可以選擇多樣化的教學內容，輔以多種教學方式，采用多種教學評價，具有時間和空間上的靈活性，學生可以在任何時間和地點進行學習，不必受到傳統(tǒng)教育的空間和時間限制。這種學習方式不僅支持個性化學習，也支持成立合作學習小組，為學生提供了更加靈活和有效的學習支持。

第三，特殊性。通過傳感器等輸入設備，學生可以將自己的狀況轉化為元宇宙中的虛擬形象，通過監(jiān)測虛擬形象的眼睛、腦電圖、微表情等信號，并運用算法進行分析，教師可以更好地了解學生的學習狀態(tài)，從而幫助教師提升教學效果。同時也應該警惕機械專業(yè)實訓元宇宙所帶來的倫理風險、沉迷風險和隱私風險[4]。

總之，數(shù)字孿生技術在機械實訓模式中有著廣闊的應用前景，可以為學生提供更加真實和豐富的機械實訓體驗，同時也可以為教師提供更加高效和便捷的教學工具。

構建機械專業(yè)實訓的元宇宙模式

在《數(shù)字孿生五維模型及十大領域應用》中，有人提出了五維數(shù)字孿生模型[5]。數(shù)字孿生是一組相互關聯(lián)的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射，多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)構成了信息物理系統(tǒng)?，F(xiàn)針對傳統(tǒng)機械實訓存在的問題，構建一種全新的機械專業(yè)實訓模式，并探討其實施的可行性和效果。

虛擬空間的搭建

機械專業(yè)主要面向裝備制造企業(yè)，實訓課程的內容與制造企業(yè)的關系緊密相連。因此，在構建機械專業(yè)實訓課程時，可以融入數(shù)字孿生技術，打造一個基礎平臺?；谶@樣一個機械專業(yè)實訓的元宇宙平臺，搭建一個制造企業(yè)物理世界的鏡像體，其中，用戶和服務端共同構成了一個機械實訓元宇宙空間系統(tǒng)。

在服務器端，通過傳感器、嵌入式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡等電子技術，將真實物理世界中的機械設備和場地展示在虛擬世界中。建設數(shù)字孿生車間的對象時，通常選擇某一個車間或工廠為原型。對于機械專業(yè)實訓教學而言，最基礎的需求是機器設備，然而更理想的是擁有產品的完整生產線，包含實驗室、實訓基地、產品從原材料到成品的整個過程。

例如，要建成牙刷的生產線數(shù)字孿生體，必須集中原材料供應生產線、加工設備系統(tǒng)、裝配設備系統(tǒng)、檢測設備等生產線。這離不開高性能的計算機，利用超級計算的工作站、一體機Focus等硬件，以及HTC Vive虛擬現(xiàn)實顯示器等一系列硬件設備，創(chuàng)建沉浸式課程和交互式的VR培訓。整個平臺的搭建同時也會更好地促進企業(yè)和學校之間的合作。

用戶端的用戶可以分為兩類：虛擬人、原生人。通過人機界面上的柔性貼片采集人體生物的電信號以實現(xiàn)手勢識別，并利用動作捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)人體物理運動與虛擬身體的實時映射。虛擬人等同于個體用戶在現(xiàn)實世界中的數(shù)字化身。虛擬人通過可穿戴設備、傳感器、攝像頭等技術，實現(xiàn)動態(tài)的信息采集，將原生個體的表情、動作同步鏈接傳送至虛擬人，實現(xiàn)在虛擬空間實訓操作的目標。

虛擬身份的創(chuàng)建

傳統(tǒng)實訓課程一般以講授法為主，講師將自己掌握的知識以一般教學法為載體，以期學生能夠獲得更多的知識并掌握必要的技能。在這種方式中，教師扮演著傳授者的角色，學生則是知識的接受者。在機械專業(yè)實訓的元宇宙中，教師和學生之間的關系被重構，符合當前教育理念去權威化的發(fā)展趨勢。通過元宇宙技術搭建的虛擬空間中，教師不再是單一的知識傳授者，也可以擔任多種角色，如操作員、輔導、設計師、工人等，與學生共同創(chuàng)造一個多元共享的學習環(huán)境。學生不再局限于教師的單向知識傳授，而是在虛擬空間中進行觀察操作、實踐和總結，同時，增加互動合作和自主學習環(huán)節(jié)，利用元宇宙豐富的社交特性，幫助學生更加全面地掌握知識和技能。這種新型的教育模式有助于提高學生的學習效果和自主學習能力，也能夠促進教師的專業(yè)成長和教學創(chuàng)新，從而在機械實訓教學中取得良好的效果。

基礎環(huán)境設施的構建

構建基于5G或6G網(wǎng)絡環(huán)境的機械專業(yè)實訓虛擬場景設備，旨在確保學生在虛擬學習環(huán)境中實現(xiàn)流暢的沉浸式教學體驗。視覺交互技術（全息投影、VR、AR）為師生創(chuàng)造了真實世界與虛擬世界無縫轉換的沉浸式體驗。機械專業(yè)實訓元宇宙的運行離不開巨大的算力，故需要構建集強大的計算、智能等技術于一體的基礎設施，也能促進元宇宙技術的發(fā)展和創(chuàng)新，推動其在教育領域的應用和推廣。

元宇宙技術在機械專業(yè)實訓中的發(fā)展方向和應用前景

元宇宙技術在機械專業(yè)實訓中的發(fā)展方向

2019年，Steam公司發(fā)布了一款名為《烹飪模擬器》的游戲，玩家利用VR技術，在游戲中可以沉浸操作整個烹飪的過程，感受真實的烹飪過程。趣味化、多樣化的游戲效果使得該游戲大獲成功。

元宇宙技術允許企業(yè)和學校在實際生產的基礎上創(chuàng)建虛擬的在線環(huán)境，這本質上是一個模擬過程，但依據(jù)真實的場景進行模擬操作，學生可以在虛擬環(huán)境中完成設計到原材料的采購、生產制造、銷售等流程，呈現(xiàn)出沉浸式、低延遲和逼真的虛擬效果，滿足學習需求。從最簡單的開始，逐漸升級難度，提高挑戰(zhàn)性，吸引學生不斷挑戰(zhàn)自己，提高學生的參與感，激發(fā)其學習技能的興趣。

數(shù)字孿生技術在機械專業(yè)實訓中的應用前景

筆者利用數(shù)字孿生技術建立了數(shù)字孿生車間的五維模型，目前已經在工廠生產中使用。該模型基于多家實體汽車企業(yè)，包括發(fā)動機生產線、變速器生產線和傳輸生產線等多條生產線的實際情況。在考慮機械實訓元宇宙的模型搭建時，學?？梢愿鶕?jù)自身的教學安排、實訓要求和場地實景，分門別類地整合這些內容，以便更好地進行教學和實踐操作。

物理實體通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、嵌入式系統(tǒng)等技術構建虛擬實體，虛擬實體與物理實體一樣，具有多個時間和空間尺度，通過上述的一系列技術可以得到屬性數(shù)據(jù)、動態(tài)過程的數(shù)據(jù)。故虛擬實體的構建是基于多個時間和空間尺度的物理實體。在實際的加工過程中，數(shù)據(jù)的實時性非常重要，但在實訓元宇宙空間中，虛擬實體不可避免地存在延遲現(xiàn)象。為了確保學習的連續(xù)性，采用數(shù)據(jù)的迭代，進而優(yōu)化虛擬車間，比頻繁更新好得多。學校應與企業(yè)保持良好的互動，采集數(shù)據(jù)對虛擬車間進行檢查與更新。

筆者結合元宇宙與目前機械專業(yè)學生在生產實訓中遇到的實際問題進行了初步探索，隨著科技的發(fā)展，元宇宙技術的更新以及基礎設施的普及可以將元宇宙擴展至更大的范圍，從而實現(xiàn)跨學科研究，推動高校和企業(yè)之間的合作。

（作者單位：江蘇省錫山中等專業(yè)學校）

[1]胡泳，劉純懿.“元宇宙社會”：話語之外的內在潛能與變革影響[J].南京社會科學，2022（01）：106-116.

[2]陳永偉，呂琳媛.元宇宙漫游指南[M].上海：上海人民出版社，2022.

[3]張霖，陸涵.從建模仿真看數(shù)字孿生[J].系統(tǒng)仿真學報，2021，33（05）：995-1007.

[4]李保艷，劉永謀.元宇宙的本質、面臨的風險與應對之策[J]. 科學.經濟.社會，2022，40（01）：15-26.

[5]陶飛，劉蔚然，張萌，等.數(shù)字孿生五維模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2019，25（01）：1-18.