張 帆， 曾 勵(lì)， 任 皓， 竺志大， 戴 敏

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

0 引 言

隨著高等教育發(fā)展，我國(guó)已建成世界最大規(guī)模的高等工程教育體系，目前在校工科學(xué)生占全球的三分之一多［1］，成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和成就全球制造大國(guó)的重要支撐。國(guó)家高度重視高等工程教育事業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)先后推出卓越工程師計(jì)劃、“新工科”建設(shè)、工程專業(yè)認(rèn)證等一系列重大舉措來(lái)加強(qiáng)工程人才的培養(yǎng)水平［2-7］，推進(jìn)高等院校深化教學(xué)改革，適應(yīng)新時(shí)代和新技術(shù)對(duì)工程技術(shù)人才培養(yǎng)的新要求，尤其是在工程人才的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作能力、終身學(xué)習(xí)能力等方面的培養(yǎng)。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都離不開高等院校對(duì)工科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式的改革創(chuàng)新［5-9］。結(jié)合多年教學(xué)和教改的經(jīng)驗(yàn)，以數(shù)控技術(shù)這門專業(yè)課程為例，針對(duì)當(dāng)前工程實(shí)踐教學(xué)的問(wèn)題和特點(diǎn)，研究了基于數(shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)模式，為工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革提供一種新的思路。

1 數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀與特征

數(shù)控技術(shù)工程實(shí)踐教學(xué)是高校機(jī)械工程專業(yè)課程體系中的重要環(huán)節(jié)，也是高校工科機(jī)電專業(yè)人才培養(yǎng)的重要手段。數(shù)控技術(shù)作為一門綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的機(jī)電專業(yè)課程，其課程內(nèi)容涉及到機(jī)械制造技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)與控制原理、數(shù)控加工編程等廣泛的專業(yè)理論知識(shí)和數(shù)控機(jī)床操作、數(shù)控工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床的維護(hù)等專業(yè)技能。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式依賴于實(shí)際機(jī)床和試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物設(shè)備來(lái)支持相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)，這種教學(xué)模式存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的開展離不開各種實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的支持，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中還需要消耗一定量的材料，這些都需要學(xué)校付出大量的教學(xué)經(jīng)費(fèi)。一般高等學(xué)校的投入往往難以滿足這種實(shí)踐教學(xué)模式對(duì)設(shè)備數(shù)量的需求，從而使得學(xué)生無(wú)法得到足夠的實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

（2）因?yàn)樵O(shè)備資源、教學(xué)師資等方面的限制，實(shí)踐教學(xué)在教學(xué)大綱中所占比重較輕，通常只安排4～6學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)和1～2周的實(shí)訓(xùn)教學(xué)學(xué)時(shí)。這樣的時(shí)間安排落實(shí)到每個(gè)學(xué)生，其實(shí)際動(dòng)手時(shí)間更少，難以保證學(xué)生達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果，更無(wú)法滿足創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的要求。

（3）傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)教師一對(duì)多的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)環(huán)境下，由于人數(shù)和環(huán)境的影響，教師的演示與講授并不能保障每一個(gè)學(xué)生都能夠得到有效的學(xué)習(xí)。

2 數(shù)字孿生混合實(shí)踐教學(xué)模式探索

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生思想是21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新型信息物理融合理念，最早由美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授提出，起初被稱為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變?yōu)椤皵?shù)字孿生”（Digital Twin），也被稱為數(shù)字雙胞胎和數(shù)字化映射［10-14］。數(shù)字孿生技術(shù)的目標(biāo)是針對(duì)潛在或?qū)嶋H的產(chǎn)品，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建產(chǎn)品物理實(shí)體從微觀到宏觀的各種工作狀態(tài)和工作進(jìn)程等在信息空間的全要素?cái)?shù)字化映射，形成一個(gè)集成的多物理、多尺度、超寫實(shí)、動(dòng)態(tài)的仿真模型，從而使用戶借助這一模型來(lái)模擬、診斷、預(yù)測(cè)、監(jiān)控產(chǎn)品的物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的制造形成過(guò)程、應(yīng)用工作狀態(tài)和行為［15］。數(shù)字孿生技術(shù)經(jīng)過(guò)10余年的研究發(fā)展，已經(jīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、維護(hù)中得到應(yīng)用，在數(shù)字化制造工廠的自動(dòng)化控制中得到了良好的應(yīng)用效果。利用數(shù)字孿生技術(shù)可以最大限度地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化虛擬產(chǎn)品和現(xiàn)實(shí)物理產(chǎn)品的統(tǒng)一，從而保障虛實(shí)環(huán)境的一致性，防止傳統(tǒng)仿真環(huán)境虛實(shí)差異導(dǎo)致的仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的不同。

2.2 混合教學(xué)模式

混合教學(xué)模式是當(dāng)前教育部提倡的一種新型網(wǎng)絡(luò)化高效教學(xué)模式［16-20］，它將傳統(tǒng)課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)化在線教學(xué)有機(jī)的集成為一體，來(lái)滿足新時(shí)代學(xué)生個(gè)性化、信息化、定制化學(xué)習(xí)的需求，這種教學(xué)模式融合了線上和線下兩種教學(xué)形式。線上教學(xué)是將學(xué)習(xí)資源放到公開或限制性公開的網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)上，為每位學(xué)生提供全方位的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。學(xué)生按照教學(xué)進(jìn)度利用教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并進(jìn)行自我檢測(cè)。線下教學(xué)是指課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)這些師生面對(duì)面的教學(xué)，課堂教學(xué)包括教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)講授、專題討論、課堂測(cè)驗(yàn)、教師答疑輔導(dǎo)等教學(xué)活動(dòng)。教師可隨時(shí)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對(duì)課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行微調(diào)，高效率地解決學(xué)生的個(gè)性問(wèn)題或共性問(wèn)題?；旌鲜浇虒W(xué)模式的最終目標(biāo)是讓每個(gè)學(xué)生成為主角，在豐富的在線學(xué)習(xí)資源和“大班級(jí)”環(huán)境里，在不脫離教師、教材和“集體”的情況下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和個(gè)性化學(xué)習(xí)。

2.3 數(shù)字孿生混合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

2.3.1 混合教學(xué)與管理平臺(tái)

混合教學(xué)與管理平臺(tái)（見圖1）中的學(xué)習(xí)資源與練習(xí)資源需要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容中的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)碎片化，以方便學(xué)生可以在課外利用碎片時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與練習(xí)。平臺(tái)的功能設(shè)置需要方便學(xué)生把握學(xué)習(xí)過(guò)程的主導(dǎo)權(quán)，進(jìn)行有計(jì)劃、按步驟地進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過(guò)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，更好地鍛煉工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生終生學(xué)習(xí)的能力。平臺(tái)上還應(yīng)為教師提供相應(yīng)的功能設(shè)置，便于教師進(jìn)行學(xué)習(xí)資源和練習(xí)資源的發(fā)布和教學(xué)活動(dòng)的引導(dǎo)和監(jiān)督。教師利用平臺(tái)進(jìn)行各種數(shù)控技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)、技能要點(diǎn)的碎片化，在課程開始之前完成教學(xué)資源，如微課視頻、教學(xué)課件、原理動(dòng)畫、參考資料和操作手冊(cè)等的發(fā)布，教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)和組織，實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與發(fā)布等工作。在教學(xué)過(guò)程中教師利用平臺(tái)提供的功能來(lái)引導(dǎo)、監(jiān)控和考核學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力調(diào)整教學(xué)進(jìn)程，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率。

圖1 混合教學(xué)管理平臺(tái)

2.3.2 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（見圖2）是學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的虛實(shí)融合的自主動(dòng)手實(shí)踐的訓(xùn)練空間。它包含虛實(shí)兩套實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的設(shè)備環(huán)境，這兩套環(huán)境不是相互獨(dú)立的，而是一個(gè)有機(jī)的整體。現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的每一臺(tái)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備在虛擬環(huán)境中都有其對(duì)應(yīng)的孿生體，孿生體借助數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境的信息物理數(shù)據(jù)模型與物理實(shí)體間實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域信息、控制耦合，虛實(shí)設(shè)備之間可以利用信息物理數(shù)據(jù)模型實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和相互控制。因此在虛擬環(huán)境的孿生體上做任何操作與運(yùn)行，意味著可以在現(xiàn)實(shí)設(shè)備中可以等效實(shí)現(xiàn)，學(xué)生從中獲得的知識(shí)與體驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的一樣真實(shí)，這是一個(gè)更有吸引力的學(xué)習(xí)環(huán)境，能使學(xué)生達(dá)到更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)效果。

圖2 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以最大程度上克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的各種限制，為學(xué)生的自主實(shí)踐訓(xùn)練提供更加方便和有效的學(xué)習(xí)空間。學(xué)生可以更方便直觀地觀察演示實(shí)驗(yàn)，隨時(shí)隨地進(jìn)行操作練習(xí)，按照自己的想法嘗試實(shí)踐項(xiàng)目的解決方案，得到一個(gè)高效和全面的能力實(shí)踐訓(xùn)練。利用數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，可以減少每個(gè)學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)占用實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的時(shí)間，從而降低因?qū)W生增加帶來(lái)的設(shè)備和經(jīng)費(fèi)壓力；同時(shí)在孿生環(huán)境中的訓(xùn)練可以避免因操作不熟練給學(xué)生帶來(lái)的傷害以及對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的損壞，增加了學(xué)生參與工程綜合和創(chuàng)新項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，全面提高學(xué)生的工程綜合與創(chuàng)新能力。

3 基于數(shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)模式嘗試

3.1 3層的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

考慮到學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中對(duì)數(shù)控技術(shù)的認(rèn)知和掌握是一個(gè)從理論到技能、從簡(jiǎn)單到綜合的過(guò)程，在不同階段具有的不同的認(rèn)知和訓(xùn)練需要。根據(jù)層次遞進(jìn)、模塊分解、綜合集成、開放共享的教學(xué)改革思路設(shè)計(jì)了3層實(shí)踐教學(xué)過(guò)程。

（1）數(shù)控原理認(rèn)知過(guò)程。針對(duì)與數(shù)控技術(shù)課程配合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生了解和掌握數(shù)控機(jī)床的軌跡控制原理、伺服驅(qū)動(dòng)控制機(jī)制設(shè)計(jì)等一系列相應(yīng)的自主演示實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生按照老師的提示和要求在數(shù)字孿生的認(rèn)知環(huán)境中自主進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，由于數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境中為實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供了多領(lǐng)域全息的信息物理數(shù)據(jù)模型，因此可以隨時(shí)以多種可視化方式調(diào)閱設(shè)備各方面的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而讓學(xué)生更直觀地理解數(shù)控技術(shù)的工作機(jī)制和原理。這種一對(duì)一的自主學(xué)習(xí)克服傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集中演示與虛擬動(dòng)畫演示教學(xué)方法的不足，容易激發(fā)學(xué)生的求知欲和對(duì)課程的專業(yè)認(rèn)同感。

（2）數(shù)控加工訓(xùn)練過(guò)程。針對(duì)數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)，為培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)控機(jī)床操作能力、數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)能力和數(shù)控技術(shù)工程應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)一系列相應(yīng)的自主訓(xùn)練任務(wù)。為了保障學(xué)生能夠得到系統(tǒng)有效的訓(xùn)練，教師在這一階段的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)中要遵循技能點(diǎn)碎片化和自主訓(xùn)練的教學(xué)理念，將各種機(jī)床操作和工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容分解成技能點(diǎn)、能力點(diǎn)，并給予學(xué)生學(xué)習(xí)與訓(xùn)練指導(dǎo)。學(xué)生利用課內(nèi)外碎片時(shí)間在數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)練習(xí)，掌握機(jī)床操作與不同零件加工的工藝要領(lǐng)。這種教學(xué)設(shè)計(jì)可以因材施教，激發(fā)學(xué)生的興趣與熱情，保證學(xué)生得到充分的訓(xùn)練，為后續(xù)的工程綜合訓(xùn)練打下基礎(chǔ)。

（3）數(shù)控技術(shù)綜合過(guò)程。針對(duì)數(shù)控技術(shù)的綜合應(yīng)用能力和工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)，以工程項(xiàng)目、實(shí)際加工制造為背景，通過(guò)“項(xiàng)目引導(dǎo)”的教學(xué)形式進(jìn)行數(shù)控技術(shù)綜合實(shí)踐，設(shè)計(jì)一些具有綜合性的工程項(xiàng)目任務(wù)，組織學(xué)生分成若干項(xiàng)目工作小組，自主設(shè)計(jì)工程問(wèn)題的解決方案，并加以實(shí)施。在數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境中學(xué)生可以很方便地進(jìn)行方案的嘗試，利用多領(lǐng)域全息的信息物理數(shù)據(jù)模型找出方案中的缺陷與不足加以改進(jìn)，并可以加工出零件實(shí)物。利用項(xiàng)目經(jīng)歷培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力，鍛煉工程協(xié)作與組織能力，養(yǎng)成有序的專業(yè)工作習(xí)慣。

3.2 基于數(shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)的效果

雖然基于數(shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)模式還在嘗試階段，但它已初步顯示出其相較傳統(tǒng)模式的優(yōu)越性：

（1）提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。新的數(shù)字孿生實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境誘發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠配合實(shí)踐教學(xué)的要求，積極主動(dòng)地查閱教學(xué)資料，主動(dòng)完成演示實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)練習(xí)。

（2）學(xué)生得到充分的實(shí)踐練習(xí)。在新的數(shù)字孿生實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)從課內(nèi)延伸到課外，打破傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)局限性，實(shí)現(xiàn)“時(shí)時(shí)可學(xué)、處處能做、樣樣可試”的全方位的實(shí)踐學(xué)習(xí)，誘使學(xué)生主動(dòng)迎接一個(gè)個(gè)實(shí)踐挑戰(zhàn)，從而得到更為全面的實(shí)踐訓(xùn)練。

（3）學(xué)生綜合實(shí)踐能力得到提高。新的數(shù)字孿生實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境便于組織基于項(xiàng)目的綜合實(shí)踐訓(xùn)練，更快捷地實(shí)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新構(gòu)想，獲得真實(shí)有效的項(xiàng)目結(jié)果，使學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目創(chuàng)新訓(xùn)練，工程綜合能力和創(chuàng)新能力得到了極大提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前高等教育實(shí)踐教學(xué)改革的特點(diǎn)與需求，結(jié)合高等教育領(lǐng)域的最新教學(xué)理念和制造工程領(lǐng)域的新型信息化技術(shù)，進(jìn)行基于數(shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)模式研究探索。提出基于數(shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架，并給出基于數(shù)字孿生的混合實(shí)踐教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)方案和初步的試驗(yàn)效果。利用數(shù)字孿生的實(shí)踐學(xué)習(xí)空間的全息化和靈活性，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和自主性，將教師從繁重、重復(fù)的傳統(tǒng)教學(xué)中解放出來(lái)，更多地關(guān)注教學(xué)方法的改進(jìn)與教學(xué)效果的提升，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生各方面專業(yè)能力的培養(yǎng)與提高。為新環(huán)境下的大學(xué)專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)改革探索一條有效的新途徑。