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        孿生仿真教學(xué)課程體系規(guī)劃與研究

        2020-11-24 04:18:26曹玲南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)
        數(shù)碼世界 2020年11期
        關(guān)鍵詞:能力教師教學(xué)

        曹玲 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)

        1 孿生仿真教學(xué)的概念和優(yōu)勢

        1.1 孿生仿真簡述

        孿生仿真概念的提出基于對數(shù)字孿生與仿真技術(shù)的進(jìn)一步融合,伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,與硬件設(shè)備對接的實(shí)時動態(tài)仿真技術(shù)日漸成熟。數(shù)字孿生是信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的鏡像映射,仿真是對映射于物理系統(tǒng)的信息系統(tǒng)的解析和模擬,而孿生仿真則是基于物理控制器控制的信息系統(tǒng)的全過程映射與解析。通過利用數(shù)字建模技術(shù),將物理系統(tǒng)如工業(yè)生產(chǎn)線、智能機(jī)械臂等數(shù)字化,組成信息系統(tǒng)并通過仿真載體與物理控制器形成信息對接,通過對物理控制器進(jìn)行編程與信息傳輸,實(shí)現(xiàn)虛擬空間內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)的響應(yīng),進(jìn)而模擬物理系統(tǒng)的運(yùn)作模式。

        1.2 教學(xué)理念

        孿生仿真教學(xué)的教學(xué)模式為“理論+建模+PLC編程+仿真+智能設(shè)備”??刂破骱头抡嬖谄渲凶鳛闃蛄旱淖饔眠B接了理論與實(shí)操。通過對智能設(shè)備進(jìn)行建模,系統(tǒng)提供保留設(shè)備機(jī)械微觀特征的高保真模型,在教學(xué)過程中,通過控制器與仿真平臺的協(xié)議連接,使得學(xué)生可以通過控制器操作控制模型的行為動作,以模擬智能設(shè)備/生產(chǎn)線在實(shí)際軟硬件啟動下的行為模式。學(xué)生可通過對控制器行為再編程實(shí)現(xiàn)控制器代碼重置,進(jìn)而改變模型的行為模式,經(jīng)過反復(fù)迭代,達(dá)到最優(yōu)工作模式。經(jīng)過驗(yàn)證的控制器編程代碼這可以直接導(dǎo)入智能設(shè)備中進(jìn)行實(shí)物嚴(yán)重而無需擔(dān)心損壞設(shè)備。孿生仿真教學(xué)側(cè)重于理論與實(shí)際的結(jié)合,將理論基礎(chǔ)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力有機(jī)統(tǒng)一,提升學(xué)生綜合素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生的持續(xù)學(xué)習(xí)能力。

        1.3 優(yōu)勢

        1.3.1 普適性和專業(yè)性

        孿生仿真教學(xué)過程中,涉及到機(jī)械建模、控制器編程、軟件編程、物聯(lián)網(wǎng)通信等多方面內(nèi)容,涵蓋對學(xué)生機(jī)械、電子、自動化、計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域的訓(xùn)練,根據(jù)學(xué)院專業(yè)方向特點(diǎn)可適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容比例。同時教師可以根據(jù)學(xué)生對于知識理解能力的不同異構(gòu)化教學(xué)課程,設(shè)置不同復(fù)雜度設(shè)備控制、不同階段控制器編程甚至仿真平臺功能的二次開發(fā),插件制作等。

        1.3.2 魯棒性和容錯率

        孿生仿真教學(xué)通過控制器編程驅(qū)動數(shù)字模型行為模式,對于編程過程的錯誤具有較高容忍度,且重置方便,試錯成本低,不用擔(dān)心對實(shí)體對象造成傷害,具有高魯棒性和容錯率。

        1.3.3 復(fù)制性和重用性

        孿生仿真教學(xué)的核心在于幫助學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在實(shí)踐成本居高不下的情況下,通過將高價值對象數(shù)字化,不僅可以極大降低教學(xué)成本,同時數(shù)字化模型具有可復(fù)制性和重用性強(qiáng)的特點(diǎn),支持以班級為單位的學(xué)生同時學(xué)習(xí),增加學(xué)生實(shí)操機(jī)會,提高實(shí)踐效率,進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。

        1.3.4 理論與實(shí)踐融通

        孿生仿真教學(xué)通過將理論知識轉(zhuǎn)化為形象的半實(shí)物仿真實(shí)踐,幫助學(xué)生在實(shí)踐中對學(xué)習(xí)的理論知識融會貫通,在提升學(xué)生實(shí)踐能力的同時提升學(xué)生對知識的接受度。

        1.3.5 學(xué)以致用,即學(xué)即用

        孿生仿真教學(xué)的一大優(yōu)勢是輕資產(chǎn)教學(xué)模式,通過采購控制器、仿真工具及目標(biāo)模型庫即可幫助學(xué)生完成有理論向?qū)嵺`的過渡。同時,目標(biāo)模型庫具有強(qiáng)擴(kuò)充性,能夠根據(jù)現(xiàn)階段主流設(shè)備的更替情況,及時補(bǔ)充和完善,以保證學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中始終保持學(xué)習(xí)內(nèi)容與企業(yè)接軌,即學(xué)以致用、即學(xué)即用。

        2 孿生仿真教學(xué)建設(shè)存在的問題

        孿生仿真技術(shù)源于仿真技術(shù)和數(shù)字孿生,并在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動下形成,目前尚處于發(fā)展階段,關(guān)于孿生仿真技術(shù)的應(yīng)用場景將隨著技術(shù)水平的不斷推進(jìn)而繼續(xù)迭代更新,但究其本源依然依靠于基礎(chǔ)仿真和物聯(lián)網(wǎng)對接,同時現(xiàn)階段國內(nèi)高校對于孿生仿真還未給與充分的認(rèn)識,因此在孿生仿真教學(xué)建設(shè)過程中存在以下問題:1、意識形態(tài)上與時俱進(jìn):在現(xiàn)代職業(yè)教育過程中,原有的教學(xué)模式不斷被打破,新的教學(xué)方式方法不斷應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中,在新教學(xué)體系建設(shè)過程中,應(yīng)對新的教學(xué)模式有充分的認(rèn)知和預(yù)期;2、教學(xué)平臺建設(shè):目前在孿生仿真教學(xué)方面在西門子等企業(yè)已在逐步應(yīng)用,但尚未有學(xué)校真正應(yīng)用,因此所需教學(xué)資源比較匱乏;3、配套教材開發(fā):孿生仿真教學(xué)尚處于摸索階段,配套課程體系尚不健全;4、師資力量建設(shè):孿生仿真教學(xué)過程中涉及信息、電子、自動化、計(jì)算機(jī)等多個領(lǐng)域,對于教師的知識面寬度和職業(yè)技術(shù)能力深度均有較高要求,現(xiàn)有師資力量尚不足以支撐授課。

        3 孿生仿真教學(xué)課程體系建設(shè)

        3.1 教學(xué)平臺建設(shè)

        在教學(xué)平臺建設(shè)過程中:1、應(yīng)圍繞孿生仿真教學(xué)過程 “理論+建模+PLC編程+仿真+智能設(shè)備”設(shè)立建設(shè)目標(biāo);2、統(tǒng)籌教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)?,F(xiàn)有資源,在明確教育目標(biāo)和可共享資源的前提下分析教學(xué)平臺建設(shè)過程中的局部必要性;3、根據(jù)教學(xué)目標(biāo),提出和確定教學(xué)項(xiàng)目、整體框架以及各功能模塊;4、同類平臺經(jīng)濟(jì)性評價,在確定教學(xué)平臺建設(shè)方案的情況下,擇優(yōu)選擇。例如在機(jī)械加工、智能智造領(lǐng)域教學(xué)中,平臺應(yīng)具備專業(yè)的智能智造/生產(chǎn)線建模平臺和虛擬仿真軟件平臺,支持平臺間數(shù)字模型的交互,同時仿真平臺兼容主流控制器和控制器編程,根據(jù)教學(xué)需求配套相應(yīng)控制器與智能智造模擬教學(xué)設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)施。

        3.2 配套教材開發(fā)

        教材是學(xué)生學(xué)習(xí)理論和理解知識的第一來源,完善的教材可以幫助老師構(gòu)建教學(xué)計(jì)劃,給與學(xué)生完整的知識獲取來源。在教材開發(fā)過程中,應(yīng)奉行“寓教于學(xué),學(xué)做合一”的指導(dǎo)思想,根據(jù)孿生仿真教學(xué)理念,在教材開發(fā)過程中,應(yīng)注重理論知識與工程案例并舉,通過實(shí)例教學(xué)將理論知識融會貫通。同時在教材開發(fā)過程中,應(yīng)充分考慮到學(xué)生不同接受能力水平,根據(jù)基礎(chǔ)理論教學(xué)、實(shí)踐提高教學(xué)和研究進(jìn)階教學(xué)建立教材梯度,滿足不同階段教學(xué)需求。

        3.3 教師資源建設(shè)

        教師是教授學(xué)生知識、提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、考核學(xué)生學(xué)習(xí)成果的主體,因此教師的知識儲備和教學(xué)能力直接影響到教學(xué)質(zhì)量。孿生仿真教學(xué)作為一種新型教學(xué)模式,盡管有較為明晰的教學(xué)里面和教學(xué)流程,但尚未有統(tǒng)一的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)流程。因此它在兩方面對教師提出了較高的要求:1、知識廣度和技能深度:孿生仿真教學(xué)涉及信息、電子、機(jī)械、自動化、計(jì)算機(jī)等多個領(lǐng)域,在教學(xué)過程中,教師不僅需要對教學(xué)對象在理論上有較強(qiáng)理解,同時需要較強(qiáng)的實(shí)踐能力,能夠引領(lǐng)學(xué)生完成學(xué)習(xí),啟發(fā)學(xué)生思考,培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐能力;2、系統(tǒng)總結(jié)能力和創(chuàng)新能力:孿生仿真教學(xué)具有一定開放性,同一個實(shí)踐目標(biāo)實(shí)現(xiàn)路徑不唯一,因此給與了教師和學(xué)生一定的創(chuàng)新空間,更進(jìn)一步通過系統(tǒng)總結(jié)和舉一反三倒逼工作流程甚至機(jī)械模式的改進(jìn)。

        4 孿生仿真教學(xué)授課模式研究

        4.1 學(xué)做合一

        職業(yè)教育的核心教學(xué)思想源于黃炎培的實(shí)用主義思想,在教學(xué)過程中,提倡學(xué)生手腦并用,學(xué)做合一,提倡學(xué)生理論與實(shí)踐并重。因此在孿生仿真教學(xué)過程中,應(yīng)同時注重學(xué)生理論知識掌握水平和實(shí)踐能力水平,平衡理論知識評價和實(shí)踐能力評價標(biāo)準(zhǔn),注重學(xué)生的職業(yè)綜合能力的培養(yǎng)。

        4.2 組合制實(shí)踐教學(xué)

        不同學(xué)生在學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐水平方面存在一定差異。在授課過程中,應(yīng)根據(jù)學(xué)生接受能力合理制定教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)要求。在實(shí)際制定課程目標(biāo)時,應(yīng)建立梯度教學(xué)標(biāo)準(zhǔn),分為基礎(chǔ)能力目標(biāo)、進(jìn)階能力目標(biāo)和研究能力目標(biāo)。基礎(chǔ)能力目標(biāo)設(shè)定在于培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)踐能力,即為教學(xué)達(dá)標(biāo)底線;進(jìn)階能力目標(biāo)設(shè)定在于保證學(xué)生掌握基礎(chǔ)實(shí)踐能力的前提下,具備一定的自主創(chuàng)新能力;研究能力目標(biāo)則是針對部分學(xué)習(xí)實(shí)踐能力俱佳的學(xué)生,提供探索研究平臺。

        4.3 自主式拓展研究

        自主式拓展研究應(yīng)用于社團(tuán)活動或科技技術(shù)競賽,在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下,由學(xué)生根據(jù)自主學(xué)習(xí)需求,制定開放式學(xué)習(xí)目標(biāo)。

        5 孿生仿真教學(xué)評價體系研究

        為有效實(shí)施孿生仿真教學(xué),建立完善的教學(xué)評價體系,應(yīng)建立教師的授課考評機(jī)制 和學(xué)生的學(xué)習(xí)考評機(jī)制。一方面將孿生仿真教學(xué)課程研發(fā)納入教師的工作職責(zé)之中,將教師的教學(xué)能力、課程開發(fā)能力納入教師年度考核之中,給予業(yè)務(wù)考核加分和物質(zhì)獎勵;二是將學(xué)生實(shí)訓(xùn)表現(xiàn)情況與成績掛鉤,將評分重點(diǎn)傾向于學(xué)生實(shí)訓(xùn)成績,并對于高水平完成實(shí)訓(xùn)的學(xué)生給予適當(dāng)?shù)募臃帧?/p>

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