劉晶 鄧其貴

摘? 要? 職業(yè)教育虛擬仿真實訓基地可以有效解決實訓中看不到、進不去、成本高、危險性大等問題。以柳州職業(yè)技術學院為例，按照“校企合作、虛實結(jié)合”的建設思路，以企業(yè)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)產(chǎn)品設計、裝備制造、生產(chǎn)與物流、設備運維的生產(chǎn)制造裝備工程鏈為主脈絡，探討高職院校智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設。

關鍵詞? 高職院校；智能裝備技術；虛擬仿真實訓基地；實踐教學；“三教”改革

中圖分類號：G484? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）07-0010-05

0? 引言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》《教育信息化“十三五”規(guī)劃》《教育信息化2.0行動計劃》以及教育部等九部門印發(fā)的《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計劃（2020—2023年）》等政策文件提出，提質(zhì)培優(yōu)、增值賦能、以質(zhì)圖強、加快推進職業(yè)教育現(xiàn)代化，遴選100個左右示范性虛擬仿真實訓基地等作為重要發(fā)展任務；加強職業(yè)院校、高等學校虛擬仿真實訓教學環(huán)境建設，服務信息化教學需要；加快建設在線智能教室、智能實驗室、虛擬工廠等智能學習空間。虛擬仿真實訓基地建設順應國家職業(yè)教育改革潮流，有助于國家教育信息化的實現(xiàn)。本文以柳州職業(yè)技術學院為例，探討高職院校智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設。

1? 虛擬仿真相關概念解析

1.1? 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實也稱虛擬實在，是利用計算機產(chǎn)生一種高度逼真的，模擬人在現(xiàn)實環(huán)境中進行視、聽、動等行為的虛擬環(huán)境，通過多種傳感設備使人（用戶）“投入”該環(huán)境中，實現(xiàn)人與該環(huán)境間的自然交互。傳感設備包括立體頭盔、立體聲耳機、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等穿戴于人身上的裝置，以及設置于現(xiàn)實環(huán)境中、不直接穿戴在人身上的傳感器，如攝像機、地板壓力傳感器、聲音設備、位置跟蹤器及其他手控輸入設備等。

1.2? 增強現(xiàn)實（AR）

增強現(xiàn)實（AR）是將現(xiàn)實世界信息和虛擬世界信息無縫集成的一種人機界面技術，是對在現(xiàn)實世界的一定時空范圍內(nèi)很難體驗到的某些實體信息（如視覺、聲音、味道、觸覺等），通過計算機等技術模擬仿真后，再疊加到現(xiàn)實世界。通過增強現(xiàn)實，真實的環(huán)境和虛擬的信息實時疊加到同一個畫面或空間中，被人類感官所感知，達到某種超越現(xiàn)實的感官體驗。

1.3? 虛擬仿真技術（VR）

虛擬仿真是由我國學者對Virtual Reality（簡稱VR）翻譯而來的，也稱虛擬現(xiàn)實。有學者認為，虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。它是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于使用者，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式視景的仿真。它綜合了計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能技術、傳感技術、語音處理與音響技術、網(wǎng)絡技術等多門科學，是現(xiàn)代仿真技術的高級發(fā)展和突破，使用者借助必要的設備自然地與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實環(huán)境的感受和體驗，使人機交互更加自然、和諧。

目前，虛擬仿真被大家廣泛接受，但對虛擬仿真的認識都偏向虛擬仿真技術，該技術有幾個特點：基于計算機系統(tǒng)創(chuàng)造，需要借助頭盔顯示器（HMD）、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設備，具有沉浸感、造價昂貴、更新?lián)Q代快。

為了實現(xiàn)體驗真實世界的目的，解決目前虛擬仿真設備造價昂貴、更新?lián)Q代快的不足，柳州職業(yè)技術學院設計構建模擬實訓工廠、虛擬技術實訓室、真實實訓基地等“虛擬+真實”的智能裝備技術虛擬仿真實訓基地。

2? 智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設的必要性

《中國制造2025》明確了新一代信息技術產(chǎn)業(yè)、高檔數(shù)控機床和機器人等十大重點領域的強國戰(zhàn)略。智能制造是新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿設計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自適應等功能的新型生產(chǎn)方式。高職院校智能裝備技術類專業(yè)要緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建立智能裝備技術虛擬仿真實訓基地。

2.1? 完善職業(yè)教育體系與專業(yè)群建設的需要

智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設，將完善智能裝備技術相關專業(yè)建設規(guī)劃，有助于確立人才培養(yǎng)目標，有助于課程內(nèi)容建設、教材建設、師資隊伍建設、產(chǎn)學研建設、教學模式改革等，為打造中國特色高水平專業(yè)提供助力。

2.2? 人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新，緩解結(jié)構性就業(yè)矛盾的需要

社會對高技能復合人才的需求越發(fā)強烈，建立起與技術技能人才培養(yǎng)要求相適應的創(chuàng)新模式和評價體系尤為關鍵。智能裝備技術虛擬仿真實訓基地可建成校企合作、共享共用的平臺，吸引企業(yè)參與實訓中心的管理，與企業(yè)簽訂人才培養(yǎng)訂單協(xié)議。企業(yè)選派高級技術人才到學校，與教師共同組織生產(chǎn)和實訓，與教師互相取長補短、相互提高，形成理論新、技能強、水平高的雙師隊伍。融“產(chǎn)、教、研”為一體，形成一個可以滿足競賽、培訓、考核等的多功能實訓中心，充分利用新一代信息技術，實現(xiàn)中心智慧管理。借鑒先進企業(yè)管理模式，規(guī)范實訓標準、章程和實訓基地管理體系，形成良好的實訓中心運行機制。實訓中心的建設，將緩解領軍人才和大國工匠緊缺以致支撐制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級能力不強的問題。

2.3? 課程與資源建設需要

傳統(tǒng)的教學方式下，教學環(huán)境及實訓條件存在嚴重的局限性，課堂傳授的知識往往局限在某一特定應用中，與學生就業(yè)后的企業(yè)生產(chǎn)應用不匹配。智能裝備技術虛擬仿真示范基地建設，以職業(yè)能力培養(yǎng)為目標，以企業(yè)崗位工作能力訓練為主線，制定工業(yè)機器人與智能制造專業(yè)群的課程體系和教學內(nèi)容，為師資培養(yǎng)提供實驗教學一體化課程指導方案，為大學生科研創(chuàng)新及各類實踐應用技術競賽提供支撐訓練環(huán)境。

2.4? 雙師隊伍建設的需要

以實訓基地建設為依托，落實專業(yè)師資建設，通過競賽服務、企業(yè)實踐、項目研發(fā)、進修，聘請企業(yè)專業(yè)技術人才、能工巧匠和管理人員擔任兼職教師等措施，構建以專業(yè)帶頭人為引領、專業(yè)骨干教師為核心、專兼職教師相結(jié)合的雙師結(jié)構教學團隊，雙師素質(zhì)教師占比達95%以上。

3? 智能裝備技術專業(yè)群實訓基地建設存在??的問題

3.1? 虛擬技術高速發(fā)展，智能制造技術高度融合，教學難以深入實質(zhì)

汽車、機械制造企業(yè)在產(chǎn)業(yè)升級過程中逐漸形成諸如智能工廠、無人工廠、柔性制造工廠等典型的技術高度融合生產(chǎn)制造載體，虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實、數(shù)字孿生等技術被應用貫穿于包括產(chǎn)品設計、裝備制造、運行與物流、升級改造等環(huán)節(jié)的整個裝備生命周期。但是由于智能制造技術的多樣化及高度融合、控制的復雜性，給教學以及企業(yè)員工培訓帶來很大的難度。

3.2? 智能制造裝備昂貴，有些工藝有危險性，教學難以涵蓋多種典型工藝應用

在汽車、機械制造行業(yè)中，有著點焊、弧焊、噴涂、涂膠、搬運、沖壓、車、銑、刨、磨、鉆等諸多典型的工藝應用，每種應用對應一種或者多種應用裝備，并且諸如噴涂、焊接等制造工藝存在有害氣體、粉塵、噪聲、有害物質(zhì)。單靠物理實體設備投入形成足夠工位成本過大，同時有些工藝從安全環(huán)保的角度看不宜長期現(xiàn)場開展。

3.3? 控制技術抽象，實踐教學效率低

在智能制造裝備應用過程中，設備控制以及工業(yè)網(wǎng)絡涉及信號傳送、控制邏輯、控制節(jié)拍等元素，由于此類元素抽象不可見，學生難以獲得直觀的感受，在日常實踐教學和培訓中效率不高、效果欠佳。

4? 高職院校智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設思路

4.1? 以生產(chǎn)與教學問題為導向

實訓基地圍繞汽車、工程機械等智能制造數(shù)字孿生、虛實結(jié)合設計、供應鏈協(xié)同等新業(yè)態(tài)變化，數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)、遠程運維等新技術應用需求，以及智能制造技術實訓教學體系中存在的裝備昂貴、生產(chǎn)現(xiàn)場危險大、智能控制技術抽象等問題的解決來建設。

4.2? 與區(qū)域產(chǎn)業(yè)合作共建共享

實訓基地依托智能裝備技術專業(yè)群，聯(lián)合區(qū)域汽車生產(chǎn)制造、工程機械等領域龍頭企業(yè)，引入華為、ABB、阿里云等智能控制、工業(yè)機器人、數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實、云計算、AR/VR等先進技術手段，確?；亟ㄔO的技術起點高，應用性、共享性強。

4.3? 虛擬和真實相結(jié)合

按照“以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合、軟硬并進”原則，整合學校原有汽車、機械制造過程產(chǎn)品設計、裝備制造、生產(chǎn)與管理、裝備運維升級改造的完整工程鏈實體實訓體系以及現(xiàn)有虛擬仿真資源。圍繞汽車、機械生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)制造裝備工程鏈，建成實體實訓體系的智能裝備技術虛擬仿真實訓基地“一院一平臺四中心”，包括虛擬仿真技術研究院、智能制造云管理平臺、產(chǎn)品設計虛擬仿真中心、裝備制造虛擬仿真中心、生產(chǎn)與物流虛擬仿真中心、設備運維虛擬仿真中心，如圖1所示。

4.4? 以高質(zhì)量的教學和研發(fā)服務產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

通過構建虛擬和真實結(jié)合的實訓操作環(huán)境，營造開放、自主、交互的虛擬學習環(huán)境，促進專業(yè)群高質(zhì)量教學開展，促進高質(zhì)量開展技術研發(fā)，服務區(qū)域產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

5? 智能裝備技術虛擬仿真實訓基地整體設計

5.1? 服務生產(chǎn)模式和教學模式的轉(zhuǎn)變

智能裝備技術虛擬仿真實訓基地結(jié)合區(qū)域汽車、工程機械智能制造工程鏈虛擬網(wǎng)絡—實體物理系統(tǒng)開展建設，既適應了生產(chǎn)模式變革，也促進了教學模式轉(zhuǎn)變。

5.2? 對接汽車與工程機械完整工程鏈

整合原有的智能制造實體實踐教學體系及部分數(shù)字化、虛擬仿真教學內(nèi)容，完善智能裝備技術虛擬仿真實訓教學內(nèi)容，形成完整服務汽車、工程機械工程鏈的虛實結(jié)合育訓教學體系。

5.3? 基地整合虛擬仿真技術研究、管理和實訓

重點建設“一院一平臺四中心”，新建虛擬仿真技術研究院、智能制造云管理平臺、汽車工程機械VR體驗區(qū)、生產(chǎn)線虛擬與調(diào)試區(qū)、數(shù)字雙胞胎仿真區(qū)、智能工廠MR區(qū)、物流配送虛擬仿真區(qū)、智能裝備故障維修虛擬仿真區(qū)。完整的虛擬仿真實訓基地如圖2所示。

5.4? 服務“三教”改革

基于虛擬仿真實訓基地建設，開展“三教”改革，進行教師的培養(yǎng)提升，推進“理論+虛擬+上機”教學模式改革，編寫新型活頁式教材，開發(fā)虛擬仿真教學資源。“一院一平臺四中心”架構與作用如下。

虛擬仿真技術研究院：虛擬仿真技術開發(fā)、教學資源開發(fā)、技術項目服務。

智能制造云管理平臺：產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、知識庫構建、項目管理、教學管理、教學評價、用戶管理。

產(chǎn)品設計虛擬仿真中心：實現(xiàn)“創(chuàng)新思維—協(xié)同工作—機電模型創(chuàng)建—運動仿真—生命周期仿真”的產(chǎn)品設計。

裝備制造虛擬仿真中心：為產(chǎn)品的機電一體化并行設計與調(diào)試提供平臺，實現(xiàn)虛擬設計、虛擬制造、虛擬調(diào)試、優(yōu)化與節(jié)拍驗證，降低產(chǎn)品復雜性風險，減少生產(chǎn)操作危險系數(shù)，減少調(diào)試維護工作量。

生產(chǎn)與物流虛擬仿真中心：真實制造現(xiàn)場與虛擬仿真場景虛擬協(xié)同，生產(chǎn)與物流環(huán)節(jié)遠程監(jiān)控。

設備運維虛擬仿真中心：工業(yè)機器人、數(shù)控機床、生產(chǎn)線的拆裝、故障診斷、調(diào)試運行、升級改造等。

6? 智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設內(nèi)容

與柳工集團、廣西汽車集團、上汽通用五菱深度合作，在智能裝備技術專業(yè)群實訓基地基礎上，整合基地原有虛擬仿真資源，圍繞智能裝備工程鏈，針對智能制造技術中的信號看不到、進不去、裝備成本高、生產(chǎn)現(xiàn)場危險性大等教學痛點難點，開發(fā)虛擬仿真教學資源，虛實結(jié)合打造智能裝備技術虛擬仿真實訓基地，服務育訓結(jié)合的復合型技術技能人才培養(yǎng)以及企業(yè)員工的終身教育，建設“一院一平臺四中心”。

6.1? 虛擬仿真技術研究院

整合學?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實技術專業(yè)資源，新建VR生產(chǎn)實踐區(qū)、視覺前沿技術研發(fā)區(qū)、動作表情捕捉實驗區(qū)、VR教學資源項目開發(fā)區(qū)、數(shù)字資產(chǎn)管理中心，柔性引進新加坡南洋理工大學蔡奕漁博士等國內(nèi)外知名專家，搭建技術團隊成長平臺，建成虛擬仿真技術研究院，重點解決虛擬仿真教學資源種類偏少、數(shù)量不足、教學針對性不夠，難以滿足教學、培訓、生產(chǎn)服務需求等問題。開展三維模型構建技術、虛擬儀器技術、實驗場景虛擬構建技術等技術研究，開發(fā)虛擬仿真教學資源及教學應用服務，滿足智能裝備技術教學的多方面需求，實現(xiàn)虛擬仿真實訓基地的自我“造血”“驅(qū)動”功能。

6.2? 智能制造云管理平臺

基于大數(shù)據(jù)技術和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等先進技術，新建智能制造云管理平臺，將智能裝備生產(chǎn)數(shù)據(jù)和實訓教學資源接入云管理平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、知識庫構建、項目管理、用戶管理、實驗預約、實驗管理、教學評價等功能，有效提升基地的裝備、軟件、資源等信息化管理水平，實現(xiàn)硬件資源的集約化和成本降低，提高區(qū)域教學數(shù)字資源的整合與共享能力，促進信息技術與教育教學的融合。

6.3? 產(chǎn)品設計虛擬仿真中心

圍繞上汽通用五菱、柳州工程機械有限公司新產(chǎn)品研發(fā)過程中產(chǎn)品創(chuàng)新構思難、試制材料費高、試制周期長、試制效率低、參數(shù)驗證工程量大、性能及壽命預測無處下手等難點，在現(xiàn)有汽車產(chǎn)品逆向設計中心、達索CATIA PLM V6數(shù)字化設計與制造中心基礎上新建汽車、工程機械VR體驗區(qū)，完善創(chuàng)新思維訓練區(qū)、機械協(xié)同創(chuàng)新設計區(qū)，實現(xiàn)汽車、工程機械零部件的建模設計與仿真、工程機械虛擬操作與維修VR體驗、創(chuàng)新產(chǎn)品虛擬裝配等功能，有效解決機械類專業(yè)產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)實踐教學功能不足的問題。

6.4? 裝備制造虛擬仿真中心

聯(lián)合上汽通用五菱、西門子公司、ABB公司、北京思維科公司等單位，圍繞生產(chǎn)制造裝備工程鏈的裝備制造環(huán)節(jié)，結(jié)合現(xiàn)有精密制造車間、數(shù)控機床實訓車間、工業(yè)機器人系統(tǒng)集成實訓中心、機電一體化集成實訓中心等實體實訓基地，新建生產(chǎn)線虛擬設計與調(diào)試區(qū)，完善現(xiàn)有工業(yè)機器人虛擬仿真區(qū)、數(shù)控機床虛擬仿真區(qū)、機電一體化技術虛擬仿真區(qū)，構建虛實結(jié)合的裝備制造虛擬仿真中心，解決企業(yè)生產(chǎn)線設計與調(diào)試人才培養(yǎng)難、學校實訓型或教學型實訓基地設備投入費用高、實訓設備臺（套）數(shù)不足、危險工業(yè)機器人應用工藝不能教學、智能裝備人才培養(yǎng)與企業(yè)智能產(chǎn)線應用人才脫節(jié)等問題。

6.5? 生產(chǎn)與物流虛擬仿真中心

目前，學校擁有的生產(chǎn)與物流環(huán)節(jié)相關的實體基礎有汽車零部件柔性制造工廠、工程實踐中心等，很難滿足學生現(xiàn)場實踐教學需求，在專業(yè)實踐教學中存在諸多不足，生產(chǎn)和物流系統(tǒng)難以和教學培訓體系對接，如生產(chǎn)流程難以介入教學、生產(chǎn)設備難以使用、物流系統(tǒng)范圍過大、實體設備設施難以遠程教學、現(xiàn)場作業(yè)危險性大、設備零散、設備昂貴等。

生產(chǎn)與物流虛擬仿真中心在現(xiàn)有的典型機械加工工藝仿真區(qū)基礎上，新建數(shù)字雙胞胎仿真區(qū)、智能工廠MR仿真實訓區(qū)、物流配送AR仿真實訓區(qū)，將更為有效地為生產(chǎn)與物流運行環(huán)節(jié)的實踐教學提供補充。生產(chǎn)與物流虛擬仿真中心在裝備制造工程實踐教學鏈中處于中心位置，在學生的職業(yè)崗位能力形成中發(fā)揮著重要的核心作用。在虛擬仿真技術研究院的支持下，與合作企業(yè)聯(lián)合，持續(xù)開發(fā)虛擬仿真教學資源，為虛擬仿真基地提供教學保障。

6.6? 設備運維虛擬仿真中心

設備運維虛擬仿真中心在現(xiàn)有的現(xiàn)實基礎（如賦能中心、工程實踐中心、數(shù)控機床維修實訓室、維修電工實訓室、工業(yè)機器人拆裝實訓室）上進行虛擬建設，旨在有效補充設備運維與保障環(huán)節(jié)的實踐教學功能。中心進一步完善現(xiàn)有的工業(yè)機器人拆裝仿真區(qū)、數(shù)控機床拆裝仿真區(qū)，新建智能裝備故障維修虛擬仿真區(qū)，以進一步完善生產(chǎn)設備運維與保障實踐環(huán)節(jié)的教學功能、通過虛擬的方式實現(xiàn)工業(yè)機器人、數(shù)控機床、生產(chǎn)線的拆裝、故障診斷、調(diào)試運行、升級改造等功能，可視化、動態(tài)化展示各種正確或錯誤操作的結(jié)果及各處細節(jié)，降低運維技術學習困難，提升維修實訓教學效率。

參考文獻

[1] 戴曉燕，劉超.基于BIM技術的建筑工程虛擬仿真實訓中心的建設研究[J].實驗技術與管理，2018（12）：237-241.

[2] 王景馨.鐵道交通運輸虛擬仿真實訓中心建設的探索：以山東職業(yè)學院為例[J].科技視界，2020（21）：141-143.

*項目來源：2018年度廣西職業(yè)教育專業(yè)發(fā)展研究基地“廣西職業(yè)教育機電一體化技術專業(yè)及專業(yè)群建設研究基地”（桂教職成〔2018〕37號）。

作者：劉晶，柳州職業(yè)技術學院教務與實訓管理處副處長，講師，研究方向為教育技術、職業(yè)教育；鄧其貴，柳州職業(yè)技術學院，教授，研究方向為機械自動化（545006）。