黃桂勝

（佛山市南海區(qū)理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 佛山 528247）

一、虛擬工廠(chǎng)的應(yīng)用背景及發(fā)展現(xiàn)狀

加工制造業(yè)類(lèi)專(zhuān)業(yè)安排學(xué)生到對(duì)口企業(yè)實(shí)習(xí)是職業(yè)教育的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。中職學(xué)生在一年級(jí)時(shí)，進(jìn)行企業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，二年級(jí)時(shí)學(xué)校會(huì)安排部分學(xué)生跟崗實(shí)習(xí)，三年級(jí)時(shí)進(jìn)行半年“頂崗實(shí)習(xí)”，而最新實(shí)習(xí)模式則將“跟崗實(shí)習(xí)”“頂崗實(shí)習(xí)”統(tǒng)一為“崗位實(shí)習(xí)”，但較多的學(xué)生仍不能參與到企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)和加工的全過(guò)程。在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，較多的開(kāi)設(shè)有加工制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)校受限于各種條件，也難以讓學(xué)生參與到企業(yè)生產(chǎn)的全過(guò)程。因此，有必要在學(xué)校內(nèi)建立一個(gè)能讓學(xué)生全程參與工廠(chǎng)的生產(chǎn)、管理過(guò)程體驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握相關(guān)設(shè)備基本操作技能，特別是可以讓全體學(xué)生在這種環(huán)境的“虛擬工廠(chǎng)”，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)、管理過(guò)程體驗(yàn)，掌握零件從訂單到加工，再到檢驗(yàn)交客戶(hù)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)床、儀器、量具的操作與使用全過(guò)程。

隨著國(guó)家深入推進(jìn)“中國(guó)制造2025”，越來(lái)越多職業(yè)學(xué)校加工制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)快速發(fā)展，在《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動(dòng)計(jì)劃（2020—2023年）》中，特別提到全國(guó)范圍構(gòu)建智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，讓學(xué)生進(jìn)入企業(yè)后能夠盡快適應(yīng)專(zhuān)業(yè)崗位，融入企業(yè)的工作環(huán)境，跟上企業(yè)的生產(chǎn)節(jié)奏。因此，在職業(yè)學(xué)校加工制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設(shè)虛擬工廠(chǎng)，教師通過(guò)在虛擬工廠(chǎng)中教學(xué)，使學(xué)生掌握企業(yè)的生產(chǎn)、管理各基本崗位的工作要求和操作技能十分必要。

職業(yè)教育學(xué)校信息化教學(xué)資源經(jīng)過(guò)多年不斷的發(fā)展，如今已經(jīng)歷三個(gè)重要階段，交互式教學(xué)資源也被引入教學(xué)實(shí)踐中，采用視窗軟件讓學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，擺脫學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)。信息化教學(xué)資源發(fā)展至今，正處于第四個(gè)發(fā)展階段，即基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)正在成長(zhǎng)壯大。數(shù)字化的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供真實(shí)的生產(chǎn)場(chǎng)景，該系統(tǒng)模擬復(fù)雜的產(chǎn)品在工廠(chǎng)中使用各類(lèi)型機(jī)床加工，最后完成組裝，以仿真原型的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生通過(guò)交互式的操作可以了解和掌握零件加工、零件外觀(guān)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。

目前，眾多職業(yè)學(xué)校為了使學(xué)生能夠在校通過(guò)沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，了解、熟悉和體驗(yàn)先進(jìn)制造業(yè)企業(yè)工廠(chǎng)環(huán)境和生產(chǎn)管理過(guò)程，在教學(xué)過(guò)程中與軟件公司、高校研究機(jī)構(gòu)合作，研究和配置了數(shù)字化的虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源系統(tǒng)。

二、虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)的意義

虛擬工廠(chǎng)的建設(shè)過(guò)程是集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)于一體的多專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技術(shù)的過(guò)程，是校企合作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。利用相對(duì)少量的硬件設(shè)備和強(qiáng)大的工業(yè)控制軟件，模擬數(shù)字化工廠(chǎng)控制工程的設(shè)計(jì)、安裝、仿真調(diào)試和投運(yùn)，最大限度地發(fā)揮實(shí)訓(xùn)中心的效率，提高學(xué)生的工程控制能力。

通過(guò)虛擬工廠(chǎng)開(kāi)展仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，就是讓教師與學(xué)生在模仿企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境中，安全、有序地開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。教師的教學(xué)內(nèi)容和方式與企業(yè)的實(shí)際工作情境相吻合，虛擬增設(shè)一些崗位，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中擔(dān)任一定的角色來(lái)完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)。使學(xué)生參與到企業(yè)的生產(chǎn)、管理中去，每組學(xué)生在虛擬工廠(chǎng)中完成一個(gè)訂單的全過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)與課堂教育的融合。

虛擬工廠(chǎng)不是簡(jiǎn)單的虛擬現(xiàn)實(shí)，而是模擬真實(shí)工廠(chǎng)的環(huán)境和工作流程，學(xué)生可以體驗(yàn)各工種崗位的操作規(guī)范和技能要求，在課堂教學(xué)與實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)與操作各類(lèi)機(jī)床設(shè)備操作和加工過(guò)程，還可以了解企業(yè)生產(chǎn)加工，工序安排、生產(chǎn)排產(chǎn)要求等企業(yè)相關(guān)管理過(guò)程。教師還可以在虛擬工廠(chǎng)中實(shí)施相關(guān)課程的仿真實(shí)訓(xùn)與技能考核，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)效果全面評(píng)價(jià)。

使用虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源平臺(tái)，結(jié)合資源庫(kù)開(kāi)發(fā)教學(xué)資源，進(jìn)行項(xiàng)目引領(lǐng)的教學(xué)模式改革，使教師和學(xué)生在這樣的環(huán)境中獲得教學(xué)和學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。其意義在于：一是教師有效地建設(shè)多種形式融合的立體化的教學(xué)資源，學(xué)生體驗(yàn)完整的生產(chǎn)過(guò)程，體驗(yàn)各種設(shè)備的操作和加工過(guò)程，適應(yīng)工廠(chǎng)環(huán)境及生產(chǎn)管理過(guò)程等眾多崗位要求；二是開(kāi)展任務(wù)引領(lǐng)的教學(xué)模式改革，教師在虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源平臺(tái)中組織一個(gè)訂單的生產(chǎn)加工，學(xué)生在完成加工任務(wù)的過(guò)程中學(xué)習(xí)、鞏固相關(guān)的知識(shí)和技能。三是在虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源平臺(tái)中，組織幾個(gè)小組共同來(lái)完成一套產(chǎn)品的生產(chǎn)加工，這既可以發(fā)揮學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，還增加了學(xué)生團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)的趣味性。

三、虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)內(nèi)容

（一）虛擬工廠(chǎng)系統(tǒng)環(huán)境的構(gòu)建

虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)應(yīng)該包括虛擬的工廠(chǎng)環(huán)境。對(duì)于虛擬工廠(chǎng)建設(shè)，開(kāi)發(fā)包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、裝調(diào)、成品試制等四大虛擬功能及多個(gè)生產(chǎn)車(chē)間，以逼真的三維場(chǎng)景和三維虛擬裝備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，仿真教學(xué)與實(shí)訓(xùn)。虛擬工廠(chǎng)提供一個(gè)全新的教學(xué)環(huán)境和一種教學(xué)手段，其功能是讓教師和學(xué)生能夠更多地集中精力于教學(xué)和學(xué)習(xí)。教師使用該平臺(tái)方便構(gòu)建多種形式融合的立體化的教學(xué)資源，按照自己的教學(xué)思想和教學(xué)方法進(jìn)行各種教學(xué)活動(dòng)。學(xué)生在使用該平臺(tái)，可以很好地通過(guò)操作、學(xué)習(xí)、評(píng)價(jià)，學(xué)習(xí)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程內(nèi)容，體驗(yàn)工廠(chǎng)環(huán)境及生產(chǎn)管理過(guò)程，體驗(yàn)各種設(shè)備的操作和加工過(guò)程。

（二）虛擬工廠(chǎng)教學(xué)資源開(kāi)發(fā)平臺(tái)的構(gòu)建

在虛擬工廠(chǎng)中結(jié)合學(xué)校數(shù)字化校園，配備一個(gè)信息管理系統(tǒng)，打通數(shù)字化校園的數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)活動(dòng)的有序進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)“平臺(tái)統(tǒng)一、案例貫穿、課程連通、知識(shí)融合”。即整合、實(shí)現(xiàn)功能：一是儲(chǔ)存產(chǎn)品信息、生產(chǎn)工藝流程信息、生產(chǎn)環(huán)境信息、各種生產(chǎn)設(shè)備信息、生產(chǎn)執(zhí)行情況等等信息；二是數(shù)字化課程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上在線(xiàn)操作機(jī)床設(shè)備等教學(xué)資源等，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)的上網(wǎng)計(jì)劃；三是可視化管理系統(tǒng)，可調(diào)用教師授課視頻，也可查看學(xué)生操作情況視頻，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)交互視頻/資源在線(xiàn)播放”；四是學(xué)校現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫(kù)、各門(mén)網(wǎng)絡(luò)精品課程，實(shí)現(xiàn)“課件資源管理”；五是在學(xué)生成長(zhǎng)管理系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生操作機(jī)床的考勤，實(shí)訓(xùn)操作情況等進(jìn)行記錄；六是在線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“作業(yè)布置、提交、檢查、測(cè)試”功能；七是基于移動(dòng)終端（PAD）的全媒體移動(dòng)課堂，集“教——練——考”于一體；八是進(jìn)行二次、多次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)教學(xué)資源，資源與網(wǎng)站無(wú)縫對(duì)接，直接將資源在網(wǎng)站進(jìn)行展示。

（三）建設(shè)多種形式融合的立體化教學(xué)資源庫(kù)

1.貫穿案例

選取典型機(jī)械產(chǎn)品，將貫穿案例資源包拆解到各課程中，使各課程通過(guò)貫穿案例得以銜接，將其生產(chǎn)全過(guò)程策劃、跟蹤、拍攝、制作成教學(xué)資源包，形成典型的基于工作過(guò)程導(dǎo)向的項(xiàng)目化教學(xué)資源。

2.貫穿案例資源組成

包括電子文檔、視頻、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)、教學(xué)課件、試題庫(kù)、實(shí)訓(xùn)素材、實(shí)物樣件等。

四、虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源的應(yīng)用案例及其成效

（一）充分利用現(xiàn)有硬件條件，提高設(shè)備利用率

佛山市南海區(qū)理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校開(kāi)展了數(shù)字化實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)，教師教育教學(xué)理念先進(jìn)，學(xué)校硬件設(shè)施配置、布局合理、管理規(guī)范，實(shí)訓(xùn)中心包括鉗工實(shí)訓(xùn)室、普通車(chē)床實(shí)訓(xùn)室、模具拆裝實(shí)訓(xùn)室、普通加工綜合實(shí)訓(xùn)室、模具綜合實(shí)訓(xùn)室、數(shù)控車(chē)床實(shí)訓(xùn)室、CAD/CAM實(shí)訓(xùn)室、數(shù)控銑床實(shí)訓(xùn)室和特種加工實(shí)訓(xùn)室等9個(gè)實(shí)訓(xùn)室（4間一體化實(shí)訓(xùn)室），工位總數(shù)達(dá)510個(gè)，中心占地面積約2500平方米，配備包括先進(jìn)的四軸加工中心、3D打印機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、三軸加工中心等設(shè)備，設(shè)備總價(jià)值1250多萬(wàn)元。數(shù)字化實(shí)訓(xùn)中心包括庫(kù)房管理系統(tǒng)、可視化管理系統(tǒng)、教學(xué)資源管理系統(tǒng)、學(xué)生考勤管理系統(tǒng)、車(chē)間管理系統(tǒng)等各子系統(tǒng)，并已經(jīng)運(yùn)作多年。在此基礎(chǔ)之上，新建近800平方米的數(shù)字化虛擬“教學(xué)工廠(chǎng)”，完成“模具在虛擬工廠(chǎng)中的生產(chǎn)”“模具制造技術(shù)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)”兩個(gè)廣東省信息化資源建設(shè)項(xiàng)目，取得良好運(yùn)用效果。

（二）實(shí)現(xiàn)全新“三位一體”教學(xué)資源開(kāi)發(fā)

虛擬工廠(chǎng)平臺(tái)由專(zhuān)業(yè)制作公司為項(xiàng)目實(shí)施提供技術(shù)保障，教師通過(guò)與學(xué)校合作生產(chǎn)企業(yè)提供真實(shí)生產(chǎn)項(xiàng)目制作教學(xué)資源，由學(xué)校專(zhuān)業(yè)教師、生產(chǎn)企業(yè)兼職教師共同開(kāi)發(fā)典型產(chǎn)品加工案例教學(xué)資源，與專(zhuān)業(yè)制作公司協(xié)作，在虛擬工廠(chǎng)完成資源導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)三位一體新型教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)模式。

教師是教學(xué)方法、教學(xué)思想的主要提供者，生產(chǎn)企業(yè)與專(zhuān)業(yè)制作公司是平臺(tái)提供者。工具平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，則應(yīng)是企業(yè)的任務(wù)。如在線(xiàn)精品課程、虛擬仿真教學(xué)資源等建設(shè)中，通過(guò)校企合作模式，由企業(yè)提供教學(xué)資源建設(shè)的工具平臺(tái)，學(xué)校（教師）根據(jù)自己教育思想和教育方法在工具平臺(tái)上有效地編制各種教學(xué)資源。教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)，在這個(gè)虛擬工廠(chǎng)設(shè)置生產(chǎn)任務(wù)、設(shè)置崗位和崗位職責(zé)，將學(xué)生分派到設(shè)定的崗位上，并且對(duì)每個(gè)崗位上的學(xué)生明確工作評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在虛擬工廠(chǎng)中進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生在虛擬工廠(chǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。在這平臺(tái)上編制的帶有教學(xué)思想和教學(xué)方法的理實(shí)一體化教材、仿真實(shí)訓(xùn)試題庫(kù)、教學(xué)過(guò)程管理系統(tǒng)、教學(xué)資源庫(kù)和網(wǎng)站。

圖1 數(shù)字化模具實(shí)訓(xùn)中心架構(gòu)圖

圖2 由學(xué)校、生產(chǎn)企業(yè)、專(zhuān)業(yè)制作公司組成“三位一體”教學(xué)資源開(kāi)發(fā)模式

（三）構(gòu)建“工學(xué)結(jié)合”人才培養(yǎng)模式

以現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)室為基礎(chǔ)，建成集教學(xué)、培訓(xùn)、生產(chǎn)為一體的現(xiàn)代數(shù)字化虛擬工廠(chǎng)的“生產(chǎn)車(chē)間”模式作為專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地。企業(yè)管理、設(shè)備生產(chǎn)化、環(huán)境真實(shí)化、人員職業(yè)化相關(guān)要素，學(xué)生可以通過(guò)在虛擬工廠(chǎng)操作得到強(qiáng)化。構(gòu)建“工學(xué)結(jié)合”人才培養(yǎng)模式，學(xué)生的基本職業(yè)素養(yǎng)、基本技能與專(zhuān)業(yè)綜合能力得到全面提高。

（四）優(yōu)化新型教學(xué)模式

在課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的講解和演示，項(xiàng)目仿真實(shí)訓(xùn)，掌握各類(lèi)組合產(chǎn)品加工和裝配過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)IE瀏覽器在網(wǎng)站上設(shè)立賬戶(hù)管理，有效控制虛擬工廠(chǎng)資源的合理使用。

（五）強(qiáng)化基于訂單引領(lǐng)的虛擬工廠(chǎng)教學(xué)應(yīng)用

教師可以方便地在虛擬工廠(chǎng)中組織一個(gè)訂單的生產(chǎn)加工。學(xué)生可以在完成加工任務(wù)的過(guò)程中學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)的知識(shí)。因此，虛擬工廠(chǎng)環(huán)境非常適合項(xiàng)目引領(lǐng)的教學(xué)模式。享受合作與競(jìng)爭(zhēng)的樂(lè)趣，在虛擬工廠(chǎng)中完成一個(gè)訂單的生產(chǎn)加工一般工作量是比較大的，而且有很多零部件是類(lèi)似的。因此，一個(gè)訂單的生產(chǎn)加工可以組織幾個(gè)小組共同來(lái)完成。每個(gè)學(xué)生可以參與不同小組，也可以承擔(dān)不同的角色。教師可以組織小組之間的各種競(jìng)賽活動(dòng)。

五、結(jié)語(yǔ)

加工制造業(yè)虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)的實(shí)施，使得受益學(xué)生大幅度增加。廣東省乃至全國(guó)眾多理工類(lèi)大專(zhuān)院校、職業(yè)技術(shù)學(xué)院、職業(yè)技術(shù)學(xué)校等開(kāi)設(shè)有加工制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程，本項(xiàng)目可覆蓋的學(xué)生總?cè)藬?shù)僅在廣東省就達(dá)萬(wàn)人以上。并且，虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源平臺(tái)具有二次開(kāi)發(fā)功能，教師可以在不斷學(xué)習(xí)過(guò)程中，增加新產(chǎn)品生產(chǎn)仿真。另外，平臺(tái)可以在線(xiàn)仿真，使學(xué)生不受時(shí)間、空間限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。更重要的是，通過(guò)虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)與應(yīng)用，推動(dòng)教學(xué)模式由“學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)”向“學(xué)生動(dòng)手做”轉(zhuǎn)化，從而有效地支撐“基于工作過(guò)程”“項(xiàng)目化教學(xué)”“做中學(xué)”等現(xiàn)代職業(yè)教育理念的實(shí)現(xiàn)。