王立巖 夏建生 董小飛 陳青

鹽城工學院機械工程學院 江蘇鹽城 224051

工程技術(shù)人才是國家重大工程和基礎(chǔ)制造發(fā)展的基石。因此，黨和國家對培養(yǎng)綜合實踐創(chuàng)新能力人才提出重要策略，深化改革高等教育實踐教學的教育方式的根本在于傳統(tǒng)理論課堂的教學模式改革與升級。目前，在教學改革嘗試中存在一些弊端，如教師自身的實踐教學能力和意識的不足；課堂教學方式抽象使學生難以理解重點難點內(nèi)容；教學手段單調(diào)；針對性實效性不強等。

數(shù)字孿生技術(shù)與傳統(tǒng)多媒體教學的主要區(qū)別在于，數(shù)字孿生技術(shù)給學生們帶來更加生動和沉浸式的課堂學習體驗。尤其是一些與工程實際緊密聯(lián)系的工程理論課程——材料成形技術(shù)基礎(chǔ)，在課程學習中涉及較多的專業(yè)術(shù)語和工藝步驟，僅通過靜態(tài)的圖片或影像資源很難讓學生對課程的基本概念與重要知識點吸收和理解，進而大幅降低學習效率。因此，需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學思維與方法，將數(shù)字孿生技術(shù)引入工程課程的課堂具有重要意義[1-3]。

一、材料成形技術(shù)課程教學中存在的問題

在新工科發(fā)展的背景下，工程專業(yè)理論課程學習中增強了理論聯(lián)系實踐環(huán)節(jié)[4-6]，實踐環(huán)節(jié)能提高和培養(yǎng)學生的動手能力與理論聯(lián)系實際的能力[7]。但實踐環(huán)節(jié)與理論教學環(huán)節(jié)分開獨立進行仍然存在一些弊端，教學過程中學生存在對理論知識把握程度與認識理解程度不深等現(xiàn)象，遇到應(yīng)用對象存在問題把握度不夠、實際工況問題分析與理解不足等問題。

(一)材料成形技術(shù)的教學目的

材料成形技術(shù)基礎(chǔ)是材料成型及控制工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。涉及金屬材料的液態(tài)金屬成型工藝、鑄造工藝、焊接成型加工工藝和塑性成型加工工藝等內(nèi)容的基本理論和基本知識，以及非金屬材料的高分子材料及復(fù)合材料成形與陶瓷粉末成形技術(shù)等內(nèi)容的基本理論和基本知識。課程涉及金屬材料與非金屬材料等多種材料，以及各種不同材料的適應(yīng)成形方法，因此，對于從未接觸到實際工程現(xiàn)場的學生們，這無疑是晦澀難以理解的復(fù)雜概念。

(二)材料成形技術(shù)的教學現(xiàn)狀

材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程包括理論教學和實踐教學兩部分，課程的教學順序為理論教學在前，實踐教學在后。在理論教學環(huán)節(jié)中以教師講授為主，通過多媒體和教學課件等資源講解課程內(nèi)容，教師與學生間的互動較少，在課堂中無法了解每位同學的學習情況。相較于基礎(chǔ)理論課程而言，由于工程理論知識較為晦澀難懂，其中的一些概念和名詞，包括實際應(yīng)用所涉及的工況分析與理論模型的應(yīng)用，需要具有一定的工程背景才能更好地理解和學習。

目前，許多高校存在多媒體教學資料陳舊過時，闡述基本理論知識與難點知識內(nèi)容過于單調(diào)等現(xiàn)象。這對于缺乏實踐背景的大學生來說，不利于其理論學習效果的提高，限制了學生對實際應(yīng)用的想象和發(fā)揮。若按照書本上的理論層次深度講解理論知識，學生難以清晰理解和吸收理論知識；通過淺顯易懂的方式講解理論知識，有助于提高學生的理解和強化，但這樣會使理論與實踐應(yīng)用相差過大，在今后的理論實踐中，增加學生的認知與聯(lián)系困難。因此，如何適當?shù)貙⒐こ汤碚撝R提高與簡化間的平衡，對于學生學習與理解課程內(nèi)容具有重要意義。

(三)材料成形技術(shù)的教學改革

面對上述存在問題，國家教育相關(guān)部門在2015年頒布了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，意見中提到創(chuàng)新教學方法，補齊教育短板和強化實踐等有效措施。國內(nèi)以應(yīng)用型為主的高度教育學校，相繼開展以提高大學生高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)為目標的教學改革行動，以培養(yǎng)和提升學生的綜合素質(zhì)為基礎(chǔ)，開展教學資源設(shè)計，建立課程評價體系，啟迪學生開創(chuàng)性思維，激發(fā)學生自主深度思考和學習能力。結(jié)合智慧學習系統(tǒng)，密切關(guān)注學生的學習反饋情況，對學習效果系統(tǒng)科學分析，根據(jù)學習能力制定相匹配的課程體系，從而降低學生對理論課程理解的差異化，全面提高教學實施效果。

此外，作為工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，不僅要強化學生的理論知識學習，更要加強工程實踐認知與操作。為激發(fā)學生對工程實踐操作的興趣點，提高學生實踐操作與行為，基于數(shù)字孿生技術(shù)的課程資源導入與開發(fā)，會顯著提高學生對實踐過程的熟悉和了解，增強課堂教學趣味性、啟發(fā)性，通過虛擬線下工程案例的實踐內(nèi)容場景，提高學生對工程實踐內(nèi)容的理解和掌握程度。將“大國工匠”的堅韌精神與課程體系恰當融合，了解重大工程對社會經(jīng)濟和民生發(fā)展的重要性，提高學生對專業(yè)課程重要作用的認知高度和拓展專業(yè)視野，增強學生愛國情懷，提升學生對工程實踐學習的眼界與開拓思維。

二、數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)在材料成形技術(shù)課程中的改革探索

在新工科背景下，教學模式更加注重理論聯(lián)系實際，針對理論教學與實踐教學環(huán)節(jié)的融合促進，MOOCs資源平臺給新型混合教學形式帶來極大幫助[8-9]，即使未能親自接觸實踐內(nèi)容的動手操作，也能讓學生掌握實際工藝流程的整體運行方案，因此需要探索新型混合式的教學模式，強化實踐教學效果。

(一)數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生的概念誕生于21世紀，由美國密歇根大學的Michael Grieves教授所提出的先進制造技術(shù)領(lǐng)域與一種新型信息物理融合理念[10]，早期被命名為“信息鏡像模型”(Information Mirroring Model)，隨之逐漸地演變成為“數(shù)字孿生”(Digital Twin)。數(shù)字孿生技術(shù)是利用多物理、多尺度和多概率等虛擬量實現(xiàn)了現(xiàn)實的物理世界與虛擬的數(shù)字世界的集成映射與融合。用戶可基于數(shù)字孿生模型，對實體在現(xiàn)實環(huán)境中的制造形成過程、應(yīng)用工作狀態(tài)等物理行為進行模擬、診斷、預(yù)測、監(jiān)控產(chǎn)品等流程的操作。

(二)數(shù)字孿生混合式教學設(shè)計

基于材料成形技術(shù)的虛擬仿真模擬教學平臺，以交叉融合探索模式開展理論與實踐教學內(nèi)容，教學內(nèi)容以學生整體自主設(shè)計材料成形工藝方案為主，通過智慧評估系統(tǒng)，結(jié)合教師與學生反饋機制對教學模式進行優(yōu)化。利用虛擬仿真實驗平臺模擬金屬材料的成形工藝過程，通過寓教于學的方式讓學生體驗材料成形過程，隨后的評估系統(tǒng)主要針對材料成形參數(shù)、材料體積以及設(shè)備參數(shù)等內(nèi)容考核學生操作成績，根據(jù)學生對工藝流程的熟悉度及完成度加權(quán)評價總體成績。通過與傳統(tǒng)授課方式進行對比分析和評判，評價采用量化評估方式有助于充分了解學生對理論與實踐內(nèi)容的掌握程度，其中量化指標主要從教學質(zhì)量、教學效果、學生反饋等方面展開實施。

以鑄造成形工藝為教學案例，分析鋼液澆鑄過程中冷卻、凝固及收縮等現(xiàn)象，針對鋼液的冷卻過程、凝固過程、流道形狀等開發(fā)數(shù)字孿生模型，建立理論教學和實踐操作的虛擬仿真平臺。采用材料的本構(gòu)關(guān)系模型、砂型形狀、冒口形狀、流道設(shè)計構(gòu)建澆鑄仿真用數(shù)字孿生模型，完成虛擬仿真平臺開發(fā)與系統(tǒng)程序編寫、測試等任務(wù)。學生可使用本人的學號登入仿真平臺進行觀看和學習，通過對鑄造過程的了解和學習進行操作，教師根據(jù)學生在仿真平臺上的操作步驟給予評價和打分，同時，虛擬仿真教學平臺會針對學生線上實踐情況生成評估報告。

(三)數(shù)字孿生驅(qū)動混合教學模式

數(shù)字孿生技術(shù)可以將現(xiàn)實物理實踐內(nèi)容生動和高效地映射到傳統(tǒng)課題教學中，增加傳統(tǒng)教學方式的趣味性和活躍性，并將數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)及教學方式等有機融合，滿足新工科背景驅(qū)動下對學生培養(yǎng)目標和創(chuàng)新能力提升的迫切需求。數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的混合式教學模式融合了虛擬現(xiàn)實與實踐操作等線上與線下混合式的教學模式。利用線上教學資源平臺，如MOOCs(慕課)國家精品課程在線教育平臺，將數(shù)字孿生驅(qū)動的材料成形工藝流程、加工過程仿真等數(shù)字信息技術(shù)與線上、線下理論教學融合，使學生可采用多種方式，如手機、平板和計算機等電子設(shè)備進行深度學習。針對材料成形技術(shù)課程內(nèi)容和教學大綱，將網(wǎng)絡(luò)教學資源劃分為具體和細化的學習內(nèi)容，學生可按照教學進度，利用教學資源進行自主學習，并進行自我學習情況檢驗與評估。智慧系統(tǒng)會記錄每位同學的學習時長以及觀看頻率，系統(tǒng)會根據(jù)學生比較關(guān)心和觀看頻率較高的部分內(nèi)容進行反饋，并生成學習過程數(shù)據(jù)報告，有利于教師在后續(xù)課程推進與線上教學模式升級具有重要參考價值。

在傳統(tǒng)線下教學的課堂中，同樣也可采用數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的教學資源，主要是以課堂重點難點內(nèi)容進行講授、課堂分組討論、隨堂測驗等方式，促進課堂活躍氣氛，使枯燥乏味的理論知識內(nèi)容變得生動和精彩。通過線下課堂教師與學生面對面的交流，學生提出對學習材料成形過程的感受，及時反饋與學習內(nèi)容溝通有助于學生抓住重點內(nèi)容，理順課程內(nèi)容的邏輯順序。教師要針對與學生的交流和學生的學習情況及時做出收集、反饋以及調(diào)整。在后續(xù)課堂中將學生分成若干組，對于學習進度和理解程度具有差異的同學，對其課程進行調(diào)整和不同程度的課堂提問，調(diào)動學生學習興趣，鼓勵學生學習熱情，通過課堂和課后的不斷學習，有效地掌握課程的重點內(nèi)容。

(四)數(shù)字孿生混合教學實踐效果

目前，國內(nèi)許多高校開始展開基于數(shù)字孿生驅(qū)動的混合實踐教學模式，大多數(shù)仍處于研究探索和開發(fā)的階段，隨著國家對專業(yè)技能人才的培養(yǎng)的高度重視，數(shù)字孿生技術(shù)與虛擬實踐仿真相結(jié)合的研究取得了較為豐富的研究成果。經(jīng)過實際教學的體驗和實驗操作后發(fā)現(xiàn)，基于數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的混合式教學模式具有以下效果：

(1)強化學生學習效果。通過數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的教學方式對材料成形技術(shù)課程內(nèi)容的講授，減少了理論課程學習的枯燥乏味，提升課堂學習活躍性，強化學生的自主學習能力。學生將基本理論知識形成豐富而具體的內(nèi)容，通過與實踐教學內(nèi)容聯(lián)系，學生自主查閱文獻和教學資料，增強理論課程內(nèi)容學習，提升實驗操作熟練程度和準確性，理論課程和實踐教學成效得到顯著提升。

(2)提高理論聯(lián)系實踐效果。數(shù)字孿生驅(qū)動混合式教學形式，使學生從虛擬物理世界獲得現(xiàn)實世界的感受，從傳統(tǒng)理論課堂進入實際材料成形工藝流程，拓展課堂理論學習局限性，增強實踐學習環(huán)境下實踐學習能力和熟練程度，激發(fā)學生主動面對實踐操作困難的決心，從而得到更為全面的實踐訓練。

(3)提升學生綜合實踐能力。結(jié)合虛擬仿真平臺，熟悉每個材料成形過程中的所采用的重要參數(shù)和操作環(huán)節(jié)，提高學生面對實際問題的應(yīng)變能力和動手能力。采用數(shù)字孿生驅(qū)動混合的教學形式，可以讓每位學生具有足夠的學習時間接觸實踐過程。針對不同工藝過程進行課程的獨立設(shè)置，讓學生以項目的形式進行學習和虛擬實踐操作，顯著提高工程綜合能力和創(chuàng)新能力。

結(jié)語

數(shù)字孿生驅(qū)動的混合式教學方式將物理世界與虛擬世界構(gòu)筑橋梁，形成虛實結(jié)合、資源同步、互生互融的新型理論與實踐相融合的教學模式。根據(jù)當前社會發(fā)展對綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力人才的需求，基于材料成形技術(shù)課程進行教學改革嘗試和探索，提出基于數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動虛擬仿真平臺的混合式教學思想，采用數(shù)字孿生的混合實踐拓展學習模式進行研究?；跀?shù)字孿生的混合實踐教學平臺提出總體設(shè)計方案，探究數(shù)字孿生的混合實踐教學模式以及平臺搭建。利用數(shù)字孿生實踐教學的自由性、拓展性的特點，可顯著提高學生對課程內(nèi)容體驗感受和自主學習的興趣，相較于傳統(tǒng)授課，新型混合式的教學模式讓課程的重點和難點更加容易吸收和理解，使學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力逐步提升，為新工科背景下的工程實踐課程的教學改革方向提供一條有益途徑。