［摘 要 ］教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型是當(dāng)前教育改革與實(shí)踐中的熱點(diǎn)，也是未來(lái)教育創(chuàng)新變革的發(fā)展趨勢(shì)。培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化能力，是教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要目標(biāo)之一。我國(guó)高校智能制造工程教育教學(xué)總體規(guī)模、行業(yè)地區(qū)分布狀況及發(fā)展水平差距較大，亟須深入探討智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案。智能制造工程專業(yè)人才的數(shù)字化能力包括：構(gòu)造數(shù)字化模型能力、數(shù)字化抽象分析能力、仿真軟件模擬能力、適應(yīng)數(shù)字環(huán)境能力、智能設(shè)備或系統(tǒng)的操控能力。按照工業(yè)4.0智慧車間的基本構(gòu)成模式，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的智能制造工程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)智能制造工程專業(yè)所需要的基礎(chǔ)技術(shù)，具體分析了該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在上述5項(xiàng)數(shù)字化能力培養(yǎng)中的具體作用。

［關(guān)鍵詞］ 教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型；數(shù)字化能力；智能制造工程專業(yè)；數(shù)字孿生

［基金項(xiàng)目］ 2021年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究一般項(xiàng)目“智能制造工程專業(yè)建設(shè)的研究與實(shí)踐”（遼教辦〔2021〕254號(hào)-178）

［作者簡(jiǎn)介］ 郝麗娜（1968—），女，遼寧莊河人，博士，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院教授，主要從事智能機(jī)器人系統(tǒng)研究；楊建宇（1980—），男，江蘇江都人，博士，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院講師，主要從事外骨骼機(jī)器人、制造裝備智能化研究；林君哲（1978—），男，遼寧本溪人，博士，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院講師，主要從事機(jī)電液一體化設(shè)計(jì)、液壓振動(dòng)控制技術(shù)研究；陸志國(guó)（1982—），男，遼寧義縣人，博士，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院教授，主要從事仿靈長(zhǎng)類高機(jī)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人、欠驅(qū)動(dòng)智能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）09-0000-04 ［收稿日期］ 2022-04-26

一、教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型下數(shù)字化能力培養(yǎng)的必要性

2020年9月，聯(lián)合國(guó)教科文組織、國(guó)際電信聯(lián)盟和聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)聯(lián)合發(fā)布《教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型：學(xué)校聯(lián)通，學(xué)生賦能》，關(guān)注教育的數(shù)字化聯(lián)通［1］。同年，歐盟發(fā)布《數(shù)字教育行動(dòng)計(jì)劃（2021—2027年）》，明確歐盟層面未來(lái)需要推進(jìn)“促進(jìn)高性能的數(shù)字教育生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展”和“提高數(shù)字技能和能力以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型”兩大戰(zhàn)略事項(xiàng)［2］。2021年8月，我國(guó)教育部批復(fù)同意上海成為教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型試點(diǎn)區(qū)。2022年1月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，提出深入推進(jìn)智慧教育；同月，全國(guó)教育工作會(huì)議提出實(shí)施國(guó)家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)。教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個(gè)綜合的、系統(tǒng)的、全方位的創(chuàng)新與變革過(guò)程，其不僅直接關(guān)系到我國(guó)人才培養(yǎng)的質(zhì)量，也將助力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)社會(huì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，提升國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，加快建設(shè)數(shù)字中國(guó)。因此，教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型是當(dāng)前教育改革與發(fā)展的核心議題，也是未來(lái)教育創(chuàng)新變革的發(fā)展趨勢(shì)［3］。

教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心路徑和重要目標(biāo)是數(shù)字化能力建設(shè)，既包括學(xué)生和教師的數(shù)字能力建設(shè)，也包括教育管理人員的數(shù)字化能力建設(shè)。因此，研究探討教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型與數(shù)字化能力培養(yǎng)的有效方法迫在眉睫。數(shù)字化能力的內(nèi)涵非常豐富，對(duì)不同專業(yè)人才的要求有所不同。文獻(xiàn)［4］指出工程師數(shù)字化能力主要包括適應(yīng)數(shù)字環(huán)境能力、智能設(shè)備操控能力、數(shù)字抽象分析能力、仿真模擬能力［4］。文獻(xiàn)［6］認(rèn)為新工科人才應(yīng)具有如下的數(shù)字化思維：（1）采用計(jì)算機(jī)的方式處理問(wèn)題。從問(wèn)題的文字描述中提取出關(guān)鍵信息，構(gòu)造出問(wèn)題的數(shù)字化模型。（2）利用模塊化思維解決復(fù)雜問(wèn)題。（3）將技術(shù)體系軟件化、顯性化。運(yùn)用人工智能，促進(jìn)行業(yè)智能化［6］。本文以東北大學(xué)智能制造工程專業(yè)的培養(yǎng)方案為基礎(chǔ)，提出專業(yè)人才數(shù)字化能力的內(nèi)涵及基于數(shù)字孿生技術(shù)的培養(yǎng)途徑。

二、智能制造工程專業(yè)人才數(shù)字化能力的內(nèi)涵

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。智能制造作為第四次工業(yè)革命的核心，需要有相應(yīng)的基礎(chǔ)技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前提。目前，我國(guó)高校智能制造工程教育教學(xué)總體規(guī)模、行業(yè)地區(qū)分布狀況及發(fā)展水平差距較大，亟須深入探討智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，以服務(wù)“中國(guó)制造2025”規(guī)劃，引領(lǐng)高校智能制造工程專業(yè)發(fā)展。

智能制造工程專業(yè)人才需要具有以下能力：針對(duì)特定需求進(jìn)行工程技術(shù)問(wèn)題的提煉和描述，確定相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)目標(biāo)與任務(wù)的能力；分析與論證解決方案可行性的能力；具有根據(jù)解決方案進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算與優(yōu)化，完成部件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)或開(kāi)發(fā)的能力；具有用工程圖紙、設(shè)計(jì)報(bào)告、軟件、模型等形式，呈現(xiàn)方案設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)結(jié)果的能力。為此，將智能制造專業(yè)工程所需要的基礎(chǔ)技術(shù)包括機(jī)械工程基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、區(qū)塊鏈、5G網(wǎng)絡(luò)等，與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)融合形成統(tǒng)一的信息物理系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于智能制造工程專業(yè)人才數(shù)字化能力培養(yǎng)中的構(gòu)造數(shù)字化模型能力、數(shù)字化抽象分析能力、仿真軟件模擬能力、適應(yīng)數(shù)字環(huán)境能力、智能設(shè)備或系統(tǒng)的操控能力。

三、數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)在數(shù)字化能力培養(yǎng)中的作用

（一）數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)介紹

數(shù)字孿生技術(shù)是基于實(shí)體設(shè)備的數(shù)字孿生模型，是物理實(shí)體數(shù)據(jù)與信息數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)交互與融合的新方式。針對(duì)智能制造工程專業(yè)人才對(duì)于上述5項(xiàng)數(shù)字化能力培養(yǎng)的需求，我們按照工業(yè)4.0智慧車間的基本構(gòu)成模式，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的智能制造工程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括數(shù)字孿生系統(tǒng)和實(shí)物生產(chǎn)線，如圖1所示。實(shí)物生產(chǎn)線包括：VMC303數(shù)控加工中心及自動(dòng)化改造單元、川崎RS010L工業(yè)機(jī)器人與夾具庫(kù)單元、螺栓安裝旋轉(zhuǎn)底座裝配與立體庫(kù)單元、基于SCARA裝配機(jī)器人的貼片及軸承裝配單元、編程設(shè)計(jì)工作單元等。

數(shù)字孿生系統(tǒng)可以完成以下功能：（1）利用Tecnomatix軟件創(chuàng)建加工制造生產(chǎn)線數(shù)字化仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)物生產(chǎn)線的虛擬映射；（2）利用實(shí)物生產(chǎn)線與Tecnomatix軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化虛擬生產(chǎn)線仿真和虛實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的閉環(huán)數(shù)據(jù)映射、雙向數(shù)據(jù)通信及三維數(shù)據(jù)的可視化；（3）支持課程回放、學(xué)習(xí)過(guò)程追溯、在線考試功能；（4）能夠通過(guò)電腦中的Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)配套生產(chǎn)線的三維動(dòng)態(tài)瀏覽；（5）能夠在Web瀏覽器上從不同角度對(duì)生產(chǎn)線模型進(jìn)行視圖的放大和縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作；（6）能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)端的生產(chǎn)線三維動(dòng)態(tài)瀏覽；（7）可實(shí)現(xiàn)學(xué)生遠(yuǎn)程的在線學(xué)習(xí)與相關(guān)課程的預(yù)習(xí)等；（8）教師可在此教學(xué)系統(tǒng)發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)；（9）在學(xué)生線下無(wú)法聚集實(shí)驗(yàn)時(shí)，支持進(jìn)行線上異地云訪問(wèn)教學(xué)服務(wù)；（10）支持教師線上集中授課功能，并能對(duì)上課內(nèi)容進(jìn)行自動(dòng)錄制視頻。

（二）數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)在數(shù)字化能力培養(yǎng)中的作用

1.構(gòu)造數(shù)字化模型能力的培養(yǎng)。圍繞智能裝備、智能物流、機(jī)器視覺(jué)、工業(yè)機(jī)器人、物流自動(dòng)化及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)及應(yīng)用，面向工程建模與仿真技術(shù)需求，構(gòu)造出相關(guān)問(wèn)題的數(shù)字化模型，這是數(shù)字化抽象分析能力和仿真軟件模擬能力的基礎(chǔ)。

2.數(shù)字化抽象分析能力的培養(yǎng)。針對(duì)上述問(wèn)題和模型獨(dú)立開(kāi)發(fā)解決方案、采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、集成、預(yù)測(cè)、分析，熟悉掌握主流數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，組織協(xié)調(diào)各模塊工作的開(kāi)展，克服信息集成中出現(xiàn)的“數(shù)據(jù)孤島”問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合解決問(wèn)題的能力。

3.仿真軟件模擬、適應(yīng)數(shù)字環(huán)境及智能設(shè)備操控能力的培養(yǎng)。通過(guò)工藝規(guī)劃實(shí)驗(yàn)、三維虛擬裝配仿真一體化實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)、工廠物流仿真實(shí)驗(yàn)、人體模型和分析實(shí)驗(yàn)、基本虛擬環(huán)境的建模實(shí)驗(yàn)等，培養(yǎng)學(xué)生的仿真軟件模擬能力、適應(yīng)數(shù)字環(huán)境的能力及智能設(shè)備或系統(tǒng)的操控能力。上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體情況如下。

（1）工藝規(guī)劃實(shí)驗(yàn)：通過(guò)多人同步進(jìn)行三維工藝規(guī)劃與設(shè)計(jì)（包含工廠布局），建立和分類管理各種工藝資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)基于PBOM的三維JT輕量化數(shù)模及工藝數(shù)據(jù)的編輯和查看；通過(guò)借用和復(fù)制方法完成新產(chǎn)品工藝路線，制造資源工序（工步）級(jí)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行可視化工序掛物料、設(shè)備、工具工裝等資源，進(jìn)行批量的分配操作；提供Teamcenter接口對(duì)接工藝數(shù)據(jù)。

（2）三維虛擬裝配仿真一體化實(shí)驗(yàn)：通過(guò)分析包含裝配環(huán)境因素的裝配過(guò)程，如工裝夾具干涉，分析動(dòng)態(tài)過(guò)程中的裝配干涉，支持TolMate裝配公差分析，裝配路徑配置及優(yōu)化，可輸出裝配仿真視頻，裝配移動(dòng)軌跡及標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)預(yù)置，具備裝配、人機(jī)、設(shè)備運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化綜合仿真能力、一體化的仿真環(huán)境和統(tǒng)一模型。從裝配工藝規(guī)劃平臺(tái)中能直接提取仿真所使用的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于JT三維輕量化模型仿真。

（3）機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)：具有機(jī)器人路徑規(guī)劃、可達(dá)性測(cè)試、路徑調(diào)整和節(jié)拍時(shí)間優(yōu)化等功能，支持機(jī)器人虛擬調(diào)試、基于事件的集成電氣信號(hào)仿真和驗(yàn)證；支持點(diǎn)焊、弧焊、激光焊等離散和連續(xù)焊接仿真，支持多種機(jī)器人的離線編程，可以實(shí)現(xiàn)仿真離線編程功能、循環(huán)事件模擬器（CEE），并對(duì)每一個(gè)仿真周期收集并評(píng)估可編程邏輯控制器（PLC）信號(hào)等。

（4）工廠物流仿真實(shí)驗(yàn)：具備裝配線對(duì)象庫(kù)和工廠訂單對(duì)象庫(kù)應(yīng)用，支持建立物流工具庫(kù)（貨架、各類運(yùn)輸及輸送設(shè)備）；具備同步物流、線邊物流模型建立及分析，具備產(chǎn)能、工時(shí)、節(jié)拍及生產(chǎn)線平衡分析，以及仿真模型的運(yùn)行及統(tǒng)計(jì)分析和生成報(bào)告；提供三維的ePLant工廠布局工具，包含常用制造資源庫(kù)；能夠使用預(yù)定義的基本對(duì)象和庫(kù)快速創(chuàng)建仿真工廠模型， 具有豐富的設(shè)備庫(kù)參數(shù)包括機(jī)架、輸送帶、安全設(shè)備和物料搬運(yùn)設(shè)備；支持執(zhí)行高度復(fù)雜系統(tǒng)如汽車生產(chǎn)線的仿真分析；數(shù)值發(fā)生機(jī)制支持大項(xiàng)目的創(chuàng)建、驗(yàn)證和維護(hù)；支持使用預(yù)定義的基本對(duì)象和庫(kù)，可以交互式地創(chuàng)建仿真模型；提供大量能夠用于編輯復(fù)雜項(xiàng)目的函數(shù)；具備3D可視化等。

（5）人體模型和分析實(shí)驗(yàn)：具有完善的人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)，可根據(jù)實(shí)際需要依據(jù)測(cè)量尺寸定制人體模型；系統(tǒng)提供多種人體建模標(biāo)準(zhǔn)，支持不同比例尺寸的男女模型；人體模型應(yīng)有充分的柔性，如隨著手的可達(dá)程度，其身體和腰部等能跟隨運(yùn)動(dòng)；可以改變?nèi)梭w模型的外觀顏色和用戶的個(gè)體化外觀。軟件中包含人體姿態(tài)庫(kù)，可將已調(diào)整好的姿態(tài)加入姿態(tài)庫(kù)中，方便以后調(diào)用。多樣化的身體和手部姿態(tài)庫(kù)， 有利于簡(jiǎn)化工作及提高效率。在仿真環(huán)境下，系統(tǒng)自動(dòng)分析人體包絡(luò)的空間，分析人體可以觸及的范圍。支持人體動(dòng)作時(shí)間分析、人體視野分析，在仿真環(huán)境下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)分析人雙眼包絡(luò)的空間，分析人可以看見(jiàn)的范圍。能夠進(jìn)行工作姿勢(shì)分析，檢查工人的工作姿勢(shì)是否舒適。系統(tǒng)提供多種的人體工程評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，能夠從人機(jī)工效的角度進(jìn)行評(píng)估，如力量評(píng)估、能量消耗分析、疲勞強(qiáng)度分析、工作姿態(tài)分析等。

（6）基本虛擬環(huán)境的建模實(shí)驗(yàn)：具有建立虛擬仿真環(huán)境和場(chǎng)景的能力，如建立運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、工廠場(chǎng)景等?？梢詫?dǎo)入基于VRMI、IGES、立體（STL）的和inventor（iv）和JT文件格式的3D圖形數(shù)據(jù)。能夠提供一套基本的工具（錘子、梯子、齒輪、鋸、螺絲刀和扳手）；具有多CAD 三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的能力，能夠讀取JT輕量化模型；進(jìn)行人機(jī)裝配過(guò)程中的干涉檢查；能夠支持多種虛擬現(xiàn)實(shí)工具等。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有助于學(xué)生熟練運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件、工業(yè)設(shè)計(jì)軟件、編程軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中的工藝、流程優(yōu)化，提高仿真軟件模擬能力。通過(guò)適應(yīng)數(shù)字技術(shù)環(huán)境，涉及設(shè)備系統(tǒng)、工藝制造生產(chǎn)線及智能工廠系統(tǒng)不同層面，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)快速學(xué)習(xí)和合作，滿足設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)、制造等產(chǎn)品全生命周期的不同環(huán)節(jié)工作需求，從而提升其適應(yīng)數(shù)字環(huán)境能力。學(xué)生在上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)智能設(shè)備和軟硬件系統(tǒng)操作的使用學(xué)習(xí)過(guò)程中，掌握了智能設(shè)備或系統(tǒng)的操控能力。

本文結(jié)合智能制造工程專業(yè)的培養(yǎng)需求，提出數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中提升數(shù)字化能力的解決方案，包括基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建，并分析了智能制造工程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在構(gòu)造數(shù)字化模型能力、數(shù)字化抽象分析能力、仿真軟件模擬能力、適應(yīng)數(shù)字環(huán)境能力、智能設(shè)備或系統(tǒng)的操控能力等5項(xiàng)能力培養(yǎng)中的作用，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才提供重要基礎(chǔ)條件，同時(shí)提供數(shù)字化能力、動(dòng)手能力、探索能力、創(chuàng)新能力的鍛煉；打破學(xué)生紙上談兵的僵化思路，理論與實(shí)際結(jié)合、企業(yè)與高校結(jié)合、競(jìng)賽與教學(xué)結(jié)合的融合模式勢(shì)在必行。

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Research and Practice on the Development of Digital Ability in the Education of Intelligent Manufacturing Engineering

HAO Li-na， YANG Jian-yu， LIN Jun-zhe， LU Zhi-guo

（School of Mechanical Engineering amp; Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110004， China）

Abstract： The “digital transformation of education” is a hot topic in current educational reform and practice， and is also a trend for future educational innovation and change. The cultivation of digital capability for students is one of the important goals of digital transformation of education. The overall scale， regional distribution and development level of “intelligent manufacturing engineering” education and teaching in China’s universities vary greatly. It is necessary to discuss the training program for intelligent manufacturing engineering professionals in depth. The digital capabilities of intelligent manufacturing engineering professionals include： the ability to construct digital models， the ability to analyze digital abstraction， the ability to simulate software， the ability to adapt to the digital environment， and the ability to manipulate intelligent equipment or systems. In this paper， according to the basic composition model of the Industry 4.0 smart workshop， a comprehensive experimental platform of intelligent manufacturing engineering based on digital twin system is designed， and the specific role of this comprehensive experimental platform in the cultivation of the above five digital competencies is analyzed with regard to the basic technologies required by intelligent manufacturing engineering majors.

Key words： digital transformation of education; digital ability; intelligent manufacturing engineering; digital twin