摘 要：本研究通過分析現(xiàn)有食品智能制造實訓教學模式的現(xiàn)狀，探討如何將數(shù)字孿生技術(shù)應用于食品智能制造實訓課程，以革新傳統(tǒng)教學模式，增進教學效率與質(zhì)量，同時著重培育學生的實踐操作技能與創(chuàng)新能力。本研究旨在為食品智能制造教育領域引入新的見解與教學手段，促進該領域教育實踐的進步。

關鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)；智能制造；食品工業(yè)；實訓課程；教學創(chuàng)新

一、引言

“十四五”期間，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)正逐步滲透到教育的每一個角落，推進信息技術(shù)、智能技術(shù)與教育教學融合的教育教學變革，加快推進教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，重塑教學模式，已成為我國教育發(fā)展的必然選擇。這一過程不僅受到革新的推動，還受到社會和文化的變遷、國家政策的主導以及教育系統(tǒng)內(nèi)生發(fā)展的共同驅(qū)動[1]。數(shù)字化教學模式正在經(jīng)歷一個快速發(fā)展的新階段。在此過程中，數(shù)字孿生技術(shù)的應用為虛實結(jié)合的教學模式帶來了強大的技術(shù)支持，使其煥發(fā)出前所未有的活力[2]。

數(shù)字孿生技術(shù)，憑借其卓越的模擬與仿真性能，能夠創(chuàng)建出具有高度真實感的虛擬環(huán)境。這一技術(shù)特性不僅為學生提供了一個安全、無風險的實踐平臺，使他們能夠在不受物理限制的情況下進行各種實驗與操作，而且極大地豐富了教學實踐的形式與內(nèi)容。在教育領域，數(shù)字孿生技術(shù)的運用尤為顯著。它不僅能夠幫助學生更深入地理解那些抽象復雜的技術(shù)原理，通過直觀的模擬演示，將晦澀難懂的理論知識轉(zhuǎn)化為易于接受的視覺體驗；同時，通過高度還原真實工作場景的模擬訓練，學生的實踐能力和創(chuàng)新能力得到了顯著提升，為他們將來適應職場需求、解決實際問題奠定了堅實的基礎。

二、數(shù)字孿生技術(shù)定義及應用

數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin，DT）是一種通過創(chuàng)建物理實體的虛擬副本，實現(xiàn)對其實時監(jiān)控、分析和控制的技術(shù)。這種技術(shù)的核心在于將物理世界與數(shù)字世界無縫連接，通過實時監(jiān)控和優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率，減少資源浪費[3]。

數(shù)字孿生技術(shù)最初在制造業(yè)中被提出，而后逐漸擴展到航空航天、智慧城市、醫(yī)療保健、教育等[4]領域。數(shù)字孿生技術(shù)作為智能制造的關鍵支撐技術(shù)之一，其在食品工業(yè)中的應用逐漸深入。數(shù)字孿生技術(shù)通過創(chuàng)建物理實體的數(shù)字表示，并整合實時和現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)，為食品工業(yè)提供了一種應對挑戰(zhàn)的有力工具。這些挑戰(zhàn)包括滿足不斷增長的人口需求、減少食品損失和浪費以及提高生產(chǎn)系統(tǒng)的效率。

三、食品智能制造實訓教學模式的現(xiàn)狀

（一）教學資源有限

當前食品智能制造實訓課程面臨教學資源不足的問題，難以滿足大規(guī)模教學需求。食品智能制造涉及到復雜的技術(shù)和工藝，需要豐富的教學軟件來模擬實際生產(chǎn)過程，幫助學生更好地理解和掌握知識。然而，目前市場上專門針對食品智能制造的教學軟件相對較少，且質(zhì)量參差不齊，難以滿足教學需求[5]。

（二）教學內(nèi)容與實際生產(chǎn)脫節(jié)

食品智能制造實訓課程面臨的另一個顯著問題是教學內(nèi)容與實際生產(chǎn)活動之間的脫節(jié)。在教學實踐中，教師們常常過分強調(diào)理論知識的傳授，卻未能充分將理論與實際生產(chǎn)操作緊密結(jié)合，導致教學內(nèi)容與實際操作需求之間存在明顯的差距。這種做法往往使得學生難以將所學的理論知識有效地轉(zhuǎn)化為實際操作能力[6]。此外，食品智能制造技術(shù)日新月異，實際生產(chǎn)工藝與技術(shù)持續(xù)演進，但教學內(nèi)容更新滯后，致使學生所學與實際需求脫節(jié)。

（三）教學方法單一

目前，食品智能制造實訓課程的教學方法較為單一，缺乏互動性和實踐性。在教學過程中，教師傾向于使用傳統(tǒng)的灌輸式教學，學生處于被動接受知識的狀態(tài)，缺乏主動思考與參與互動的機會[7]。例如，在講解分析食品企業(yè)的智能制造情況時，教師可能只是通過演示的方式進行教學，學生沒有實際操作的機會，難以真正掌握設備的操作技能[8]。此外，教學方法的單一還體現(xiàn)在考核方式的單一上。目前，食品智能制造實訓課程的考核方式主要以實訓報告為主，缺乏對學生實踐能力和創(chuàng)新能力的考核，難以全面評價學生的學習效果[9]。

四、數(shù)字孿生技術(shù)在食品智能制造實訓教學中的應用優(yōu)勢

（一）解決設備不足、成本高昂的問題

在智能制造類專業(yè)的實訓教學中，由于真實物理設備數(shù)量有限且占地面積大，傳統(tǒng)的教學模式往往難以滿足教學需求。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以構(gòu)建虛擬的生產(chǎn)線和設備，使學生能夠在沒有實際設備的情況下進行操作和學習，從而提高教學效率并降低實訓成本[10]。

（二）提升學生的動手能力和創(chuàng)新意識

通過虛擬仿真平臺，學生可以進行各種創(chuàng)新型實驗活動，培養(yǎng)其分析調(diào)試和設計的能力。例如，在工業(yè)機器人實訓教學中，利用數(shù)字孿生技術(shù)輔助教學，學生可以更容易掌握理論知識和操作技能，并在一定程度上彌補了實訓設備數(shù)量不足的問題[11]。

（三）支持遠程教育和開放教育

在開放教育和遠程教育中，由于硬件資源短缺和師資力量薄弱，傳統(tǒng)的實訓教學難以開展。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以搭建虛擬的實訓平臺，使學生可以在任何地點進行實操訓練，解決了遠程教育中的實訓難題[12]。

（四）推動校企合作和產(chǎn)教融合

通過校企合作，可以共同開發(fā)基于數(shù)字孿生的實訓平臺和課程資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、知識和技術(shù)的共享。這種合作模式不僅提高了教學質(zhì)量和學生的實踐能力，還促進了教育鏈、人才鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的有機銜接[13]。

（五）提高教學安全性和效率

數(shù)字孿生技術(shù)通過虛擬仿真與物理操作相結(jié)合的教學模式，能夠有效避免真實演示教學中的安全隱患，并提高教學的安全性和效率。例如，通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的智能制造數(shù)字孿生實驗教學平臺，實現(xiàn)了智能制造實驗教學的安全、高效和經(jīng)濟運行[14]。

五、數(shù)字孿生技術(shù)在虛實結(jié)合教學模式中的應用設計

（一）構(gòu)建融合數(shù)字孿生的虛擬與現(xiàn)實交互教學平臺

借助數(shù)字孿生強大的技術(shù)能力，精心打造一個虛擬與現(xiàn)實深度交織的食品智能制造教學平臺。在這個平臺中，利用數(shù)字孿生技術(shù)精確復現(xiàn)食品智能制造生產(chǎn)線的每一個細節(jié)，從原材料的輸入端口，到復雜的加工環(huán)節(jié)，再到最終產(chǎn)品的輸出，都能以高保真的虛擬形式呈現(xiàn)[15]。每一臺設備、每一個傳感器、每一道工藝流程，都擁有其對應的數(shù)字孿生模型。學生可以自由地在這個虛擬平臺上進行模擬操作，宛如置身于真實的生產(chǎn)環(huán)境。他們可以啟動生產(chǎn)線、調(diào)整設備參數(shù)，觀察不同參數(shù)設置下的生產(chǎn)狀態(tài)變化，并通過對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行分析，深入理解食品智能制造的原理和邏輯，挖掘數(shù)據(jù)背后隱藏的生產(chǎn)規(guī)律和潛在問題[16]。

（二）開發(fā)基于數(shù)字孿生案例的深度學習模塊

基于數(shù)字孿生所構(gòu)建的虛擬環(huán)境，設計一系列與實際食品生產(chǎn)緊密相關且極具代表性的案例。這些案例均取材于數(shù)字孿生模型所模擬的真實生產(chǎn)場景，涵蓋了從常見生產(chǎn)問題到復雜突發(fā)狀況的各種情形。例如，模擬在食品加工過程中，因設備故障導致的產(chǎn)品質(zhì)量波動問題，或因原材料供應不穩(wěn)定引發(fā)的生產(chǎn)效率降低問題。學生在面對這些案例時，需要深入數(shù)字孿生案例場景中，運用所學的知識和技能，對問題進行全面剖析，嘗試不同的解決方案，并通過觀察數(shù)字孿生模型的反饋結(jié)果，驗證方案的有效性[17]。通過這種方式，學生在解決實際問題的過程中，不僅能夠加深對理論知識的理解，更能將知識靈活應用于實際操作，培養(yǎng)解決復雜問題的能力。

（三）深化基于數(shù)字孿生的校企合作模式

積極強化與企業(yè)的緊密合作，充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)在教學內(nèi)容更新中的關鍵作用。與食品制造企業(yè)建立長期穩(wěn)定的合作關系，企業(yè)利用其在實際生產(chǎn)中的豐富經(jīng)驗和前沿技術(shù)，為教學內(nèi)容和案例的更新提供一手資料。借助數(shù)字孿生技術(shù)，將企業(yè)提供的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、最新工藝、常見問題等信息融入到教學平臺的虛擬模型和案例中。例如，企業(yè)在實際生產(chǎn)中對某食品包裝環(huán)節(jié)進行了智能化升級，學?？赏ㄟ^數(shù)字孿生技術(shù)將這一升級過程和相關數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為教學案例，讓學生學習最新的包裝技術(shù)和自動化控制策略[18]。通過這種定期的、基于數(shù)字孿生的教學內(nèi)容更新機制，確保教學內(nèi)容與食品智能制造行業(yè)的發(fā)展緊密同步，時刻保持時效性和實用性，使學生所學知識與企業(yè)實際需求無縫對接。

六、總結(jié)

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)在食品智能制造實訓課程中的運用具有重大實際意義。它通過融合虛擬與實體教學，不僅能夠有效提升教學的效率與質(zhì)量，還能增強學生的實踐技能和創(chuàng)新思維能力。未來，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其在食品智能制造實訓課程中的應用將更加廣泛和深入，為食品智能制造領域的教育提供新的視角和方法。

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