數(shù)字工匠“學(xué)—做—創(chuàng)”教學(xué)模式構(gòu)建與實踐
——以自動化生產(chǎn)線課程教學(xué)為例

曾潔瓊 熊學(xué)慧

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東·廣州 510510）

0 引言

在“工業(yè)4.0”時代的背景下，隨著《中國制造2025》提出，國家進(jìn)入智能制造的建設(shè)階段，致力打造創(chuàng)新型國家。智能制造使用得傳統(tǒng)行業(yè)中生產(chǎn)、銷售、服務(wù)等的界限逐漸淡化消失，將打造一個集生產(chǎn)、銷售、服務(wù)于一體的靈活性好、個性化強(qiáng)的數(shù)字化產(chǎn)品與服務(wù)的智能制造模式，智能制造也將由集中式控制式轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹娇刂频哪Ｊ絒1]。數(shù)字孿生技術(shù)，也稱為數(shù)字雙胞胎（Digital Twin），能在現(xiàn)實物理系統(tǒng)(Physical Systems)向虛擬網(wǎng)絡(luò)空間（Cyber Space）數(shù)字化模型反饋的過程中，實現(xiàn)各類仿真分析、數(shù)據(jù)積累、人工智能與現(xiàn)實物理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流與反饋。從制造業(yè)方面來講，人們可以通過生產(chǎn)設(shè)備的虛擬實體清楚地觀測所制造的產(chǎn)品在當(dāng)前階段所處的狀態(tài),并通過虛擬實體對物理實體進(jìn)行實時智能控制，進(jìn)一步實現(xiàn)物理實體和虛擬實體之間的控制與反饋[2]。數(shù)字孿生技術(shù)除了提高智能制造工廠生產(chǎn)的靈活度之處，還解決了個性化、品種復(fù)雜、小批量的工廠的生產(chǎn)模式，保證了生產(chǎn)的整個工藝流程更加透明。數(shù)字化的仿真建模，并進(jìn)行與電氣控制設(shè)備的動作仿真調(diào)試，節(jié)約了實體設(shè)備反復(fù)生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化的時間，加進(jìn)生產(chǎn)進(jìn)度，控制產(chǎn)品質(zhì)量的質(zhì)量，滿足了市場需求，在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在傳統(tǒng)制造類企業(yè)向數(shù)字化智能制造轉(zhuǎn)型升級的過程中起到關(guān)鍵的作用[3]。這對高職院校制造類人才培養(yǎng)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文將數(shù)字孿生技術(shù)融入到自動化生產(chǎn)線課程內(nèi)容中，在教學(xué)內(nèi)容中融入機(jī)械3D建模、機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計、虛擬仿真調(diào)試等數(shù)字化技能，引導(dǎo)學(xué)生自主開發(fā)自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計能力。

1 數(shù)字化能力培養(yǎng)的背景

1.1 智能制造對數(shù)字化人才的需要

在全球工業(yè)文明由傳統(tǒng)的制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)變的過程中，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)成為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的制造業(yè)急需向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級[4]，因此，培養(yǎng)具有數(shù)字化創(chuàng)新能力人才成為數(shù)字化時代的需求。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算、3D打印等數(shù)字化技術(shù)的綜合應(yīng)用，對學(xué)生的數(shù)字化、交叉學(xué)科綜合應(yīng)用的能力提出了挑戰(zhàn)[5]。因此，培養(yǎng)具備數(shù)字化創(chuàng)新能力的畢業(yè)生，以適合數(shù)字化時代的要求，成為高職院校教學(xué)改革的目標(biāo)。這就需要將數(shù)字化技術(shù)融入教學(xué)內(nèi)容中，建立“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，使用任務(wù)驅(qū)動、分層教學(xué)等新的教育教學(xué)方法，使用信息化手段進(jìn)行教學(xué)管理，開發(fā)數(shù)字化教學(xué)資源，構(gòu)建以培養(yǎng)具備數(shù)字化創(chuàng)新能力人才為培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)體系，培養(yǎng)企業(yè)所需要的數(shù)字化人才。

1.2 提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的需要

數(shù)字化時代對人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)，如何培養(yǎng)具備數(shù)字化能力，符合企業(yè)需求的人才，是擺在職業(yè)院校教師面前需要解決的問題[6]。研究解決如何將數(shù)字孿生技術(shù)融入現(xiàn)有課程中，哪些課程可以融入，怎么融入問題。通過對現(xiàn)有課程體系的分析，發(fā)現(xiàn)電氣自動化專業(yè)、機(jī)電一體化專業(yè)課程體系對數(shù)字化技術(shù)的融入不深，與數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)相關(guān)的課程僅有機(jī)械制圖、PLC技術(shù)(Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器，PLC)兩門課程相關(guān)，而數(shù)字化技術(shù)要求的機(jī)械3 D建模技術(shù)，機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計（Mechatronics Concept Designer，MCD）技術(shù)等技術(shù)都沒有開設(shè)相關(guān)的課程。實際教學(xué)中，三維數(shù)字化設(shè)計所需要的CAD、MCD的教學(xué)內(nèi)容，這些技能如何在一個實際的項目中集成應(yīng)用成為課程教學(xué)一部分成為教學(xué)內(nèi)容改革的難點。自動化生產(chǎn)線課程作為一門專業(yè)核心課程，整合機(jī)械設(shè)計、電氣控制、液壓與氣動控制、傳感器、工業(yè)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)為一體，在自動化生產(chǎn)線課程中融入3D數(shù)字化能力，能夠全方位的融入數(shù)字化元素，有效培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化技能，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1.3 實驗教學(xué)平臺建設(shè)的需要

隨著科技的發(fā)展，智能化程度加深，設(shè)備的更新?lián)Q代越來越快，學(xué)校的實驗室建設(shè)經(jīng)費難以適應(yīng)社會對人才的技能快速更新的需求。加之智能制造的實驗設(shè)備具有投資大，更新快的特點，因此，對實驗室原有的設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造升級成為當(dāng)今學(xué)校的選擇。通過“學(xué)—做—創(chuàng)”模式培養(yǎng)具備數(shù)字化能力的學(xué)生，使用數(shù)字孿生技術(shù)對實驗室設(shè)備開發(fā)數(shù)字雙胞胎產(chǎn)品，開發(fā)虛擬仿真實驗平臺，在培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化創(chuàng)新能力的同時，為實驗室的數(shù)字化升級改造提供了思路。

2 數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

本文通過一個項目的實踐過程將數(shù)字化技能整合到自動化生產(chǎn)線課程中，通過自動化生產(chǎn)線實驗設(shè)備的數(shù)字雙胞胎虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)，完整實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)與自動化生產(chǎn)線課程內(nèi)容有機(jī)融合。具體整合方法如下：①機(jī)械測繪與3D建模技術(shù)的整合，該方法將自動化生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行機(jī)械測繪并使用UG NX軟件進(jìn)行3D建模，完成設(shè)備的3D模型開發(fā)。②機(jī)械傳動技術(shù)與數(shù)字化開發(fā)軟件平臺MCD（Mechatronics Concept Designer，機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計）的整合，如機(jī)械傳動技術(shù)中固定副、滑動副、鉸鏈副、齒輪副、柱面副、螺旋副與球副及其約束條件在MCD中如何設(shè)定，從而讓學(xué)生更深入了解各種運(yùn)動副和自由度概念。③傳感檢測技術(shù)與 MCD傳感器和執(zhí)行器設(shè)定整合，該方法通過MCD中傳感器與執(zhí)行器的設(shè)置實現(xiàn)虛擬仿真的傳感器與物理對象的映射，使其具有物理對象的功能。④可編程控制技術(shù)與MCD的虛擬仿真調(diào)試技術(shù)的整合，對MCD與博途V15.1進(jìn)行通信設(shè)置后，兩個軟件進(jìn)行信號配置，將程序下載到UG NX仿真平臺，進(jìn)行虛擬調(diào)試，實現(xiàn)虛擬仿真程序調(diào)試。⑤工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)界面技術(shù)與數(shù)字化虛實聯(lián)調(diào)技術(shù)的整合，該方法在完成OPCUA通信技術(shù)設(shè)置后，對PLC與MCD虛擬平臺、實體設(shè)備、觸摸屏進(jìn)行虛實通信設(shè)置和虛實聯(lián)調(diào)，學(xué)習(xí)工業(yè)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與虛擬仿真調(diào)試技術(shù)。

通過對自動化生產(chǎn)線實驗室設(shè)備的數(shù)字化改造項目與自動化生產(chǎn)線課程內(nèi)容的有機(jī)整合，為數(shù)字化技術(shù)在自動化生產(chǎn)線課程的融合提供了解決方案。

3 “做—學(xué)—創(chuàng)”教學(xué)模式開發(fā)

通過利用恰當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)方法講授一個個形象的案例，能夠有效地激發(fā)學(xué)生興趣，提高課堂活躍度。按照數(shù)字化產(chǎn)品的開發(fā)流程，將數(shù)字孿生技術(shù)融入到自動化生產(chǎn)線的教學(xué)內(nèi)容中，將整合的課程內(nèi)容細(xì)化分簡單的小任務(wù)，再根據(jù)任務(wù)的復(fù)雜程度，分為難度不同的數(shù)字化產(chǎn)品項目，循序漸進(jìn)的引導(dǎo)學(xué)生完成自動化生產(chǎn)線設(shè)備的虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)。課程中的教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)、中等和綜合三種任務(wù)，學(xué)生根據(jù)自身的情況至少要完成簡單的任務(wù)，挑戰(zhàn)復(fù)雜的任務(wù)，教師根據(jù)學(xué)生的完成情況和表現(xiàn)給出評價并引導(dǎo)學(xué)生完成適合自身情況的個性化任務(wù)。教學(xué)過程以“學(xué)—做—創(chuàng)”的教學(xué)方式進(jìn)行，“學(xué)”指的是學(xué)生通過教師線上發(fā)布的學(xué)習(xí)資料，線上的實操講解，學(xué)習(xí)新知識；“做”指的是完成教師分發(fā)的任務(wù)，通過完成不同等級的三種任務(wù)，在實踐中掌握新技能；“創(chuàng)”指的是開發(fā)新項目，主要是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗室設(shè)備的數(shù)字化改造，以智能制造類的實驗室的設(shè)備為依托，引導(dǎo)完成開發(fā)數(shù)字孿生虛擬仿真設(shè)備。建立數(shù)字化改造師生團(tuán)隊，讓有興趣的優(yōu)秀學(xué)生加入這個團(tuán)隊，承接企業(yè)委托項目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，形成任務(wù)驅(qū)動，理實合一，“學(xué)—做—創(chuàng)”三位一體，教學(xué)研深度融合的教學(xué)模式[7]，參考陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院“學(xué)做創(chuàng)”實訓(xùn)教學(xué)體系，提出自動化生產(chǎn)線融入數(shù)字化技術(shù)的教學(xué)模式如圖1所示。

圖1：“學(xué)—做—創(chuàng)”教學(xué)模式

4 學(xué)—做—創(chuàng)教學(xué)模式的實踐

4.1 在行政班課程教學(xué)中的實踐

將數(shù)字孿生技術(shù)融入自動化生產(chǎn)線課程教學(xué)中，建立“學(xué)—做—創(chuàng)”數(shù)字化項目庫，將項目分類為簡單、一般、復(fù)雜三個層次的任務(wù)，根據(jù)學(xué)生的具體情況進(jìn)行分組，對學(xué)生進(jìn)行分層教學(xué)。每個任務(wù)以掌握開發(fā)數(shù)字化智能產(chǎn)線必須掌握的基本技術(shù)為基礎(chǔ)，拓展補(bǔ)充完整相關(guān)知識技能，編寫成活頁式教材，在線上教學(xué)平臺發(fā)布講義課件、學(xué)習(xí)指南、微課視頻等教學(xué)資源，滿足學(xué)生的自主學(xué)習(xí)需求，實現(xiàn)混合式教學(xué)。學(xué)生基本上能夠掌握數(shù)字化智能產(chǎn)線的基本技能，同時，通過任務(wù)驅(qū)動，分層教學(xué)，讓優(yōu)秀的學(xué)生深入學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自主開發(fā)的創(chuàng)新能力。

4.2 在卓越人才培養(yǎng)班的教學(xué)實踐

廣東工貿(mào)職業(yè)學(xué)院作為高水平高職院校，在卓越人才培養(yǎng)計劃背景下，我校通過開展各種類型的卓越人才培養(yǎng)班的形式培養(yǎng)優(yōu)秀的技能型人才。數(shù)字孿生虛擬仿真調(diào)試技術(shù)作為廣東省職業(yè)院校大學(xué)生技能競賽的新賽項，我校組織教學(xué)團(tuán)隊開展設(shè)數(shù)字孿生與虛擬仿真調(diào)試技術(shù)卓越人才培養(yǎng)班，此培養(yǎng)班的師資團(tuán)隊由技能競賽指導(dǎo)老師、數(shù)字化科研教師、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)老師組成，以學(xué)生自愿報名和教師推薦的方式，經(jīng)過專業(yè)能力的考核選拔出優(yōu)秀的學(xué)生，進(jìn)行數(shù)字化創(chuàng)新能力的學(xué)習(xí)。通過引導(dǎo)學(xué)生做競賽項目、學(xué)校項目庫中的老項目來訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)字化能力。通過參與學(xué)校的相關(guān)科研項目、校企合作項目等方式培養(yǎng)學(xué)生的研發(fā)技能。學(xué)生通過“學(xué)知識、練技能、做項目、創(chuàng)新品”的“學(xué)—做—創(chuàng)”模式，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化創(chuàng)新能力，全面提升學(xué)生的綜合能力，以切實提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文通過將數(shù)字孿生技術(shù)融入自動化生產(chǎn)線課堂教學(xué)中，以自動化生產(chǎn)線虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)項目為驅(qū)動，提出了數(shù)字化創(chuàng)新能力與自動化生產(chǎn)線教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，構(gòu)建了數(shù)字工匠“學(xué)—做—創(chuàng)”教學(xué)模式，并用于自動化生產(chǎn)線課程的行政班級與卓越人才培養(yǎng)班的教學(xué)實踐中。實踐結(jié)果表明，數(shù)字工匠“學(xué)—做—創(chuàng)”教學(xué)模式培養(yǎng)了“數(shù)字孿生技術(shù)與仿真調(diào)試”賽項的優(yōu)秀選手，完成了實驗室的多項設(shè)備的數(shù)字化改造并申報多項專利，打造了一支具備數(shù)字化創(chuàng)新能力的教科研師生團(tuán)隊，為學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃提供了實踐平臺。