智能制造虛擬仿真實驗教學體系的構建
——基于“三維教評、思專融合”模式

孫平平 李龍剛 王桂杰

（濰坊科技學院，山東 濰坊 262700）

0 引言

當前，我國制造業正處于由“制造”向“智造”轉型升級的關鍵時期，地方經濟對智能制造人才的需求日益強烈，智能制造人才的短缺使得招生規模不斷擴大，而高校要想培養能適應地方發展需要的智能制造人才，就需要瞄準科技前沿，不斷創新、擴大實驗設備，建立與企業發展相匹配的實驗室，這樣勢必加大教育投資。

針對此問題，教育部印發了關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知，要求積極投身信息技術與教育教學深度融合的教學改革，針對實物實驗安全性差、難以實現、成本高昂、時空限制等方面原因不便開展的實驗教學任務，開展虛擬仿真實驗教學的研究。

虛擬仿真實驗是參考真實實驗的操作平臺，利用各種VR技術制作與真實實驗相同的操作場景，在計算機上實現操作。學生操作時完全按照真實的實驗操作規范進行，只不過從真實場景換成了虛擬現實場景。相較于傳統的實驗，虛擬仿真實驗的沉浸式、交互式體驗更能激發學生的感官，提高學生的學習主動性。

鑒于該優勢，高校中各類虛擬仿真實驗教學中心應運而生，筆者所在學校也建設了不少虛擬仿真實驗平臺。但是因智能制造是新興學科，與之相關的虛擬仿真實驗較少，且現有的少數幾個虛擬仿真實驗教學效果差，究其原因，是沒有一個科學、有序、合理的虛擬仿真實驗教學體系規劃、指導，虛擬仿真實驗教學雜亂無章。本論文將按照專業知識結構、學生認知規律構建一個循序漸進的虛擬仿真實驗教學體系，旨在指導智能制造學科需建設哪些虛擬仿真實驗室，專業課程需按照什么順序進行虛擬實驗教學，專業課教師怎樣進行虛擬仿真實驗教學，才能實現實驗教學目標，達成良好的教學效果。

1 虛擬仿真實驗教學存在的問題

（1）沒有建立一個基礎先行、能力后進的智能制造虛擬仿真實驗體系，也沒有將企業需求及創新創業思維納入該體系中，實驗內容與企業標準不對接，從而培養出的智能制造人才與社會需求的人才相脫節。

（2）應用型本科院校學生普遍存在政治認同、文化自信、社會責任等觀念淡薄問題。同時，教師授課時沒有牢固樹立專業實驗與價值引領同頻共振的教學理念，實驗教學中注重育“才”重“器”，少有考慮育“人”育“德”。

（3）過程管理及評價反饋機制不夠健全，在現有的智能制造虛擬仿真實驗教學中，沒有制訂教師主導，學校、企業參與的三維評價機制，過程管理及考核評價形式單一，僅僅是任課教師進行終結性評價，不能很好地反饋學生是否掌握了該專業所需的技能、是否能實現畢業即就業的無縫對接。

因此，基于“三維教評、思專融合”的模式，構建智能制造虛擬仿真實驗教學體系具有重要的理論和現實意義。

2 智能制造虛擬仿真實驗教學

2.1 構建三維的智能制造虛擬仿真實驗教學體系

在構建該體系時，針對當前教學體系存在的問題，始終將企業需求和創新思維導入其中，實現課程設置與產業需求、課程內容與企業標準、實驗過程與生產過程的無縫對接。并在實驗的實施過程中打破原先的任課教師終結性評價，建立教師主導、學校、企業參與的三維形成性評價機制，加快智能制造技能型人才的培養。

按照應用型本科院校高素質技能型人才培養目標，根據企業崗位需求，秉承理論知識結構、實踐操作水平、項目運作能力的循序原則，智能制造虛擬仿真實驗教學體系主要包括基礎型、綜合型實驗和應用創新型實驗三個維度，從而進行三維實驗教學。

在基礎型實驗中，利用虛擬仿真技術實現原理的直觀呈現，提高智能制造專業課程的直觀性和可視化，加深學生理解；在綜合型實驗中，依據來自企業的生產線，借助企業真實的工作崗位構建各類仿真平臺，進行虛實結合、高還原性的實驗項目；在設計創新型實驗中，學校與各企業協同，開發動手能力強、學科交叉融合度高的工程項目和創新比賽，使學生獲得良好的工程訓練，能夠勝任智能制造系統分析、調試、運維和操作，為學生創新能力的培養提供良好的契機。從基礎型到綜合型再到應用創新型，培養目標呈三維推進實現，循序推動智能制造技能教育融入人才培養的全過程。

2.1.1 第一維度

第一維度屬于基礎型實驗，涵蓋工程圖學、力學、機械原理及設計、電工與電子技術、液壓與氣壓傳動、材料熱處理、計算機圖學、電氣控制與PLC、Python等多門課程?；A型實驗通過可視化直觀的虛擬仿真實驗，讓學生能體驗到真實的過程動作、復雜的工作原理，加深學生對基礎理論知識的理解。

2.1.2 第二維度

第二維度屬于綜合型實驗，是專業知識的拓寬與延伸。涵蓋數控機床、增材制造、機器視覺技術與應用、人工智能基礎與應用、智能生產線集成系統、虛擬樣機技術、單片機及嵌入式系統與應用、機器學習實戰及應用、工程測量與控制技術等多門課程。綜合型實驗參考企業崗位，發揮虛擬仿真與分析、設計等功能，彌補專業實驗實物不足，提高學生的綜合設計能力和創新意識。

2.1.3 第三維度

第三維度屬于應用創新型實驗，該維度主要對高年級學生適用，學生在導師的輔導下，依托學校、校企協同籌建的實驗設備，根據企業需求，運用第一、二層次所掌握的虛擬仿真實驗的知識，進行虛實結合、多人協作的綜合虛擬仿真項目的設計、訓練。結合工程訓練和課外教學競賽、專業社團、創新創業訓練等，加強學生對前沿成果的深入理解，提高學生的工程實踐能力，實現應用型本科院校智能制造人才的培養要求。

2.2 思政融入專業實驗，完善智能制造虛擬仿真實驗教學內容

堅持“教”“育”結合、“德”“能”兼修，把立德樹人融入虛擬仿真實驗的三維體系中，促進課程思政與專業虛擬仿真實驗的有效融合，促使思想政治教育對高素質人才的迅速滲透。傳承勞模精神和工匠精神，給學生樹立勞動光榮的社會風尚和精益求精的敬業風氣。

思政教育融入專業虛擬仿真實驗中，第一、二維度的實驗分別在課前、課中及課后設立思政元素。課前通過學習平臺的微課植入勞模、大國工匠的事跡，以此震撼學生的心靈；課中利用教師演繹、教學內容穿插、場景演播、事件再現等方式感化學生，讓學生切實體會思政元素的折射點，比如在數控虛擬仿真教學時，穿插本行業領頭人物何小虎是怎樣不怕失敗、在一次次的枯燥訓練中磨礪技能、提升技藝，從而完成了火箭零件的高精度加工的故事，讓學生放低姿態、端正態度、一絲不茍的反復訓練，提高工件的精度要求；課后讓學生根據所見所聞的企業精神和企業文化，去制定自己實驗團隊的文化，使思政元素滲透性更強。

第三維度的實驗中因為牽涉到工程實際，實驗內容深且涉及面寬，所以根據其特點讓學生合理安排分工、協作完成實驗項目，學生在實驗中親自感受團結協作與孤軍奮戰的差別，用實例教育學生勝過千言萬語。同時在虛擬仿真實驗中可以反復操作，循環加工，一方面使得產品精益求精，另一方面熟能生巧，學生熟練后才能尋求創新思路，開拓創新方法。

2.3 線上線下融合，創新虛擬仿真實驗教學模式

疫情下，囿于居家教學情勢，大多數教學通過移動設備，從互聯網上進行信息交流。這一系列的變化，促進了線上教學模式的發展。本項目構建的智能制造虛擬仿真實驗教學體系包括基礎型、綜合型和應用創新型三個維度，每個維度涵蓋不同的實驗，項目擬結合實驗的性質分門別類實施線上線下教學，重點實行基于問題、基于案例的互動式、研討式教學，倡導自主式、合作式、探究式學習。制訂詳細的線上線下教學計劃，同時借助線上教學平臺實施行之有效的過程性評價機制，以適應當前的教育應急管理體系。

線上虛擬仿真實驗分兩類：一是實驗課程，涵蓋基礎實驗、專業實驗；二是學科前沿實驗課程，涵蓋一個專業或相關專業的前沿領域實驗。線下為綜合及創新創業訓練實驗，同時借助線上平臺實施行之有效的過程性管理機制。設計契合智能制造產業發展的要求。

2.4 探索三維評價的過程管理及考核評價反饋機制

對智能制造虛擬仿真實驗制定一套能有效評價學生實驗效果的過程管理及評價反饋機制。教師將過程管理貫穿于虛擬仿真實驗的每一階段，針對過程管理中的問題及時反饋并制定實驗效果的形成性評價指標，取代傳統的終結性評價指標，同時學校根據人才培養目標參與學生的實驗考核，企業依據生產線的真實績效考核學生，把作業變產品、績效變學分。從而形成教師為主，學校、企業為輔的三維評價反饋機制。

教師、學校及企業按照一定比例對學生進行三維評價，并將結果反饋到相應實驗教學中，促進教學質量的提高，優化智能制造虛擬仿真實驗教學體系。

3 結語

虛擬仿真實驗不僅使得不可能的實驗成為可能，而且可以在反復操作的情況下不損壞機器、沒有大量耗材，節約教學經費，正好補齊了智能制造實驗教學的短板，契合智能制造實驗教學發展的需求，所以智能制造虛擬仿真實驗成為時代所需，但是目前所運行的智能制造虛擬仿真實驗雜亂無章、沒有按照知識的循序漸進原則，且沒有按照基礎先行，能力后進的學習規律，使得實驗教學效果甚微。本論文所制定的智能制造虛擬仿真實驗教學體系打破了傳統的實驗教學體系，將體系中的實驗進行重組、納新，形成基礎型、綜合型、應用創新型這種層次遞進式的三維的實驗教學體系，助推基礎知識與能力培養深度融合。同時在實驗的實施過程中，將過程管理融入實驗階段，教師、學校與企業協同完成形成性評價，構建一套三維的過程性評價反饋機制，切實提高智能制造人才培養的針對性、適應性、時效性。

將虛擬仿真實驗有機融入家國情懷、工匠精神等思政元素，實現“思專融合”，從而樹立正確的人生觀、價值觀及世界觀，落實立德樹人的根本任務。