依托虛擬仿真技術(shù),打造中職智能制造專業(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地探索與實(shí)踐

文/廣州市番禺區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校 陳崇軍 楊 斌 馬定中

制造業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)命脈的主體,是立國之本、強(qiáng)國之基。黨中央高瞻遠(yuǎn)矚提出“中國制造2025”、《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等加快建設(shè)制造強(qiáng)國的重大戰(zhàn)略。新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展并加速向制造業(yè)全鏈條、全流程滲透融合,催生了智能制造這種全新的生產(chǎn)方式,智能制造已成為推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主攻方向,產(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整對高素質(zhì)制造業(yè)技術(shù)技能人才的需求巨大。虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、人工智能、5G技術(shù)等新一代信息技術(shù)日趨成熟,新一代信息技術(shù)應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一次飛躍。虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用正以豐富的形式迅猛發(fā)展,先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)手段,是傳統(tǒng)“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式的升級,促進(jìn)了教育方式的創(chuàng)新和教學(xué)方法的變革,促進(jìn)了虛擬仿真硬件環(huán)境、虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè),為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)提供了支撐。2020年教育部《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真基地建設(shè)工作的通知》為我校智能制造專業(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)提供明確指引。本文通過探討依托虛擬仿真技術(shù),為打造中職智能制造專業(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地,更好培養(yǎng)制造業(yè)復(fù)合型技術(shù)技能人才提供參考。

一、中職智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

在“智能+制造”、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的背景下,制造業(yè)企業(yè)的崗位職業(yè)能力呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢。高端裝備制造,特別是汽車制造、數(shù)控機(jī)床制造是制造技術(shù)創(chuàng)新、管理模式創(chuàng)新和組織方式創(chuàng)新的先進(jìn)制造技術(shù)和應(yīng)用模式的結(jié)合體。新技術(shù)的交叉與融合會越來越明顯,新一輪技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革命的方向不會僅僅依賴于一兩類學(xué)科或某種單一技術(shù),而是多學(xué)科、多技術(shù)領(lǐng)域的高度交叉和深度融合。現(xiàn)中職智能制造專業(yè)群雖然配備了相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)基地,但是由于條件所限,目前的實(shí)訓(xùn)基地對于先進(jìn)制造業(yè)相關(guān)專業(yè)群建設(shè)來說無法切實(shí)地滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求,存在著各種各樣的問題。例如,高端數(shù)控機(jī)床、智能制造生產(chǎn)線等實(shí)訓(xùn)設(shè)備貴重、復(fù)雜,不能拆裝,設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)看不到、工作原理難展示,不利于學(xué)生理解設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理;同時學(xué)生多,實(shí)訓(xùn)設(shè)備少,實(shí)訓(xùn)工位不足,實(shí)訓(xùn)時間少,實(shí)訓(xùn)練習(xí)效率低;實(shí)訓(xùn)耗材消耗高,數(shù)控加工等實(shí)訓(xùn)消耗成本高,往往用塑料件、石蠟件代替金屬件,脫離生產(chǎn)實(shí)際,同時,復(fù)雜的加工由于成本等因素不允許做;設(shè)備操作所使用的實(shí)訓(xùn)設(shè)備型號固定,操作系統(tǒng)單一,學(xué)生不能充分練習(xí)、學(xué)習(xí)各類機(jī)床和系統(tǒng),無法適應(yīng)企業(yè)多樣化操作系統(tǒng);實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源匱乏,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高,課后無法回顧、復(fù)習(xí)和練習(xí)。同時,由于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等設(shè)備操作存在一定的風(fēng)險,初學(xué)者會產(chǎn)生畏懼,實(shí)訓(xùn)教學(xué)操作少,不利于制造業(yè)復(fù)合型技術(shù)技能人才的培養(yǎng)。

二、中職智能制造專業(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的可行性

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、混合現(xiàn)實(shí)(MR)、人工智能、云計(jì)算和5G等新一代信息技術(shù)日趨成熟,新一代信息技術(shù)應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一次飛躍。虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用正以豐富的形式迅猛發(fā)展,先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)手段,是傳統(tǒng)“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式的升級,促進(jìn)了教育方式的創(chuàng)新和教學(xué)方法的變革,促進(jìn)了虛擬仿真硬件環(huán)境、虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè),為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)提供了支撐。通過建設(shè)智能制造專業(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地,能有效解決智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)設(shè)施不足、實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練不強(qiáng)、實(shí)訓(xùn)空間和時間限制、實(shí)訓(xùn)效率低等問題。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地可以通過先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)解決實(shí)訓(xùn)過程中高投入、高難度、高風(fēng)險、難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”問題,改造傳統(tǒng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)模式,打造集新理念、新工具、新技術(shù)為一體的技能人才培養(yǎng)模式,更好地培養(yǎng)先進(jìn)制造業(yè)復(fù)合型技術(shù)技能人才。

三、智能制造專業(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)思路與措施

(一)建設(shè)思路

專業(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)堅(jiān)持服務(wù)課程實(shí)施的原則,面向“新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)”持續(xù)推進(jìn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)信息化建設(shè)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源開放共享,推動專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。對接區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,瞄準(zhǔn)先進(jìn)制造業(yè)對應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈,按服務(wù)先進(jìn)制造業(yè),對接產(chǎn)業(yè)鏈職業(yè)崗位群,并兼顧專業(yè)學(xué)科共性的邏輯,圍繞復(fù)合型課程的實(shí)施,按職業(yè)崗位鏈對接實(shí)訓(xùn)基地鏈的思路,按“立體互通、領(lǐng)先實(shí)用”的標(biāo)準(zhǔn),校企合作共建開放共享,集實(shí)踐教學(xué)、社會培訓(xùn)、企業(yè)生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等功能 “虛實(shí)結(jié)合”的五位一體虛擬仿真實(shí)訓(xùn)場所。

(二)建設(shè)的策略與措施

1.整合資源優(yōu)勢,建設(shè)專業(yè)群通用能力虛擬仿真室

依托虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建專業(yè)群通用能力虛擬仿真室,實(shí)訓(xùn)室設(shè)有虛擬仿真體驗(yàn)參觀區(qū)、集中教學(xué)區(qū)和研發(fā)應(yīng)用區(qū),用于虛擬現(xiàn)實(shí)互動體驗(yàn)以及高水平教學(xué)及資源創(chuàng)作研發(fā)。實(shí)訓(xùn)室設(shè)置60個實(shí)訓(xùn)工位,配備高度仿真、沉浸感強(qiáng)的VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、虛擬設(shè)備(如 VR 一體機(jī)、VR 頭盔等)、桌面全息3D交互機(jī)、無編程VR快速開發(fā)平臺、計(jì)算機(jī)、LED立體大屏、桌椅和其他附屬設(shè)備組成。滿足智能制造專業(yè)群機(jī)械基礎(chǔ)、機(jī)械制圖與CAD等通用能力課程教學(xué),使教學(xué)內(nèi)容具有極強(qiáng)的包容感、真實(shí)感、沉浸感,能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及學(xué)習(xí)興趣,解決教學(xué)內(nèi)容難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的難題。

2.校企合作,建設(shè)專業(yè)核心課程虛擬仿真室

根據(jù)專業(yè)群內(nèi)各專業(yè)的特點(diǎn),結(jié)合專業(yè)核心課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的要求及實(shí)訓(xùn)設(shè)備現(xiàn)狀,圍繞 “VR+教學(xué)”模式,從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)、學(xué)生自學(xué)三個方面進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)。由中職學(xué)校主導(dǎo)、企業(yè)協(xié)同,在專業(yè)實(shí)操實(shí)訓(xùn)室中搭建以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合,融教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、培訓(xùn)、技術(shù)研發(fā)、競賽、科普等功能于一體的專業(yè)核心課程虛擬仿真室,有效解決實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中高投入、高損耗、高風(fēng)險,部分實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)備內(nèi)部看不見、工作原理搞不清等難題。每個專業(yè)核心課程虛擬仿真室設(shè)置30個實(shí)訓(xùn)工位,配套1套教師屏(121英寸VR黑板)、VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、虛擬設(shè)備、計(jì)算機(jī)、錄課攝像頭、學(xué)生桌椅和其他附屬設(shè)備組成。通過登錄VR云平臺,調(diào)用線上VR資源授課。滿足專業(yè)核心課程教學(xué)及實(shí)訓(xùn)的需要,服務(wù)學(xué)生“1+X”職業(yè)技能等級證書的考核。

3.建設(shè)智能制造+數(shù)字孿生綜合虛擬仿真室

隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級加速,中國制造將往自動化、智能化方向發(fā)展,為適應(yīng)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需要,專業(yè)群著手建設(shè)智能制造+數(shù)字孿生綜合虛擬仿真室,形成虛實(shí)產(chǎn)線一體化實(shí)訓(xùn),提高智能生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果,突破實(shí)體產(chǎn)線設(shè)備數(shù)量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)知、維護(hù)成本、安全等方面的限制。智能制造+數(shù)字孿生綜合虛擬仿真室建設(shè)包含以下內(nèi)容。

(1)搭建智能制造實(shí)體產(chǎn)線

智能制造實(shí)體產(chǎn)線主體由MES系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、6 軸機(jī)器人、1數(shù)控設(shè)備、立體倉(工件倉、刀具倉)、線邊倉、AGV小車等主要設(shè)備構(gòu)成,完全和企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)對接,實(shí)現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)。

(2)構(gòu)建智能制造數(shù)字孿生產(chǎn)線

根據(jù)建設(shè)的智能制造實(shí)體產(chǎn)線,構(gòu)建智能制造數(shù)字孿生產(chǎn)線,形成虛實(shí)產(chǎn)線一體化實(shí)訓(xùn),提高智能生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果,突破實(shí)體產(chǎn)線設(shè)備數(shù)量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)知、維護(hù)成本、安全等方面的限制。系統(tǒng)與智能制造工業(yè)智能產(chǎn)線1∶1對應(yīng),包含CNC設(shè)備、機(jī)器人、非標(biāo)專機(jī)設(shè)備、物料平臺等裝備的三維智能工序模型,支持PLC自動化工控程序與VR人相互實(shí)時干預(yù),實(shí)現(xiàn)人/硬件PLC/虛擬智能設(shè)備/虛擬智能產(chǎn)線/VR設(shè)備/硬件控制臺五路交互控制的實(shí)時計(jì)算,構(gòu)建五路輸入的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

(3)配套虛擬仿真系統(tǒng)

同時還在該實(shí)訓(xùn)室配套30工位相應(yīng)的虛擬仿真系統(tǒng),滿足智能制造模塊化實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué),例如:設(shè)備的安裝、調(diào)試仿真操作,工業(yè)機(jī)器人的仿真操作應(yīng)用,plc編程仿真,傳感技術(shù)仿真等。服務(wù)機(jī)械原理、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、模具制造等課程教學(xué)與實(shí)訓(xùn)。

4.搭建虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地共享云平臺

(1)依托先進(jìn)信息技術(shù),建設(shè)VR教學(xué)云平臺

建設(shè)一個滿足電腦、平板等多種應(yīng)用終端使用的VR教學(xué)云平臺,滿足單機(jī)的虛擬仿真軟件資源在互聯(lián)網(wǎng)上在線使用,尤其支持普通單機(jī)版VR軟件的在線使用,相比網(wǎng)頁版虛擬仿真資源,單機(jī)版VR資源云共享的方式,更穩(wěn)定、更安全。虛擬仿真云平臺具備先進(jìn)性、便捷性、安全性等特點(diǎn),同時還滿足開放資源、在線直播、仿真實(shí)驗(yàn)演示授課、教學(xué)視頻學(xué)習(xí)、典型實(shí)景材料等教學(xué)功能,還具備教學(xué)監(jiān)管功能。

(2)根據(jù)課程需要,開發(fā)配套虛擬仿真教學(xué)資源

面向高端裝備制造業(yè)人才培訓(xùn)需求,立足本校實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)際情況,開發(fā)本校制造類專業(yè)通用能力課程及專業(yè)核心課程、生產(chǎn)線的VR孿生虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源。

(3)共享外部虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源一次開發(fā),可重復(fù)使用。除了針對自身實(shí)際情況建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源外,為了避免重復(fù)建設(shè),避免資源浪費(fèi),需要共享兄弟院校或行業(yè)企業(yè)已經(jīng)建設(shè)完成的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源。我校虛擬仿真資源建設(shè)完成后,也開放共享,輻射到其他學(xué)科專業(yè)與行業(yè)企業(yè),為社會服務(wù)。

5.健全虛擬仿真基地管理機(jī)制,確保基地可持續(xù)發(fā)展

成立由學(xué)校聯(lián)合政府、學(xué)校、行業(yè)和企業(yè)組成的“政行校企四位一體”實(shí)訓(xùn)基地領(lǐng)導(dǎo)小組,形成“共建、共管、共享、共贏”的組織架構(gòu),協(xié)調(diào)各方,統(tǒng)籌資源,實(shí)現(xiàn)基地效益最大化。健全虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的管理制度、運(yùn)行機(jī)制、績效考核、實(shí)訓(xùn)基地維護(hù)與可持續(xù)發(fā)展及共享機(jī)制各種制度,以體制機(jī)制改革和制度創(chuàng)新為著力點(diǎn),以打造技術(shù)技能人才培養(yǎng)高地和技術(shù)技能創(chuàng)新服務(wù)平臺為主要抓手,提高治理能力和治理水平,深化內(nèi)部管理體制改革,形成虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的治理制度體系,確保基地可持續(xù)發(fā)展。

四、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的成效

(一)建成虛實(shí)一體、功能完善的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地

專業(yè)群虛擬實(shí)訓(xùn)基地采用多媒體、人機(jī)交互、傳感器、超級計(jì)算、VR、AR、數(shù)字孿生、云計(jì)算等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)等手段,技術(shù)先進(jìn)。該基地集實(shí)踐教學(xué)、社會培訓(xùn)、企業(yè)生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等功能“虛實(shí)結(jié)合”的五位一體虛擬仿真實(shí)訓(xùn)場所,功能齊全,有效促進(jìn)教學(xué)水平的提升及育人水平的提升,發(fā)揮基地對區(qū)域重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)新技術(shù)應(yīng)用的示范、引領(lǐng)作用。

(二)建成“技術(shù)新、功能全、應(yīng)用廣” 的虛擬仿真教學(xué)管理云平臺

根據(jù)教學(xué)管理需求,運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、快速數(shù)據(jù)處理技術(shù)等,構(gòu)建虛擬端的云平臺,實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的教學(xué)運(yùn)行和教學(xué)管理信息化。通過對實(shí)訓(xùn)理論教學(xué)管理、虛擬仿真管理、線下實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理和在線實(shí)訓(xùn)教學(xué)評價體系的建設(shè),形成“理論教學(xué)-虛擬仿真-實(shí)物實(shí)訓(xùn)”各環(huán)節(jié)教學(xué)場景的閉環(huán)控制和形成性評價,為虛擬仿真教學(xué)管理提供可參考方案。

(三)建成優(yōu)質(zhì)資源共享、推動課程改革創(chuàng)新的虛擬仿真資源系統(tǒng)

校企合作依托虛擬仿真技術(shù),搭建高度逼真的全新實(shí)訓(xùn)環(huán)境,建成面向先進(jìn)裝備制造業(yè)、智能制造等多產(chǎn)業(yè)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。根據(jù)專業(yè)群每門專業(yè)課程的實(shí)際需求,開發(fā)設(shè)計(jì)各類實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)項(xiàng)目的VR孿生虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源,通過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)“云平臺”,實(shí)現(xiàn)資源共享,解決職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中高投入、高損耗、高風(fēng)險及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”痛點(diǎn)和難點(diǎn),帶動課程內(nèi)容創(chuàng)新,教法學(xué)法創(chuàng)新,教學(xué)效果得到顯著提升。

(四)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)能力科研能力顯著提升

鍛煉教師虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源應(yīng)用水平,教師在教學(xué)中采用新方法、新模式、新手段;鼓勵教師開發(fā)自己所負(fù)責(zé)課程的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源,做到課程內(nèi)容不斷更新;打造專門的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教師團(tuán)隊(duì),教學(xué)水平得到顯著增強(qiáng)。

(五)建成共建共享、面向區(qū)域行業(yè)企業(yè)服務(wù)新高地

依托虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地虛擬仿真教學(xué)云平臺,建立區(qū)域共建共享機(jī)制,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源的開放共享和持續(xù)應(yīng)用,為職業(yè)學(xué)校、行業(yè)企業(yè)提供教學(xué)服務(wù),打造一支既懂專業(yè)又懂虛擬仿真技術(shù)的師資團(tuán)隊(duì),逐步成為服務(wù)智能制造、鄉(xiāng)村振興等重要領(lǐng)域技術(shù)技能人才培養(yǎng)的新高地,得到企業(yè)和社會的高度認(rèn)可和廣泛支持。

綜上所述,建設(shè)中職智能制造專業(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心,能有效解決專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)施不足、實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練不強(qiáng)、實(shí)訓(xùn)空間和時間限制等問題,以及實(shí)訓(xùn)效率低等問題,提升中職智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)的質(zhì)量,為培養(yǎng)和提高師生的實(shí)踐操作能力發(fā)揮重要作用,更好培養(yǎng)先進(jìn)制造業(yè)復(fù)合型技術(shù)技能人才。