基于数字孪生技术构建云实训系统的探索与实践——以广东理工职业学院为例

骆其城 赵国信 李柏辉

（广东理工职业学院，广东广州，510091）

一、引言

2020年伊始，一场突如其来的疫情打乱了全国人民日常生活、学习和工作的有序节奏。为严防病毒向校园蔓延，教育部提出“停课不停学、停课不停教”，号召各类各级学校实行线上教学[1]。“万众一心、共抗疫情”，各级学校积极响应国家号召，周密部署，为线上教学做好准备。为解决在线实训的难题，保证实训课程线上教学正常开展，广东理工职业学院与合作企业积极谋划，以学生为本，借助校企合作的优势，利用数字孪生技术在“PLC技术与应用实训”课程中构建了云实训系统并开展线上实训，在防控疫情的同时确保了线上实训教学不停顿。

二、高职院校在线实训教学存在的问题

（一）教师混合式教学经验不足

在高职院校日常实训教学过程中，教师主要依靠实体实训室和实训设备开展现场教学。通过现场教学，教师可以掌握学生的学习情况，并及时调整课程内容和教学进度，以便学生更好地提高实践动手能力。但在疫情背景下，教师混合式实训教学经验不足，日常又疏于信息化教学技术方面的研究；学校在日常实训室建设项目中也极少考虑线上实训教学的需求，对线上教学的相关实训系统缺少建设。这些因素导致教师线上实训教学经验不足，疫情期间大多把精力用在线上直播或录制实训操作视频方面，以PPT录屏或播放视频的形式开展线上教学，形式单一，内容枯燥，缺乏学生实践操作的过程，无法有效调动学生的兴趣，有些学生甚至因此而厌学弃课。

（二）线上实训教学资源缺乏

高职院校往往只注重于实体实训室和实训设备的建设，线上实训教学资源建设未得到足够重视。在疫情防控的背景下，教育部组织全国高校和教学机构免费开放线上教学资源，包括2.4万余门在线课程以及2000多门虚拟仿真实验课程，支持在线实训教学[2]。虚拟仿真实验课程在线上实训教学过程中发挥了重要作用，学生通过在线虚拟仿真系统开展自主实验，在沉浸式的虚拟仿真实验环境中，通过反复地练习和不断地试错进行实验，达到了一定的实训教学预期效果[3]。但由于开放的虚拟仿真实验课程一般是为各建设高校量身订做的实训系统，其他高校无法直接使用里面的资源或只能使用部分资源，导致线上的实训教学资源不足。同时，目前线上使用的大部分虚拟仿真系统都是基于流程化的操作，学生必须按照系统设定的步骤一步一步操作，才能获得正确的结果，稍有差错整个实验只能重来。一般情况下，学生需要经过反复多次的试验才能完成实训任务，这一过程慢慢消耗了学生的积极性，使学生对传统的虚拟仿真实训系统失去了兴趣，在线实训教学效果欠佳。此外，流程化的虚拟实验操作也不利于学生创新能力和独立思考能力的培养。传统虚拟仿真实训系统只注重于理念的学习和流程化操作实训，对产业场景认知、技能培训以及场景化技术的训练等都有所欠缺。

（三）线上实训教学效果难以保障

线上实训教学的效果主要依靠学生的自主学习能力和学习积极性，教师只能通过屏幕观察学生的在线学习情况，如果学生的自控能力不强以及家长监督不到位，教师对于学生是否在线学习以及学习进度如何就无法掌握。同时，线上实训教学无法解决学生与教师在针对性实训方面难以进行双向沟通交流的问题，双方因屏幕阻隔，互动有限，学生只能懵懵懂懂地上完规划好的实训课程，知识的重点难点不能现场讨论，更多地处于一种一知半解的状态，学习效率不高，容易疲劳。此外，由于线上教学时间和网络空间的限制，教师不能有效地指导学生完成课堂练习和课后作业，学生对知识的记忆、巩固和消化等都会受到影响，这些都直接影响着线上实训教学的实际效果。

三、基于数字孪生技术的云实训系统的构建与应用

（一）数字孪生云实训系统的构建

数字孪生技术是一项构建数字化工厂和数字世界的基础技术，它可以在设备或系统的基础上创造一个数字版的“克隆体”，这个“克隆体”能实现本体数据和信号的复现，可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护的整个周期，并与本体实现数据和信号的双向流动。数字孪生能够将虚拟模型与实体设备结合起来，实现机器组件和模型之间的点对点信息通信，让实体设备运行状态在虚拟模型中呈现出来，实现同步一致、实时反馈[4]。传统的建模仿真系统是由一个个独立单元建模仿真组成，它们之间没有关联关系。而数字孪生是单元化的集成，并非孤立的模型仿真个体，其价值是传统仿真所不可替代的。

为进一步保障学生在线实训教学效果，广东理工职业学院在顺利开展视频直播理论教学的基础上，利用数字孪生技术与企业共同构建云实训系统。首先，通过混合现实技术，按照1：1的比例打造出能够再现智能制造产业场景的虚拟仿真场景。其次，通过机器人技术、物联网技术以及控制技术，将真实和虚拟世界联结，创造新的数字化环境和内容，在虚拟空间中完成实体设备的映射，实现数字孪生产业场景。最后，根据实训课程教学大纲，师生调用云实训平台课程库开展线上实训教学，具体实施方式和操作过程如下：

步骤1：根据实体设备的规格、型号和参数，建立专业设备的三维模型，所建立的三维模型内容包括设备规格、技术参数、连接控制等，利用三维建模软件按照1：1比例建模，建立模型库、工程库和课程库，并为模型渲染效果，从而实现逼真显示。

步骤2：由实体设备控制系统生成控制信号，利用物联网技术获取实体设备的状态传感器、控制传感器和环境传感器等所采集到的数据并存储到数据库中，虚拟环境中的模型设备作为受控对象，提取数据库的采集数据模拟整个设备的运行过程。

步骤3：平台中真实显示模型设备和实体设备的运行状态，师生通过操控模型设备把数据传输给实体设备，由实体设备完成指定操作。

相较于传统虚拟仿真实训仅能实现观摩认知、流程操作等教学目标，云实训系统通过“虚拟仿真+产业控制+云”等数字孪生技术，结合企业的真实生产案例可开展在线场景化编程、控制、操作、调试等技能训练，实现教、学、做一体化的线上实训。在线上实训过程中，实训任务可以在云实训平台的虚拟端和真实端开展，并实现两者的数据流动[5]。基于数字孪生技术的云实训系统的探索和实践使得线上实训教学效果得到显著提升，从而让学生掌握产品全生命周期各环节的知识和技能，并理解数字化制造的核心理念，培养并提高了学生的专业技能和实践经验，实现了线上“随时随地实训”的教学目标（图1）。

图1 “虚拟仿真+产业控制”虚实结合教学体系

（二）校企双方导师线上协同实训教学

为了做好线上实训教学，校企双方导师共同制订线上实训教学大纲，共同在线上直播教学，其中学院教师负责课程理论知识的授课，企业讲师负责云实训系统的指导。教师将录制的教学视频、教学PPT、作业等材料上传至云实训系统，要求学生课前观看学习；课中教师利用腾讯会议、QQ课堂等直播软件组织学生在线学习，就课程的难点和重点进行专题辅导，针对学习难点、疑点开展头脑风暴和点评，同时根据课堂氛围，随机点名提问调动学习气氛；课后，学生可根据自身学习情况，再次进入云实训系统巩固学习，并通过QQ群向校企双导师进行提问。学院通过校企双导师线上协同实训教学，实践了课前学习、课中答疑、课后巩固知识的翻转课堂学习模式，三管齐下，提高了学生的学习效果。云实训系统保存着学生的实训操作步骤，可自动统计实训数据并生成实训报告，实现了学生从预习到报告的全过程闭环管理。

（三）云实训系统使用效果分析

从教学效果来看，理论教学和实践操作相融合的线上实训教学极大地提高了学生的参与度。学生通过云实训系统拥有充分自主选择权，可实现实训效果实时看，也可利用互联网时代的碎片化时间课后温习。结合数字孪生、大数据、人工智能等技术，还能实现教学形式、教学风格、授课内容以及学习需求的高度匹配，充分激发学生的学习兴趣和实践动手能力，显著提升了线上学习效果，具体来说有以下几点：

（1）保障学生随时随地进行实训。与传统实训严格受限于时间不同，线上实训学生可以在任何时间登录平台进行练习，并按个人的学习节奏，自行决定实训时长。即使因为疫情无法返校进入学院的实训室使用实训设备，学生也可以在家按时完成实训任务。同时，学生能够自己搭建虚拟产线，操作各个模块，完成一个个实训任务，让线上实训不再枯燥。

（2）辅助教师线上授课，减轻授课压力。双师授课能够缓解学院教师直播前的备课压力，让教师把更多精力放在优化教学设计上面。企业讲师全过程指导在线实训，可以显著减轻线上实训教学环节的技术负担。双方导师借助云平台的丰富系统资源有效地调动了学生上课积极性，提升了直播课堂的趣味性。

（3）创新线上实训教学模式。学院云实训的实训教学模式在短期内有效地解决了疫情期间无法开展线下实训的难题。长远来看，云实训系统可以有效解决职业院校实训设备购置成本高、设备维护难等问题，最终为职业教育实训体系的创新发展提供新思路。

（4）推动“引企入教”的改革和实践。疫情期间，合作企业像往常一样参与学院的教学活动。一方面，企业讲师为学院带来了一手的产业前沿资讯与技术，学院老师则可以通过企业了解一线产业需求，灵活增减实训内容。另一方面，企业自身也加强了对高职院校人才培养体系的了解，为产教融合贡献了力量。学院云实训线上教学模式既是一次对实训教学的创新，也是一次对产教融合的探索与尝试。

（四）存在问题分析与改进措施

基于数字孪生技术的系统目前广泛应用在智能制造产业，它为单个或多个设备实现智能制造提供了可能，并实现了生产要素配置、生产计划以及生产过程的最优化。疫情期间，广东理工职业学院把应用在企业的数字孪生系统作为高职院校的云实训系统，让学生能够一开始就基于企业真实生产内容进行项目学习。但由于系统联接的是企业生产设备，为不影响企业日常生产活动，线上实训教学主要是以模拟仿真为主。当需要把教学内容运用到实体设备时，需要与企业提前协商，确保学院教学与企业生产不冲突，同时也需要企业导师对教学内容进行检验，避免有损坏设备的操作。为此，需要学院教师与企业导师通力合作做好教学计划，在做到互不影响的前提下实现双方共赢。

四、结语

疫情期间，广东理工职业学院云实训教学模式有效解决了当前在线实训存在的问题。通过在线观察和问卷调查，参与云实训的学生中有90%认为相对于其他的在线课程，云实训更能激发他们的学习兴趣，校企双师授课的模式也让学生对于知识的理解更加透彻，有效提升了学生的实践能力。学院通过校企合作模式，借助企业的研发能力和成功应用经验，构建基于数字孪生技术的云实训系统，让基于数字孪生技术的理论教学与实践操作教学切实落地，从而使学生一开始就基于实际的工业场景进行学习与思考，未来走上工作岗位也能够更好地应用这项新技术。

线上实训教学迫使教师把讲台搬到屏幕，学生的实训学习从实训室转移到家中，这对教师和学生都是一个重大考验[6]。经过一个学期的实践证明，线上开展实训教学也能达到同样的学习效果。在线实训教学实践证明，它改变了传统课堂教学，形成一种新的教育形态[7]。当前，5G、人工智能(AI)和物联网(IoT)等现代化信息技术不断发展和应用，高职院校应抓住机遇并以此为契机，全面推进现代化信息技术与实训教学的融合，做好线上线下实训教学资源的建设，倒逼教师提升线上线下的教学能力。同时，高职院校可以改变传统以教师讲授为主的教学模式，开展线上线下相结合的实训教学改革，建立起教师指导下的学生自主学习模式，提高学生的自主学习能力，形成线上线下相结合的混合式教学模式，从而取得最优化的实训教学效果。