基于数字孪生的智能制造线上线下实训教学研究——以工业机器人装调实训课程为例

韦凤慈，张 涛，罗 攀

（1.安徽机电职业技术学院 a.机械工程学院；b.科研处，安徽 芜湖 241000；2.玉柴联合动力股份有限责任公司，安徽 芜湖 241000）

0 引言

实践教学是高等职业教育的基础，逐渐被各高职院校和企业所重视，它是高职院校根据人才培养计划和目标培养学生职业技术应用能力的教学过程，是培养高素质高技能人才的关键环节。线下教学一直是各高校实训课程的经典教学模式，目前高职理工科常规实训教学研究多是线下教学［1］，而线上线下结合实训教学研究也偏理论概述及建议设想方面［2］。关于线上线下实践教学理实和现实一体明确分工新模式的研究较少。本研究以安徽机电职业技术学院智能制造装备技术专业工业机器人装调实训课程为例，在保证新冠疫情期间学校提出的“停课不停教、停课不停学”的教学要求基础上，结合智能制造和数字孪生技术，尝试探索线上线下理实和现实一体明确分工的教学模式，取得了一定的教学效果。

1 实训课程背景

以安徽机电职业技术学院（以下简称“我校”）为例，智能制造装备技术专业从属于工业机器人专业群，在校专科生数量约120人。我校智能制造装备技术专业是安徽省特色专业、安徽省地方技能型高水平大学重点建设专业、高职创新发展行动计划骨干专业。该专业主要面向智能装备设计、装调、制造及技术改造等，依托行业和学科特色开展数控机床机电联调、工业机器人装调、数控机床与机器人连接调试、精密检测与伺服优化、机床升级改造、数控系统连接与调试等专业课实训教学。

工业机器人装调实训课程实践性较强，一直采用先理论后实践的分阶段教学模式。该课程实训教学以实训周方式开展，目前为期一周，在实训教学期间，教师引导学生按照实训任务书和实训指导书进行操作实践。实训期间，学生根据理论掌握程度被分成不同的小组，通过小组合作完成实训项目，现场教学效果良好。

在新冠疫情在线教学趋势的推动下，我校智能制造装备技术专业教学团队，提出了基于虚实结合的现实综合实践课程教学方法，利用数字孪生技术，探索虚拟实训场景与线下真实设备相结合，使学生在线上就能充分熟悉实训目标、技能及实训项目，同时在线实训的再现和在线与线下相结合的实践教学复盘，增强学生对知识的理解和掌握［3］。线上线下结合的实训教学，突破了空间和物理设备的局限，解决了线上实践教学达不到目的的问题，对推动智能制造装备技术专业实训教学改革具有很大意义。

2 线上线下实训教学的内涵及特征

2.1 线上线下实训教学的内涵

首先，线上线下实训教学不是基于MOOC或E会学等线上课程平台的混合教学。本文认为线上培训教学和线下教学具有同等重要的地位，而不是简单地用视频或录制的信息学习资源来补充线下教学内容［4］。其次，线上线下实训教学也不是线上主讲加线下助教的双师课堂教学模式，本文中的线上培训教学和线下教学不是在同一个时空进行的，有不同的培训内容、侧重点和教学目标；最后，网上实践教学与线下实训教学具有紧密联系，实现优势互补。

2.2 线上线下实训教学的特征

一是线上线下实训主讲教师依据不同时空、不同实训平台以及不同教学环境开展实训教学。这是线上线下结合实践教学的基本形式，也是体现线上线下实践教学各自优势的主要保障。尤其是对于高等职业学生生源质量相对不高，自主学习能力相对不足，学习态度不甚积极的情况下，相较于基于MOOC或E会学等线上课程平台的混合教学，线上线下实训教学有一定优势，主要体现在它有教师实时直播授课，线上教学质量和学生的学习质量相对较好。

二是线上线下实训教学的目标各有侧重。众所周知，教学目标可反映教学所要和所能达到的目的，也可直接反映线上线下实践教学的各自优势。线上实训教学目标侧重于知识技能的掌握，主要关注学生对基础理论知识的理解掌握和未来可具有的运用能力；线下实训教学除了侧重操作技能外，还侧重劳动教育，强调学生对实践问题的分析、创造能力。不同侧重点的差异化线上线下实训教学，使得各自教学目标突出，教学优势凸显。

三是线上线下实训教学紧密联系又相辅相成。主要表现在虚实结合的教学模式，使得教学能够在不同时间、不同空间最大程度地运用信息化、智能化手段，并将其贯穿于线上线下实训教学的全过程，这也是实践教学三全育人的真实反映，让学生可以直观、快速地掌握最先进的智能制造技术，紧跟时代前沿。

3 基于数字孪生技术的智能制造实训线上线下教学模式探索

3.1 数字孪生技术实训平台设计理念

新冠疫情推动线上实训教学改革成为必然，在智能制造装备技术专业工业机器人装调实训教学过程中引入数字孪生概念，以虚拟3D孪生技术与现实世界智能制造技术平台进行通信仿真，搭建出虚拟空间数字化与现实世界中物理模型控制一致的平行世界，实现虚拟和现实世界同步，解决实训过程无法进行现实操作的问题［5］。在智能制造领域，运用数字孪生技术，现实物理工厂车间通过在虚拟空间中搭建出对应的车间数字双胞胎模型，物理生产作业线在虚拟空间搭建出对应的生产作业线。学生通过运用虚拟空间模型信息，仿真现实世界中车间生产作业线及运行动态，并实时接收数据反馈。从而使虚拟空间数据与现实世界实现通信联通，线下实训时直接导入线上数据信息到现实物理设备中［6］。使学生轻松掌握任务书中的实训内容和工作原理。

基于数字孪生技术的智能制造实训具有以下2个优点：（1）解决了现实世界实训设备数量多数匮乏或更新不充分的问题。很多院校实训设备存在数量不足、老旧等现象，而通过数字孪生技术仿真，可在线实现人手一台设备，可视化操作，直观完成虚拟设备实践操作学习，为后期现实物理设备的实践操作打下基础，提高学生积极性和动手能力；（2）解决了现实世界实训室建设成本、维护和升级成本高的问题，现今智能技术发展迅速，实训设备更新换代较快，受成本制约，很多院校无法实现每年更换或升级新设备，而通过数字孪生技术仿真可较好地解决这个问题［6］。

3.2 基于数字孪生的智能制造实训平台设计

以我校智能制造装备技术专业为例，结合制定的专业人才培养方案，搭建数字孪生智能制造实训平台，探索“工业机器人装调”实训课程教学模式。实训平台基于现实世界生产车间搭建1∶1虚拟场景，同步实现生产车间设备控制，如PLC控制、CNC加工过程控制、工业机器人控制等流程动作及信息反馈控制。实训平台包含CNC加工单元、机器人工作单元、检测单元、仓储单元、PLC控制单元，以此为基础开展实训教学仿真。实训平台结构如图1所示。

图1 数字孪生智能制造实训平台结构图

3.3 实训平台功能模块设计

以PLC控制单元为例，通过连接真实PLC硬件，学生在线上完成I/O信号的分配、调试，实时观察PLC信号变化［7］。同时将PLC的I/O信号分别与CNC加工单元、机器人工作单元、数字孪生单元、检测单元、仓储单元PLC信号连接，实现系统内部逻辑运算和控制，在实训平台终端实现各工作单元PLC信号的采集、读取、跟踪等功能，实时检测各单元工作状态，实现各单元整体控制、信息采集及设备运转［8］。虚拟实训场景如图2所示。

图2 虚拟实训场景

4 工业机器人装调实训课程教学

工业机器人装调实训课程采用项目化教学，共5个项目，如表1所示。其中，工业机器人机械安装与调试和工业机器人电气安装与调试2个项目最为典型，下面具体介绍。

表1 工业机器人装调实训课程主要项目

4.1 工业机器人机械安装与调试

工业机器人的机械安装与调试实训，通过理论讲解使学生快速理解和掌握工业机器人基本结构组成、安装调试、维护与保养基础知识，便于实践阶段教学的开展。教学过程采取线上线下实训时间1∶1的分配方式，通过理论知识点和技能操作点的讲解后，学生再在数字孪生制造实训平台中实践运用。具体分为以下步骤。

1）工业机器人各组成机构安装。

熟悉实训平台场景，快速查找到各组成机构设备组件，包括执行机构、驱动系统、控制系统、传感系统。该实践环节其实是对理论知识的补充和回顾，有利于机器人系统构成、安装与拆卸、电气及气动管路连接等知识的再掌握。

2）熟悉实训教学内容。

学生认真阅读实训任务书，明确实训任务目的、实训内容及步骤、实训要点、注意事项等。

3）各轴零点校准。

工业机器人每个关节轴都设置有机械零点位置。在完成工业机器人的机械安装操作后，必须进行机械零点校准。通过对实训平台场景内各轴零点位置监控，点动操作完成机械零点的校准。

4）点动示教操作。

通过实训平台场景，点动示教各轴空间移动距离，并返回到原点。若操作过程中发现工业机器人无法进行示教，需检查虚拟线路连接及控制柜安装来排除故障。

工业机器机械安装与调试线上线下实训教学可以加深学生对机器人各组成部分之间的相互联系了解，掌握机器人机械安装步骤及调试方法，具备未来机器人安装维护岗位工作能力。虚拟实训平台机器人安装如图3所示。

图3 虚拟实训平台机器人安装

4.2 工业机器人电气安装与调试

工业机器人电气安装与调试实训，通过对工业机器人机电构成装置的安装调试基础知识的理论讲解，让学生掌握工业机器人的基本电气安装方法和技能。理论讲解和实操同机器人机械安装调试相类似，应交互进行，学生在数字孪生智能制造实训平台中，实时对机器人电气安装与调试进行学习实践。具体实践环节如下.

1）电气系统I/O配置及接线。

熟悉数字孪生实训平台，包括机器人各部分接线电气原理图和信号输入输出部分原理图，掌握机器人电气系统安装与调试、各组成部分电气连接关系及I/O配置。

2）熟悉实训教学内容。

学生认真阅读实训任务书，了解实验目的、功能、工业机器人机电系统、电气原理图、实验指令、软件操作说明、电气控制柜等信息。

3）工业机器人电气系统调试。

学生通过回顾和运用已学的电气系统的调试方法，如控制器调试、电源调试等，在数字孪生实训平台中认真观察各电气装置组成部分的工作方式、特性、I/O信号传输过程等，理解和掌握电气系统调试基本方法在工业机器人电气系统中的应用，达到知识的迁移和拓展。

工业机器人电气系统的调试安装实训可加深学生对工业机器人整个电气系统的了解和认知，熟悉工业机器人电气系统的整体结构组成、各环节控制流程以及对应的工作原理。整体而言，线上线下整体教学效果优于纯线下实训教学过程，学生的总体参与度较高。

5 结语

随着信息技术和互联网+教育的发展，线上线下相结合的教学将逐步发展为教育的常见形式，根据时代要求，为社会培养出全面高素质高技能的职业技能型综合型人才成为一种趋势，各高职院校需深化教学目标的改革，不断加强线上线下教学改革，适应当代职业教育发展［9］。基于数字孪生技术的智能制造实训线上线下教学研究成果有：1）解决了纯线上实训教学难的问题；2）增加了学生的实践锻炼机会；3）帮助教师轻松实现线上有的放矢指导、个性化指导，从而可以安排出更多更丰富的教学内容；4）使线上教学组织越来越灵活。笔者下一步将继续深入开展线上线下实训教学研究，不断完善实训平台设计、实训内容设计、学生反馈效果等，持续推进理实和现实一体实训教学。