浅谈数字孪生技术对材料成形技术课程的促进作用

王立岩 夏建生 董小飞 陈青

盐城工学院机械工程学院 江苏盐城 224051

工程技术人才是国家重大工程和基础制造发展的基石。因此，党和国家对培养综合实践创新能力人才提出重要策略，深化改革高等教育实践教学的教育方式的根本在于传统理论课堂的教学模式改革与升级。目前，在教学改革尝试中存在一些弊端，如教师自身的实践教学能力和意识的不足；课堂教学方式抽象使学生难以理解重点难点内容；教学手段单调；针对性实效性不强等。

数字孪生技术与传统多媒体教学的主要区别在于，数字孪生技术给学生们带来更加生动和沉浸式的课堂学习体验。尤其是一些与工程实际紧密联系的工程理论课程——材料成形技术基础，在课程学习中涉及较多的专业术语和工艺步骤，仅通过静态的图片或影像资源很难让学生对课程的基本概念与重要知识点吸收和理解，进而大幅降低学习效率。因此，需要转变传统教学思维与方法，将数字孪生技术引入工程课程的课堂具有重要意义[1-3]。

一、材料成形技术课程教学中存在的问题

在新工科发展的背景下，工程专业理论课程学习中增强了理论联系实践环节[4-6]，实践环节能提高和培养学生的动手能力与理论联系实际的能力[7]。但实践环节与理论教学环节分开独立进行仍然存在一些弊端，教学过程中学生存在对理论知识把握程度与认识理解程度不深等现象，遇到应用对象存在问题把握度不够、实际工况问题分析与理解不足等问题。

(一)材料成形技术的教学目的

材料成形技术基础是材料成型及控制工程专业的一门专业必修课。涉及金属材料的液态金属成型工艺、铸造工艺、焊接成型加工工艺和塑性成型加工工艺等内容的基本理论和基本知识，以及非金属材料的高分子材料及复合材料成形与陶瓷粉末成形技术等内容的基本理论和基本知识。课程涉及金属材料与非金属材料等多种材料，以及各种不同材料的适应成形方法，因此，对于从未接触到实际工程现场的学生们，这无疑是晦涩难以理解的复杂概念。

(二)材料成形技术的教学现状

材料成形技术基础课程包括理论教学和实践教学两部分，课程的教学顺序为理论教学在前，实践教学在后。在理论教学环节中以教师讲授为主，通过多媒体和教学课件等资源讲解课程内容，教师与学生间的互动较少，在课堂中无法了解每位同学的学习情况。相较于基础理论课程而言，由于工程理论知识较为晦涩难懂，其中的一些概念和名词，包括实际应用所涉及的工况分析与理论模型的应用，需要具有一定的工程背景才能更好地理解和学习。

目前，许多高校存在多媒体教学资料陈旧过时，阐述基本理论知识与难点知识内容过于单调等现象。这对于缺乏实践背景的大学生来说，不利于其理论学习效果的提高，限制了学生对实际应用的想象和发挥。若按照书本上的理论层次深度讲解理论知识，学生难以清晰理解和吸收理论知识；通过浅显易懂的方式讲解理论知识，有助于提高学生的理解和强化，但这样会使理论与实践应用相差过大，在今后的理论实践中，增加学生的认知与联系困难。因此，如何适当地将工程理论知识提高与简化间的平衡，对于学生学习与理解课程内容具有重要意义。

(三)材料成形技术的教学改革

面对上述存在问题，国家教育相关部门在2015年颁布了《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，意见中提到创新教学方法，补齐教育短板和强化实践等有效措施。国内以应用型为主的高度教育学校，相继开展以提高大学生高质量创业就业为目标的教学改革行动，以培养和提升学生的综合素质为基础，开展教学资源设计，建立课程评价体系，启迪学生开创性思维，激发学生自主深度思考和学习能力。结合智慧学习系统，密切关注学生的学习反馈情况，对学习效果系统科学分析，根据学习能力制定相匹配的课程体系，从而降低学生对理论课程理解的差异化，全面提高教学实施效果。

此外，作为工科专业的基础课程，不仅要强化学生的理论知识学习，更要加强工程实践认知与操作。为激发学生对工程实践操作的兴趣点，提高学生实践操作与行为，基于数字孪生技术的课程资源导入与开发，会显著提高学生对实践过程的熟悉和了解，增强课堂教学趣味性、启发性，通过虚拟线下工程案例的实践内容场景，提高学生对工程实践内容的理解和掌握程度。将“大国工匠”的坚韧精神与课程体系恰当融合，了解重大工程对社会经济和民生发展的重要性，提高学生对专业课程重要作用的认知高度和拓展专业视野，增强学生爱国情怀，提升学生对工程实践学习的眼界与开拓思维。

二、数字孪生虚拟仿真技术在材料成形技术课程中的改革探索

在新工科背景下，教学模式更加注重理论联系实际，针对理论教学与实践教学环节的融合促进，MOOCs资源平台给新型混合教学形式带来极大帮助[8-9]，即使未能亲自接触实践内容的动手操作，也能让学生掌握实际工艺流程的整体运行方案，因此需要探索新型混合式的教学模式，强化实践教学效果。

(一)数字孪生技术

数字孪生的概念诞生于21世纪，由美国密歇根大学的Michael Grieves教授所提出的先进制造技术领域与一种新型信息物理融合理念[10]，早期被命名为“信息镜像模型”(Information Mirroring Model)，随之逐渐地演变成为“数字孪生”(Digital Twin)。数字孪生技术是利用多物理、多尺度和多概率等虚拟量实现了现实的物理世界与虚拟的数字世界的集成映射与融合。用户可基于数字孪生模型，对实体在现实环境中的制造形成过程、应用工作状态等物理行为进行模拟、诊断、预测、监控产品等流程的操作。

(二)数字孪生混合式教学设计

基于材料成形技术的虚拟仿真模拟教学平台，以交叉融合探索模式开展理论与实践教学内容，教学内容以学生整体自主设计材料成形工艺方案为主，通过智慧评估系统，结合教师与学生反馈机制对教学模式进行优化。利用虚拟仿真实验平台模拟金属材料的成形工艺过程，通过寓教于学的方式让学生体验材料成形过程，随后的评估系统主要针对材料成形参数、材料体积以及设备参数等内容考核学生操作成绩，根据学生对工艺流程的熟悉度及完成度加权评价总体成绩。通过与传统授课方式进行对比分析和评判，评价采用量化评估方式有助于充分了解学生对理论与实践内容的掌握程度，其中量化指标主要从教学质量、教学效果、学生反馈等方面展开实施。

以铸造成形工艺为教学案例，分析钢液浇铸过程中冷却、凝固及收缩等现象，针对钢液的冷却过程、凝固过程、流道形状等开发数字孪生模型，建立理论教学和实践操作的虚拟仿真平台。采用材料的本构关系模型、砂型形状、冒口形状、流道设计构建浇铸仿真用数字孪生模型，完成虚拟仿真平台开发与系统程序编写、测试等任务。学生可使用本人的学号登入仿真平台进行观看和学习，通过对铸造过程的了解和学习进行操作，教师根据学生在仿真平台上的操作步骤给予评价和打分，同时，虚拟仿真教学平台会针对学生线上实践情况生成评估报告。

(三)数字孪生驱动混合教学模式

数字孪生技术可以将现实物理实践内容生动和高效地映射到传统课题教学中，增加传统教学方式的趣味性和活跃性，并将数字化技术、网络信息技术及教学方式等有机融合，满足新工科背景驱动下对学生培养目标和创新能力提升的迫切需求。数字孪生技术驱动的混合式教学模式融合了虚拟现实与实践操作等线上与线下混合式的教学模式。利用线上教学资源平台，如MOOCs(慕课)国家精品课程在线教育平台，将数字孪生驱动的材料成形工艺流程、加工过程仿真等数字信息技术与线上、线下理论教学融合，使学生可采用多种方式，如手机、平板和计算机等电子设备进行深度学习。针对材料成形技术课程内容和教学大纲，将网络教学资源划分为具体和细化的学习内容，学生可按照教学进度，利用教学资源进行自主学习，并进行自我学习情况检验与评估。智慧系统会记录每位同学的学习时长以及观看频率，系统会根据学生比较关心和观看频率较高的部分内容进行反馈，并生成学习过程数据报告，有利于教师在后续课程推进与线上教学模式升级具有重要参考价值。

在传统线下教学的课堂中，同样也可采用数字孪生技术驱动的教学资源，主要是以课堂重点难点内容进行讲授、课堂分组讨论、随堂测验等方式，促进课堂活跃气氛，使枯燥乏味的理论知识内容变得生动和精彩。通过线下课堂教师与学生面对面的交流，学生提出对学习材料成形过程的感受，及时反馈与学习内容沟通有助于学生抓住重点内容，理顺课程内容的逻辑顺序。教师要针对与学生的交流和学生的学习情况及时做出收集、反馈以及调整。在后续课堂中将学生分成若干组，对于学习进度和理解程度具有差异的同学，对其课程进行调整和不同程度的课堂提问，调动学生学习兴趣，鼓励学生学习热情，通过课堂和课后的不断学习，有效地掌握课程的重点内容。

(四)数字孪生混合教学实践效果

目前，国内许多高校开始展开基于数字孪生驱动的混合实践教学模式，大多数仍处于研究探索和开发的阶段，随着国家对专业技能人才的培养的高度重视，数字孪生技术与虚拟实践仿真相结合的研究取得了较为丰富的研究成果。经过实际教学的体验和实验操作后发现，基于数字孪生技术驱动的混合式教学模式具有以下效果：

(1)强化学生学习效果。通过数字孪生技术驱动的教学方式对材料成形技术课程内容的讲授，减少了理论课程学习的枯燥乏味，提升课堂学习活跃性，强化学生的自主学习能力。学生将基本理论知识形成丰富而具体的内容，通过与实践教学内容联系，学生自主查阅文献和教学资料，增强理论课程内容学习，提升实验操作熟练程度和准确性，理论课程和实践教学成效得到显著提升。

(2)提高理论联系实践效果。数字孪生驱动混合式教学形式，使学生从虚拟物理世界获得现实世界的感受，从传统理论课堂进入实际材料成形工艺流程，拓展课堂理论学习局限性，增强实践学习环境下实践学习能力和熟练程度，激发学生主动面对实践操作困难的决心，从而得到更为全面的实践训练。

(3)提升学生综合实践能力。结合虚拟仿真平台，熟悉每个材料成形过程中的所采用的重要参数和操作环节，提高学生面对实际问题的应变能力和动手能力。采用数字孪生驱动混合的教学形式，可以让每位学生具有足够的学习时间接触实践过程。针对不同工艺过程进行课程的独立设置，让学生以项目的形式进行学习和虚拟实践操作，显著提高工程综合能力和创新能力。

结语

数字孪生驱动的混合式教学方式将物理世界与虚拟世界构筑桥梁，形成虚实结合、资源同步、互生互融的新型理论与实践相融合的教学模式。根据当前社会发展对综合素养和创新实践能力人才的需求，基于材料成形技术课程进行教学改革尝试和探索，提出基于数字孪生技术驱动虚拟仿真平台的混合式教学思想，采用数字孪生的混合实践拓展学习模式进行研究。基于数字孪生的混合实践教学平台提出总体设计方案，探究数字孪生的混合实践教学模式以及平台搭建。利用数字孪生实践教学的自由性、拓展性的特点，可显著提高学生对课程内容体验感受和自主学习的兴趣，相较于传统授课，新型混合式的教学模式让课程的重点和难点更加容易吸收和理解，使学生的综合实践能力和创新能力逐步提升，为新工科背景下的工程实践课程的教学改革方向提供一条有益途径。