基于数字孪生技术的机电类专业课程改革研究

曾丽颖 韦小芬

摘要文章基于数字化背景下机电类专业课程改革中存在专业课程设置与行业发展需求不兼容；教学环境与教学方式的数字化转型成效不足；专业教师数字技术应用能力亟待提升；专业实训设备更新缓慢；优质的数字化教学资源不足等问题，探索了数字孪生技术对于机电类专业课程改革的重要意义。提出关注数字化背景下机电类行业的发展与人才需求，借助数字孪生技术整合机电类课程内容，基于数字孪生技术创新教学模式；开发数字孪生技术的实训资源；开展基于数字孪生技术的“云实训”，为机电类专业课程的数字化教学改革提供参考借鉴。

关键词数字孪生技术；机电类专业；课程改革；混合式

中图分类号：G712                            文獻标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.21.014

Research on the Curriculum Reform of Mechanical and Electrical Majors Based on Digital Twin Technology

ZENG Liying， WEI Xiaofen

（Baise Vocational College， Baise， Guangxi 533000）

AbstractThe article is based on the digital background， and there is an incompatibility between the professional curriculum and the industry development needs in the curriculum reform of mechanical and electrical majors; The effect of Digital transformation of teaching environment and teaching methods is insufficient; The digital technology application ability of professional teachers urgently needs to be improved; The professional training equipment is outdated and single; The lack of high-quality digital teaching resources and other issues have actively explored the important significance of digital twin technology for the curriculum reform of mechanical and electrical majors. Propose to pay attention to the development and talent needs of the electromechanical industry in the digital context， integrate the content of electromechanical courses with the help of digital twin technology， and innovate teaching models based on digital twin technology; Developing practical training resources for digital twin technology; Carry out "cloud training" based on digital twin technology， providing reference for the digital teaching reform of mechanical and electrical professional courses.

Keywordsdigital twin technology; mechanical and electrical majors; curriculum reform; hybrid

随着《中国制造2025》的提出，新一代信息技术与制造业的深度融合成为国家战略的重要方向[1]。制造业正面临从传统制造向智能化、数字化转型升级的历史性挑战。职业教育作为培养高素质技术技能型人才的重要途径，需要适时调整教学模式，为数字化转型升级提供专业型人才支持[2]。数字孪生技术作为一种新兴技术，通过构建虚拟与现实的双向映射关系，实现对现实世界的数字化表征和模拟[3]。基于数字孪生技术的信息化教学模式可以有效地解决传统教学模式中存在的教学资源不足、教学方法单一、教学效果难以评估等问题，从而提高教学质量，培养适应数字化转型升级的高素质技术技能型机电类人才。因此，进一步探究数字孪生技术的信息化教学模式对于机电类专业课程的数字化教学改革具有重要意义。

1  数字化时代机电类专业课程改革面临的现实问题

1.1  专业课程设置与行业发展需求不兼容

数字化升级为机电类岗位创造了大量就业机会。然而，机电专业课程体系相对传统，缺乏与现代制造业发展趋势的紧密结合，学生在学习过程中难以形成系统性的知识体系。并且，传统的课程设置往往过于注重理论知识的传授，而忽视了实践操作能力的培养。这种情况下，学生在毕业后往往会面临较大的就业困难问题。同时，传统课程体系与工业4.0时代背景下的数字化需求不相适应。尤其在制造业智能化转型的大潮中，数字孪生技术、云平台、VR等新兴技术正逐渐成为行业发展的关键驱动力。课程设置却尚未充分涵盖这些新兴技术，也进一步导致学生在毕业后难以胜任数字化制造业的相关岗位。

1.2  教学环境与教学方式的数字化转型成效不足

传统的机电专业课程主要依赖于线下教学，学生通过听课、实验和实训等方式学习机电相关知识。存在学习资源和途径较为单一，且教学效果受限于教师能力和实训设备投入等多重因素的影响，从而无法保证教学过程的高质量开展。

随着教育信息化2.0行动计划的提出，教育现代化得到了一定程度的推动，线下教学空间逐渐拓展至线上，学生的学习空间和方式发生了转变，教学质量也得到了一定程度的改善。但目前机电类专业课程的教学环境与实训设备的样式单一、更新不及时，使学生在实际操作过程中，由于无法接触到更多样化且新興的设备而影响了专业实践能力的培养。

1.3  专业教师数字技术应用能力亟待提升

当前数字化教学改革已成为教育领域的重要发展方向，教师对信息技术的熟悉程度直接影响了数字化教学改革的质量和效果。但目前高职院校机电类教师对新一代数字信息技术方面的熟悉程度普遍较低，这无疑会对数字化教学改革产生不利影响。同时，智能制造作为新一代数字化技术的重要内容，对教师的专业素质和技能也具有一定的要求。但教师在智能制造类相关的数字化培训和先进智能制造类企业的实践锻炼方面存在明显不足，导致教师很难迅速适应和跟上数字化时代教学改革发展的步伐。

1.4  专业实训设备更新缓慢，无法满足多元化教学需求

首先，传统实验实训设备的耗材消耗大，成本高。在实际操作过程中，学生需要使用大量耗材，如电子元件、机械零件等，这不仅增加了教学成本，还可能导致资源浪费。其次，由于实验实训设备的购置成本较高，院校往往无法购置足够数量的机电类设备，使得学生在实际操作过程中面临时间和空间的限制。这种情况不利于学生充分掌握实际操作技能，影响了职业能力的培养。此外，部分实训设备的维护成本也较高，为院校带来了经济负担。使得机电类专业教学的实训设备无法满足多样化的教学需求，令学生在实际操作过程中难以全面掌握所需技能，影响了职业能力的培养。

1.5  优质的数字化教学资源不足

首先，资源针对特定课程且相对分散，导致不同课程间资源整合共享程度低，可能引发重复建设与浪费，降低利用效率。其次，缺乏基于工作过程的虚拟仿真实验、在线实训等虚实融合的优质数字化教学资源，难以满足教学需求。最后，机电专业缺少基于先进智能制造企业典型案例、数字孪生设备及常用机电元器件三维数字化模型库的开发，影响学生了解行业最新动态与技术应用。

2  数字孪生技术应用于机电专业课程教学改革的意义

首先，通过数字孪生技术与课堂教学的紧密结合，实现“教、学、做”一体化，提高教学质量。传统教学方式存在资源有限、实践操作机会不足等问题。引入数字孪生技术，学生在虚拟环境中实践操作，提高动手能力和实践经验，从而提高教学质量。

其次，利用数字孪生技术改善课堂教学条件，减少硬件设备投入，提高设备使用效率，提高教学便捷性。传统教学需大量硬件设备，如实验室、实训设备等，购置和维护成本高，使用效率不高。数字孪生技术通过虚拟仿真实验室、虚拟实训设备等方式，降低硬件设备投入，提高设备使用效率，同时提高教学便捷性。

再次，利用数字孪生软件丰富的工业虚拟场景突破资源瓶颈，满足学生开展实践工程训练的需求，培养其技能迁移能力和创新能力。传统教学中，学生实践操作机会受实验室、实训设备等资源限制。数字孪生技术提供了丰富的工业虚拟场景，让学生在不同的场景中实践操作，培养技能迁移能力和创新能力。

此外，数字孪生设备方便使用，不受时间空间限制，能够提高有效教学时间，实现半沉浸式学习和异地“面对面”教学。传统教学受实验室、实训设备等资源限制，学生学习时间和空间受束缚。数字孪生技术让学生随时随地学习和实践操作，提高有效教学时间，实现半沉浸式学习和异地“面对面”教学。

3  基于数字孪生技术的机电专业课程教学改革创新举措

3.1  关注数字化背景下机电类行业的发展与人才需求

首先，需要加强教育部门和企业合作，共同制订数字孪生技术在机电专业课程中的应用标准和教学大纲。确保课程内容与实际工作需求相匹配，为学生提供更加实用的技能培训。其次，需要加强教师关于数字孪生技术的培训和研究，使其更好地指导学生掌握相关技能。同时，教师还应关注数字孪生技术的发展动态，不断更新教学内容，确保与时俱进。再次，注重实践教学和理论教学相结合。在理论教学中，教师应重点讲解数字孪生技术的基本原理、应用领域和发展趋势。在实践教学中，教师应引导学生通过实际项目和案例，学习数字孪生技术在智能制造中的具体应用，如数字化建模设计、数字化工艺验证仿真、数字化装备产线调试等。此外，评价体系也应与数字孪生技术的应用相适应。除了传统的考试评价方式，还应加大对学生实践能力和创新能力的考核。例如，可以通过实际项目、竞赛等形式，检验学生在数字孪生技术应用方面的能力。

3.2  借助数字孪生技术整合机电类课程内容

课程体系改革应根据工业4.0全智能集成的要求进行设置，充分借助数字孪生技术重组课程教学内容，实现课程之间的融合。并且，数字孪生技术作为一种将物理世界与虚拟世界相结合的技术，通过对物理设备的实时监测和数据分析，为设备的优化和维护提供支持。在教学过程中，我们可以利用数字孪生技术将不同课程的内容进行整合，使学生在学习过程中能够更好地理解和掌握数字孪生仿真和调试技术。

3.3  基于数字孪生技术创新教学模式

数字孪生技术作为一种现实生产与虚拟制造相融合的技术，其在机电专业课程教学中的应用可以分为三个阶段：课前虚拟探索、课中实操验证、课后虚拟拓展。

在课前虚拟探索阶段，学生可以通过数字孪生技术提前了解课程内容，对实际操作有一个初步的认识。同时，学生还可以在虚拟环境中进行实践操作，为课堂教学打下基础。

课中实操验证阶段，学生在教师的指导下，将课前学到的知识应用于实际操作中。数字孪生技术可以为学生提供一个接近真实工作场景的环境以便更好地掌握操作技能。

课后虚拟拓展阶段，学生可以通过数字孪生技术对所学知识进行巩固和拓展。在虚拟环境中，学生可以自主选择不同的实践项目，进行多样化的操作练习。这种方式有助于提高学生的实践能力和创新能力。

3.4  开发数字孪生技术的实训资源

首先，我们需要深入调研智能制造数字化转型升级背景下的企业需求和行业动态。通过与企业和行业专家的深度交流，了解企业在数字化转型过程中面临的挑战和需求，从而设定适应新时代人才培养需求的教学内容。这将有助于我们培养出更具实际应用能力和创新精神的机电专业人才，满足企业和行业的发展需求。

其次，基于数字孪生技术开发数字孪生设备和优质的数字化教学资源。数字孪生技术是一种将物理世界与数字世界相互映射的技术，通过构建数字孪生设备，我们可以实现对实物设备的实时监控和分析，为教学提供更加丰富和真实的教学资源。同时，我们还可以利用数字孪生技术开发优质的数字化教学资源，如虚拟仿真实验、在线教学视频等，形成完整的工作过程，提高教学质量和效果。

再次，借助数字孪生技术和工业互联网技术实现实训设备的远程监控，支持线上线下混合式教学。通过将实训设备与数字孪生技术和工业互联网技术相结合，我们可以实现对实训设备的远程监控和管理，为学生提供更加便捷和高效的实训环境。此外，线上线下混合式教学模式可以让学生在课堂内外都能够充分利用数字化教学资源，提高学习效果和兴趣。

3.5  基于數字孪生技术的“云实训”的开展

利用数字孪生技术和工业互联网技术开展“云实训”，实现线上实验实训教学。通过数字孪生技术，模拟真实设备和场景，提高学生的应用技能和就业竞争力。线上实验实训教学突破了地域和时间限制，提高了教学的便捷性。

数字孪生技术可为机电专业课程教学、竞赛训练、考证提供便捷。实践操作在机电专业课程中至关重要。通过数字孪生技术，构建虚拟实验室和实训场景，能提高学生的实践能力。此外，数字孪生技术可应用于竞赛训练和考证过程，帮助学生应对实际工作的挑战。

数字孪生技术在教育领域的应用需政、校、企、行多方合作共建丰富的应用场景。政府部门可制定政策，支持数字孪生技术在教育领域的应用；学校与企业合作，共同开发应用场景，提供实践机会；企业提供实际工作场景和需求，帮助学校优化课程设置；行业协会组织专家评审，确保应用质量。多方合作共同推动数字孪生技术在教育领域的广泛应用，为学生提供丰富的学习资源和实践机会。

4  结语

将数字孪生技术融入机电专业课程改革，对于培养高素质的技术人才具有重要意义。机电专业可以侧重于教学方法的不断创新、实践培训资源的开发以及基于数字孪生技术的“云培训”的实施，以更好地适应数字时代不断变化的行业需求和人才需求。

参考文献

[1]王灿，罗文军，秦展田.新工科背景下混合式教学评价体系的构建——以“机电传动与控制”课程为例[J].科教导刊，2023，507（3）：115-117.

[2]陈乃超，王昊，马行驰，等.基于“两性一度”的机电传动与控制课程教学改革[J].科教导刊，2022，497（29）：91-94.

[3]于剑锋.乡村振兴背景下高校机电专业实践教学改革研究[J].中国果树，2023，23（4）：163.