数字孪生技术在食品智能制造实训虚实结合教学模式中的应用研究

摘 要：本研究通过分析现有食品智能制造实训教学模式的现状，探讨如何将数字孪生技术应用于食品智能制造实训课程，以革新传统教学模式，增进教学效率与质量，同时着重培育学生的实践操作技能与创新能力。本研究旨在为食品智能制造教育领域引入新的见解与教学手段，促进该领域教育实践的进步。

关键词：数字孪生技术；智能制造；食品工业；实训课程；教学创新

一、引言

“十四五”期间，随着物联网、大数据及人工智能技术的飞速发展，数字化技术正逐步渗透到教育的每一个角落，推进信息技术、智能技术与教育教学融合的教育教学变革，加快推进教育数字化转型，重塑教学模式，已成为我国教育发展的必然选择。这一过程不仅受到革新的推动，还受到社会和文化的变迁、国家政策的主导以及教育系统内生发展的共同驱动[1]。数字化教学模式正在经历一个快速发展的新阶段。在此过程中，数字孪生技术的应用为虚实结合的教学模式带来了强大的技术支持，使其焕发出前所未有的活力[2]。

数字孪生技术，凭借其卓越的模拟与仿真性能，能够创建出具有高度真实感的虚拟环境。这一技术特性不仅为学生提供了一个安全、无风险的实践平台，使他们能够在不受物理限制的情况下进行各种实验与操作，而且极大地丰富了教学实践的形式与内容。在教育领域，数字孪生技术的运用尤为显著。它不仅能够帮助学生更深入地理解那些抽象复杂的技术原理，通过直观的模拟演示，将晦涩难懂的理论知识转化为易于接受的视觉体验；同时，通过高度还原真实工作场景的模拟训练，学生的实践能力和创新能力得到了显著提升，为他们将来适应职场需求、解决实际问题奠定了坚实的基础。

二、数字孪生技术定义及应用

数字孪生技术（Digital Twin，DT）是一种通过创建物理实体的虚拟副本，实现对其实时监控、分析和控制的技术。这种技术的核心在于将物理世界与数字世界无缝连接，通过实时监控和优化生产过程，提高生产效率，减少资源浪费[3]。

数字孪生技术最初在制造业中被提出，而后逐渐扩展到航空航天、智慧城市、医疗保健、教育等[4]领域。数字孪生技术作为智能制造的关键支撑技术之一，其在食品工业中的应用逐渐深入。数字孪生技术通过创建物理实体的数字表示，并整合实时和现实世界的数据，为食品工业提供了一种应对挑战的有力工具。这些挑战包括满足不断增长的人口需求、减少食品损失和浪费以及提高生产系统的效率。

三、食品智能制造实训教学模式的现状

（一）教学资源有限

当前食品智能制造实训课程面临教学资源不足的问题，难以满足大规模教学需求。食品智能制造涉及到复杂的技术和工艺，需要丰富的教学软件来模拟实际生产过程，帮助学生更好地理解和掌握知识。然而，目前市场上专门针对食品智能制造的教学软件相对较少，且质量参差不齐，难以满足教学需求[5]。

（二）教学内容与实际生产脱节

食品智能制造实训课程面临的另一个显著问题是教学内容与实际生产活动之间的脱节。在教学实践中，教师们常常过分强调理论知识的传授，却未能充分将理论与实际生产操作紧密结合，导致教学内容与实际操作需求之间存在明显的差距。这种做法往往使得学生难以将所学的理论知识有效地转化为实际操作能力[6]。此外，食品智能制造技术日新月异，实际生产工艺与技术持续演进，但教学内容更新滞后，致使学生所学与实际需求脱节。

（三）教学方法单一

目前，食品智能制造实训课程的教学方法较为单一，缺乏互动性和实践性。在教学过程中，教师倾向于使用传统的灌输式教学，学生处于被动接受知识的状态，缺乏主动思考与参与互动的机会[7]。例如，在讲解分析食品企业的智能制造情况时，教师可能只是通过演示的方式进行教学，学生没有实际操作的机会，难以真正掌握设备的操作技能[8]。此外，教学方法的单一还体现在考核方式的单一上。目前，食品智能制造实训课程的考核方式主要以实训报告为主，缺乏对学生实践能力和创新能力的考核，难以全面评价学生的学习效果[9]。

四、数字孪生技术在食品智能制造实训教学中的应用优势

（一）解决设备不足、成本高昂的问题

在智能制造类专业的实训教学中，由于真实物理设备数量有限且占地面积大，传统的教学模式往往难以满足教学需求。通过数字孪生技术，可以构建虚拟的生产线和设备，使学生能够在没有实际设备的情况下进行操作和学习，从而提高教学效率并降低实训成本[10]。

（二）提升学生的动手能力和创新意识

通过虚拟仿真平台，学生可以进行各种创新型实验活动，培养其分析调试和设计的能力。例如，在工业机器人实训教学中，利用数字孪生技术辅助教学，学生可以更容易掌握理论知识和操作技能，并在一定程度上弥补了实训设备数量不足的问题[11]。

（三）支持远程教育和开放教育

在开放教育和远程教育中，由于硬件资源短缺和师资力量薄弱，传统的实训教学难以开展。利用数字孪生技术，可以搭建虚拟的实训平台，使学生可以在任何地点进行实操训练，解决了远程教育中的实训难题[12]。

（四）推动校企合作和产教融合

通过校企合作，可以共同开发基于数字孪生的实训平台和课程资源，实现数据、知识和技术的共享。这种合作模式不仅提高了教学质量和学生的实践能力，还促进了教育链、人才链与产业链的有机衔接[13]。

（五）提高教学安全性和效率

数字孪生技术通过虚拟仿真与物理操作相结合的教学模式，能够有效避免真实演示教学中的安全隐患，并提高教学的安全性和效率。例如，通过数字孪生技术构建的智能制造数字孪生实验教学平台，实现了智能制造实验教学的安全、高效和经济运行[14]。

五、数字孪生技术在虚实结合教学模式中的应用设计

（一）构建融合数字孪生的虚拟与现实交互教学平台

借助数字孪生强大的技术能力，精心打造一个虚拟与现实深度交织的食品智能制造教学平台。在这个平台中，利用数字孪生技术精确复现食品智能制造生产线的每一个细节，从原材料的输入端口，到复杂的加工环节，再到最终产品的输出，都能以高保真的虚拟形式呈现[15]。每一台设备、每一个传感器、每一道工艺流程，都拥有其对应的数字孪生模型。学生可以自由地在这个虚拟平台上进行模拟操作，宛如置身于真实的生产环境。他们可以启动生产线、调整设备参数，观察不同参数设置下的生产状态变化，并通过对生产过程中产生的海量数据进行分析，深入理解食品智能制造的原理和逻辑，挖掘数据背后隐藏的生产规律和潜在问题[16]。

（二）开发基于数字孪生案例的深度学习模块

基于数字孪生所构建的虚拟环境，设计一系列与实际食品生产紧密相关且极具代表性的案例。这些案例均取材于数字孪生模型所模拟的真实生产场景，涵盖了从常见生产问题到复杂突发状况的各种情形。例如，模拟在食品加工过程中，因设备故障导致的产品质量波动问题，或因原材料供应不稳定引发的生产效率降低问题。学生在面对这些案例时，需要深入数字孪生案例场景中，运用所学的知识和技能，对问题进行全面剖析，尝试不同的解决方案，并通过观察数字孪生模型的反馈结果，验证方案的有效性[17]。通过这种方式，学生在解决实际问题的过程中，不仅能够加深对理论知识的理解，更能将知识灵活应用于实际操作，培养解决复杂问题的能力。

（三）深化基于数字孪生的校企合作模式

积极强化与企业的紧密合作，充分发挥数字孪生技术在教学内容更新中的关键作用。与食品制造企业建立长期稳定的合作关系，企业利用其在实际生产中的丰富经验和前沿技术，为教学内容和案例的更新提供一手资料。借助数字孪生技术，将企业提供的实际生产数据、最新工艺、常见问题等信息融入到教学平台的虚拟模型和案例中。例如，企业在实际生产中对某食品包装环节进行了智能化升级，学校可通过数字孪生技术将这一升级过程和相关数据转化为教学案例，让学生学习最新的包装技术和自动化控制策略[18]。通过这种定期的、基于数字孪生的教学内容更新机制，确保教学内容与食品智能制造行业的发展紧密同步，时刻保持时效性和实用性，使学生所学知识与企业实际需求无缝对接。

六、总结

综上所述，数字孪生技术在食品智能制造实训课程中的运用具有重大实际意义。它通过融合虚拟与实体教学，不仅能够有效提升教学的效率与质量，还能增强学生的实践技能和创新思维能力。未来，随着数字孪生技术的不断发展和完善，其在食品智能制造实训课程中的应用将更加广泛和深入，为食品智能制造领域的教育提供新的视角和方法。

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