基于数字孪生的混合实践教学模式研究

张 帆， 曾 励， 任 皓， 竺志大， 戴 敏

（扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127）

0 引 言

随着高等教育发展，我国已建成世界最大规模的高等工程教育体系，目前在校工科学生占全球的三分之一多［1］，成为我国经济高速发展和成就全球制造大国的重要支撑。国家高度重视高等工程教育事业的发展，近年来先后推出卓越工程师计划、“新工科”建设、工程专业认证等一系列重大举措来加强工程人才的培养水平［2-7］，推进高等院校深化教学改革，适应新时代和新技术对工程技术人才培养的新要求，尤其是在工程人才的工程实践能力、创新能力、协作能力、终身学习能力等方面的培养。这些目标的实现都离不开高等院校对工科专业实践教学模式的改革创新［5-9］。结合多年教学和教改的经验，以数控技术这门专业课程为例，针对当前工程实践教学的问题和特点，研究了基于数字孪生的混合实践教学模式，为工程专业实践教学改革提供一种新的思路。

1 数控技术实践教学的现状与特征

数控技术工程实践教学是高校机械工程专业课程体系中的重要环节，也是高校工科机电专业人才培养的重要手段。数控技术作为一门综合性、实践性很强的机电专业课程，其课程内容涉及到机械制造技术、测试技术、伺服驱动与控制原理、数控加工编程等广泛的专业理论知识和数控机床操作、数控工艺设计、数控机床的维护等专业技能。传统实践教学模式依赖于实际机床和试验台架实物设备来支持相关的教学活动，这种教学模式存在以下几个方面的问题：

（1）传统实践教学的开展离不开各种实验实训设备的支持，在实践教学过程中还需要消耗一定量的材料，这些都需要学校付出大量的教学经费。一般高等学校的投入往往难以满足这种实践教学模式对设备数量的需求，从而使得学生无法得到足够的实践训练机会。

（2）因为设备资源、教学师资等方面的限制，实践教学在教学大纲中所占比重较轻，通常只安排4～6学时的实验和1～2周的实训教学学时。这样的时间安排落实到每个学生，其实际动手时间更少，难以保证学生达到较好的学习效果，更无法满足创新型实践教学活动的要求。

（3）传统实践教学教师一对多的现场教学环境下，由于人数和环境的影响，教师的演示与讲授并不能保障每一个学生都能够得到有效的学习。

2 数字孪生混合实践教学模式探索

2.1 数字孪生技术

数字孪生思想是21世纪先进制造技术领域出现的一种新型信息物理融合理念，最早由美国密歇根大学的Michael Grieves教授提出，起初被称为“信息镜像模型”（Information Mirroring Model），而后演变为“数字孪生”（Digital Twin），也被称为数字双胞胎和数字化映射［10-14］。数字孪生技术的目标是针对潜在或实际的产品，利用计算机构建产品物理实体从微观到宏观的各种工作状态和工作进程等在信息空间的全要素数字化映射，形成一个集成的多物理、多尺度、超写实、动态的仿真模型，从而使用户借助这一模型来模拟、诊断、预测、监控产品的物理实体在现实环境中的制造形成过程、应用工作状态和行为［15］。数字孪生技术经过10余年的研究发展，已经在产品设计、制造、检测、维护中得到应用，在数字化制造工厂的自动化控制中得到了良好的应用效果。利用数字孪生技术可以最大限度地实现数字化虚拟产品和现实物理产品的统一，从而保障虚实环境的一致性，防止传统仿真环境虚实差异导致的仿真结果与现实的不同。

2.2 混合教学模式

混合教学模式是当前教育部提倡的一种新型网络化高效教学模式［16-20］，它将传统课堂教学和网络化在线教学有机的集成为一体，来满足新时代学生个性化、信息化、定制化学习的需求，这种教学模式融合了线上和线下两种教学形式。线上教学是将学习资源放到公开或限制性公开的网络信息平台上，为每位学生提供全方位的优质教学资源。学生按照教学进度利用教学资源进行自主学习，并进行自我检测。线下教学是指课堂教学和实验教学这些师生面对面的教学，课堂教学包括教学内容重点讲授、专题讨论、课堂测验、教师答疑辅导等教学活动。教师可随时根据学生的学习情况，对课堂的教学设计和教学活动进行微调，高效率地解决学生的个性问题或共性问题。混合式教学模式的最终目标是让每个学生成为主角，在丰富的在线学习资源和“大班级”环境里，在不脱离教师、教材和“集体”的情况下进行自主学习和个性化学习。

2.3 数字孪生混合实践教学平台

2.3.1 混合教学与管理平台

混合教学与管理平台（见图1）中的学习资源与练习资源需要根据学习内容中的知识点和技能点碎片化，以方便学生可以在课外利用碎片时间进行自主学习与练习。平台的功能设置需要方便学生把握学习过程的主导权，进行有计划、按步骤地进行学习。通过学生的自主学习激发学生的专业学习兴趣，更好地锻炼工程实践能力和创新能力，培养学生终生学习的能力。平台上还应为教师提供相应的功能设置，便于教师进行学习资源和练习资源的发布和教学活动的引导和监督。教师利用平台进行各种数控技术工程实验实训教学知识点、技能要点的碎片化，在课程开始之前完成教学资源，如微课视频、教学课件、原理动画、参考资料和操作手册等的发布，教学过程的设计和组织，实践项目的设计与发布等工作。在教学过程中教师利用平台提供的功能来引导、监控和考核学生的学习进度，根据学生的学习能力调整教学进程，帮助学生提高学习效率。

图1 混合教学管理平台

2.3.2 数字孪生实验实训平台

数字孪生实验实训平台（见图2）是学生进行实验实训教学的虚实融合的自主动手实践的训练空间。它包含虚实两套实验实训教学的设备环境，这两套环境不是相互独立的，而是一个有机的整体。现实环境中的每一台实验实训设备在虚拟环境中都有其对应的孪生体，孪生体借助数字孪生实验实训环境的信息物理数据模型与物理实体间实现多领域信息、控制耦合，虚实设备之间可以利用信息物理数据模型实时地进行数据交互和相互控制。因此在虚拟环境的孪生体上做任何操作与运行，意味着可以在现实设备中可以等效实现，学生从中获得的知识与体验与物理实验台中的一样真实，这是一个更有吸引力的学习环境，能使学生达到更好的学习体验效果。

图2 数字孪生实验实训平台

数字孪生实验实训平台可以最大程度上克服传统实验实训教学中的各种限制，为学生的自主实践训练提供更加方便和有效的学习空间。学生可以更方便直观地观察演示实验，随时随地进行操作练习，按照自己的想法尝试实践项目的解决方案，得到一个高效和全面的能力实践训练。利用数字孪生实验实训环境，可以减少每个学生在实践环节占用实验实训设备的时间，从而降低因学生增加带来的设备和经费压力；同时在孪生环境中的训练可以避免因操作不熟练给学生带来的伤害以及对设备产生的损坏，增加了学生参与工程综合和创新项目的机会，全面提高学生的工程综合与创新能力。

3 基于数字孪生的混合实践教学模式尝试

3.1 3层的实践教学过程设计

考虑到学生在实践教学中对数控技术的认知和掌握是一个从理论到技能、从简单到综合的过程，在不同阶段具有的不同的认知和训练需要。根据层次递进、模块分解、综合集成、开放共享的教学改革思路设计了3层实践教学过程。

（1）数控原理认知过程。针对与数控技术课程配合的实验教学，为学生了解和掌握数控机床的轨迹控制原理、伺服驱动控制机制设计等一系列相应的自主演示实验任务。学生按照老师的提示和要求在数字孪生的认知环境中自主进行演示实验，由于数字孪生实验实训环境中为实验设备提供了多领域全息的信息物理数据模型，因此可以随时以多种可视化方式调阅设备各方面的运行数据，从而让学生更直观地理解数控技术的工作机制和原理。这种一对一的自主学习克服传统现场集中演示与虚拟动画演示教学方法的不足，容易激发学生的求知欲和对课程的专业认同感。

（2）数控加工训练过程。针对数控加工实训教学，为培养学生的数控机床操作能力、数控加工工艺设计能力和数控技术工程应用能力，设计一系列相应的自主训练任务。为了保障学生能够得到系统有效的训练，教师在这一阶段的教学过程设计中要遵循技能点碎片化和自主训练的教学理念，将各种机床操作和工艺设计内容分解成技能点、能力点，并给予学生学习与训练指导。学生利用课内外碎片时间在数字孪生实训环境中进行实训练习，掌握机床操作与不同零件加工的工艺要领。这种教学设计可以因材施教，激发学生的兴趣与热情，保证学生得到充分的训练，为后续的工程综合训练打下基础。

（3）数控技术综合过程。针对数控技术的综合应用能力和工程创新能力培养，以工程项目、实际加工制造为背景，通过“项目引导”的教学形式进行数控技术综合实践，设计一些具有综合性的工程项目任务，组织学生分成若干项目工作小组，自主设计工程问题的解决方案，并加以实施。在数字孪生实验实训环境中学生可以很方便地进行方案的尝试，利用多领域全息的信息物理数据模型找出方案中的缺陷与不足加以改进，并可以加工出零件实物。利用项目经历培养学生工程实践与创新能力，锻炼工程协作与组织能力，养成有序的专业工作习惯。

3.2 基于数字孪生的混合实践教学的效果

虽然基于数字孪生的混合实践教学模式还在尝试阶段，但它已初步显示出其相较传统模式的优越性：

（1）提高了学生学习的积极性。新的数字孪生实践学习环境诱发了学生的自主学习，学生能够配合实践教学的要求，积极主动地查阅教学资料，主动完成演示实验和实训练习。

（2）学生得到充分的实践练习。在新的数字孪生实践学习环境下学生的实践学习从课内延伸到课外，打破传统实践教学局限性，实现“时时可学、处处能做、样样可试”的全方位的实践学习，诱使学生主动迎接一个个实践挑战，从而得到更为全面的实践训练。

（3）学生综合实践能力得到提高。新的数字孪生实践学习环境便于组织基于项目的综合实践训练，更快捷地实现学生的创新构想，获得真实有效的项目结果，使学生通过项目创新训练，工程综合能力和创新能力得到了极大提高。

4 结 语

针对当前高等教育实践教学改革的特点与需求，结合高等教育领域的最新教学理念和制造工程领域的新型信息化技术，进行基于数字孪生的混合实践教学模式研究探索。提出基于数字孪生的混合实践教学平台的结构框架，并给出基于数字孪生的混合实践教学过程的设计方案和初步的试验效果。利用数字孪生的实践学习空间的全息化和灵活性，大大提高学生学习的兴趣和自主性，将教师从繁重、重复的传统教学中解放出来，更多地关注教学方法的改进与教学效果的提升，真正实现学生各方面专业能力的培养与提高。为新环境下的大学专业课程实践教学改革探索一条有效的新途径。