孪生仿真教学课程体系规划与研究

曹玲 南京工业职业技术大学

1 孪生仿真教学的概念和优势

1.1 孪生仿真简述

孪生仿真概念的提出基于对数字孪生与仿真技术的进一步融合，伴随着物联网技术的发展，与硬件设备对接的实时动态仿真技术日渐成熟。数字孪生是信息系统与物理系统的镜像映射，仿真是对映射于物理系统的信息系统的解析和模拟，而孪生仿真则是基于物理控制器控制的信息系统的全过程映射与解析。通过利用数字建模技术，将物理系统如工业生产线、智能机械臂等数字化，组成信息系统并通过仿真载体与物理控制器形成信息对接，通过对物理控制器进行编程与信息传输，实现虚拟空间内系统状态的响应，进而模拟物理系统的运作模式。

1.2 教学理念

孪生仿真教学的教学模式为“理论+建模+PLC编程+仿真+智能设备”。控制器和仿真在其中作为桥梁的作用连接了理论与实操。通过对智能设备进行建模，系统提供保留设备机械微观特征的高保真模型，在教学过程中，通过控制器与仿真平台的协议连接，使得学生可以通过控制器操作控制模型的行为动作，以模拟智能设备/生产线在实际软硬件启动下的行为模式。学生可通过对控制器行为再编程实现控制器代码重置，进而改变模型的行为模式，经过反复迭代，达到最优工作模式。经过验证的控制器编程代码这可以直接导入智能设备中进行实物严重而无需担心损坏设备。孪生仿真教学侧重于理论与实际的结合，将理论基础、实践能力、创新能力、学习能力有机统一，提升学生综合素质，培养学生的持续学习能力。

1.3 优势

1.3.1 普适性和专业性

孪生仿真教学过程中，涉及到机械建模、控制器编程、软件编程、物联网通信等多方面内容，涵盖对学生机械、电子、自动化、计算机等多领域的训练，根据学院专业方向特点可适当调整教学内容比例。同时教师可以根据学生对于知识理解能力的不同异构化教学课程，设置不同复杂度设备控制、不同阶段控制器编程甚至仿真平台功能的二次开发，插件制作等。

1.3.2 鲁棒性和容错率

孪生仿真教学通过控制器编程驱动数字模型行为模式，对于编程过程的错误具有较高容忍度，且重置方便，试错成本低，不用担心对实体对象造成伤害，具有高鲁棒性和容错率。

1.3.3 复制性和重用性

孪生仿真教学的核心在于帮助学生将理论知识转化为实践经验，在实践成本居高不下的情况下，通过将高价值对象数字化，不仅可以极大降低教学成本，同时数字化模型具有可复制性和重用性强的特点，支持以班级为单位的学生同时学习，增加学生实操机会，提高实践效率，进而提高教学质量。

1.3.4 理论与实践融通

孪生仿真教学通过将理论知识转化为形象的半实物仿真实践，帮助学生在实践中对学习的理论知识融会贯通，在提升学生实践能力的同时提升学生对知识的接受度。

1.3.5 学以致用，即学即用

孪生仿真教学的一大优势是轻资产教学模式，通过采购控制器、仿真工具及目标模型库即可帮助学生完成有理论向实践的过渡。同时，目标模型库具有强扩充性，能够根据现阶段主流设备的更替情况，及时补充和完善，以保证学生在学习过程中始终保持学习内容与企业接轨，即学以致用、即学即用。

2 孪生仿真教学建设存在的问题

孪生仿真技术源于仿真技术和数字孪生，并在物联网技术推动下形成，目前尚处于发展阶段，关于孪生仿真技术的应用场景将随着技术水平的不断推进而继续迭代更新，但究其本源依然依靠于基础仿真和物联网对接，同时现阶段国内高校对于孪生仿真还未给与充分的认识，因此在孪生仿真教学建设过程中存在以下问题：1、意识形态上与时俱进：在现代职业教育过程中，原有的教学模式不断被打破，新的教学方式方法不断应用在教学实践中，在新教学体系建设过程中，应对新的教学模式有充分的认知和预期；2、教学平台建设：目前在孪生仿真教学方面在西门子等企业已在逐步应用，但尚未有学校真正应用，因此所需教学资源比较匮乏；3、配套教材开发：孪生仿真教学尚处于摸索阶段，配套课程体系尚不健全；4、师资力量建设：孪生仿真教学过程中涉及信息、电子、自动化、计算机等多个领域，对于教师的知识面宽度和职业技术能力深度均有较高要求，现有师资力量尚不足以支撑授课。

3 孪生仿真教学课程体系建设

3.1 教学平台建设

在教学平台建设过程中：1、应围绕孪生仿真教学过程 “理论+建模+PLC编程+仿真+智能设备”设立建设目标；2、统筹教学目标、教学标准和学校现有资源，在明确教育目标和可共享资源的前提下分析教学平台建设过程中的局部必要性；3、根据教学目标，提出和确定教学项目、整体框架以及各功能模块；4、同类平台经济性评价，在确定教学平台建设方案的情况下，择优选择。例如在机械加工、智能智造领域教学中，平台应具备专业的智能智造/生产线建模平台和虚拟仿真软件平台，支持平台间数字模型的交互，同时仿真平台兼容主流控制器和控制器编程，根据教学需求配套相应控制器与智能智造模拟教学设施和生产设施。

3.2 配套教材开发

教材是学生学习理论和理解知识的第一来源，完善的教材可以帮助老师构建教学计划，给与学生完整的知识获取来源。在教材开发过程中，应奉行“寓教于学，学做合一”的指导思想，根据孪生仿真教学理念，在教材开发过程中，应注重理论知识与工程案例并举，通过实例教学将理论知识融会贯通。同时在教材开发过程中，应充分考虑到学生不同接受能力水平，根据基础理论教学、实践提高教学和研究进阶教学建立教材梯度，满足不同阶段教学需求。

3.3 教师资源建设

教师是教授学生知识、提高学生学习积极性、考核学生学习成果的主体，因此教师的知识储备和教学能力直接影响到教学质量。孪生仿真教学作为一种新型教学模式，尽管有较为明晰的教学里面和教学流程，但尚未有统一的教学标准和教学流程。因此它在两方面对教师提出了较高的要求：1、知识广度和技能深度：孪生仿真教学涉及信息、电子、机械、自动化、计算机等多个领域，在教学过程中，教师不仅需要对教学对象在理论上有较强理解，同时需要较强的实践能力，能够引领学生完成学习，启发学生思考，培养学生自主实践能力；2、系统总结能力和创新能力：孪生仿真教学具有一定开放性，同一个实践目标实现路径不唯一，因此给与了教师和学生一定的创新空间，更进一步通过系统总结和举一反三倒逼工作流程甚至机械模式的改进。

4 孪生仿真教学授课模式研究

4.1 学做合一

职业教育的核心教学思想源于黄炎培的实用主义思想，在教学过程中，提倡学生手脑并用，学做合一，提倡学生理论与实践并重。因此在孪生仿真教学过程中，应同时注重学生理论知识掌握水平和实践能力水平，平衡理论知识评价和实践能力评价标准，注重学生的职业综合能力的培养。

4.2 组合制实践教学

不同学生在学习能力和实践水平方面存在一定差异。在授课过程中，应根据学生接受能力合理制定教学进度和教学要求。在实际制定课程目标时，应建立梯度教学标准，分为基础能力目标、进阶能力目标和研究能力目标。基础能力目标设定在于培养学生基础实践能力，即为教学达标底线；进阶能力目标设定在于保证学生掌握基础实践能力的前提下，具备一定的自主创新能力；研究能力目标则是针对部分学习实践能力俱佳的学生，提供探索研究平台。

4.3 自主式拓展研究

自主式拓展研究应用于社团活动或科技技术竞赛，在指导教师的指导下，由学生根据自主学习需求，制定开放式学习目标。

5 孪生仿真教学评价体系研究

为有效实施孪生仿真教学，建立完善的教学评价体系，应建立教师的授课考评机制 和学生的学习考评机制。一方面将孪生仿真教学课程研发纳入教师的工作职责之中，将教师的教学能力、课程开发能力纳入教师年度考核之中，给予业务考核加分和物质奖励；二是将学生实训表现情况与成绩挂钩，将评分重点倾向于学生实训成绩，并对于高水平完成实训的学生给予适当的加分。