面向金课的虚实融合校企协同实践平台探索

金 霞，王 珉，田 威

（南京航空航天大学，南京 210016）

在习近平新时代中国特色社会主义思想的指导下，2018 年，教育部发布《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》，提出要推进现代信息技术与教育教学深度融合[1]。2019 年提出一流课程“双万计划”，南京航空航天大学飞行器制造工程专业获批2 个国家一流课程：飞机大部件装配虚拟仿真实验（虚拟仿真型）和钣金模具综合实验（线上线下混合式）[2]。但一流课程建设不是“一锤子买卖”，不是阶段性任务，而应成为专业课程建设常态，需要持续建设，特别是随着教育信息化的深入发展以及飞行器先进制造技术的发展，企业行业对高素质复合型人才的需求不仅在于理论知识的掌握，更看重较强的实践能力和创新能力，因此如何通过持续建设金课，实现一种具有可持续发展自驱力的金课群建设模式，打造可持续发展的培养高素质复合型人才实践能力的平台，是目前专业发展需要研究的问题。

一 目前存在的问题

本专业获批的2 个国家一流课程：飞机大部件装配虚拟仿真实验（虚拟仿真型）和钣金模具综合实验（线上线下混合式）均为实践类课程，更着重对学生解决复杂工程问题能力的培养，但随着先进制造技术和现代化信息技术的飞速发展，实验内容、模式等都应做出相应改变，但目前依然存在一些问题。

（一）科教融合不充分，线上线下金课缺乏最新科研成果的持续输入

以走在智能制造尖端的飞行器制造工程专业为例，科研方面往往代表了制造技术的最新发展，但建设的实验金课往往难以及时随着科研而更新，主要原因在于：有的任课教师专门从事教学而不搞科研；从事教研的老师往往在做科研时没有考虑如何与教学融合；本专内教师的科研方向相对固定，往往不能覆盖专业内全部方向，具有一定局限性；独木难成林，难以考虑充分全面。以上种种，导致实验课程内容往往会相对陈旧，难以及时以最新科研成果来更新实验内容，因此需要建立一个合适的平台，集校企人才之长，共同把握和分享相关学科领域的新动态，以提升整体科研水平并服务于教学，探讨如何将最新科研成果融入到实验教学中，并相互共享，共同培养学生探究能力、创新能力。

（二）校企两方在教育方面没有真正协同起来

大学培养的人才最终要服务于企业服务于社会，因此学生培养应该符合人才需求，现有金课有线上、线上+线下实验，但是实验与企业需求联系不够紧密，如国家级一流课程“钣金模具综合实验”中的线上实验“飞机蒙皮拉形虚拟仿真工艺设计”，其中的工艺参数拉形量的计算来源于课本上的“位移量”法，与现在企业中常用的“吨位方法”“观察法”“曲线拉伸法”存在差异性，导致学生毕业后在这方面会有认知差异问题。此外，飞行器制造工程专业的特殊性，导致大型实验设备、飞机等无法在学校建设，而实习时间较短，且不能实际操作，难以满足能力培养要求，因此迫切需要在学校与企业之间建立一个桥梁，以双赢的方式共同培养学生和企业员工，即校企双方针对某一共同的具体领域，开展校企协同育人虚拟仿真项目的建设，积极开发学校和企业“利益”一致的实践环节，实践教育实现需求从企业中来，落地到企业中去，形成良性的可持续合作机制。

（三）后疫情时代，现实条件下的实践越来越不好开展，经常会受到突然发生的局部疫情，打乱整个实践教育计划

2020年国家级虚拟仿真实验项目在疫情期间发挥了重要的作用，但是疫情没有完全停止，依然此起彼伏且无从预判，时不时将正常的线下教学秩序打乱，这对人才培养是很大的阻碍，目前学校的虚拟仿真实验项目，还只是专业实践体系中的一小部分，难以满足突发疫情时的实践培养需要，因此迫切需要建设可持续发展机制用于完善虚拟仿真实验体系，及时跟上日新月异的智能制造新技术，随时应变突发的局部疫情。

因此，急需构建一个虚实融合、校企共赢的协同育人实践教育平台，共同探索、开发可持续实验项目，形成良性的可持续合作机制，完善专业虚实融合的实践培养体系，应对突发疫情，协同培养创新型人才。

二 虚实融合的校企协同育人实践教育平台的建设

（一）校企协同育人实践教育平台运行机制

飞行器制造工程专业，由于其专业的特殊性，在建设实验中存在一些困境：①由于实验场地大、设备大、部件大、工艺流程复杂等因素，学校难以复制诸如飞机装配、复材零件成型、大型钣金件成形这样的大型工程现场；②新型设备往往需要有相应的专业资质和上岗证，师生均无法达到基本安全要求；③实验需要不断升级大型专业设备和工装，消耗大量昂贵的实验材料，物理实验成本极高；④传统的实验只支持重复认知型实验，无法开展飞机大部件装配的高探究性实验，直接影响了学生创新能力的提升。而虚拟仿真实验项目可以改善这个困境，梳理专业虚拟仿真实验体系，根据飞行器制造工程专业培养方案和飞机制造特点，按照体系化设想，以飞机零部件为主线，以飞机大部件为目标，根据知识结构，由毛坯→零件制造实验（成形）→钣金或复材零件→部件装配实验→装配部件→翼身对接实验→飞机大部件，构成一个飞行器制造工程专业教学知识体系，对应构成实践教学知识体系，建设相应知识点的虚拟仿真和实操实践项目。

虽然已有两门金课，但随着制造技术的发展，实验课程应能及时跟上最新科研成果，及时跟上企业工程需求，因此，专业探讨建设一个虚实融合的校企协同育人实践平台，结合教研室教师的智能制造技术科研成果，基于该平台，开发可扩展的科教融合实验项目，完善对金课“高阶性、创新性、挑战度”的建设，具体措施过程如图1 所示。基于企业合作科研项目，通过教研室负责人和教学团队的共同探讨，确定虚拟仿真实验项目，以专业实验教师为主体，面向学生发布开发项目，学生可作为科创项目或者毕设项目，或者与工厂需求对应的校企联合项目，通过多次开发迭代，形成可扩展实验项目，并在实验教学中应用，并通过应用反馈，形成闭环，完善实验项目，逐渐完善后疫情时代的虚实融合实践教育体系，以达到对学生能力培养的目的。

图1 校企协同育人实践教育平台运行机制

教学团队从一开始就要共同探讨如何设计将科研与教学融合，并服务于教学，将科研进展快速迭代到教学实践体系中，包括融入科研的实验内容设计、教学过程设计，制定符合“金课”建设标准的实验课程教学大纲、及时梳理课程体系和更新教学内容，并随时跟进科学研究新方向，利用团队各成员航空智能制造新成果，通过交流后，快速迭代到实践教学体系中，探讨教学设计、教学评价，共建和共享教学资源，并开展教学经验共享交流，共同推动实验金课的建设，并共享课程，促进教育公平。

（二）校企协同育人实践教育平台的建设

校企协同育人实践教育平台如图2 所示，将线上和线下实验教学有机融合起来，其建设主要基于以下几点。

图2 虚实融合校企协同育人实践教育平台

1）虚实融合：虚拟和实际相结合，将虚拟环境下的探索式实践，和实际环境下的验证性实践有机的结合起来。利用线上虚拟仿真试验，将真实的工程场景展示在学生面前，使学生在明晰的应用背景前提下，对探索实验的工艺参数进行优化，并激发相应的验证欲望。在此基础上，由于学生已获得基本准确的工艺参数，可以避免实操实验大多数不合理参数，变更原来的重复认知型实验为探索验证型实验，从而显著提升实验的效果和价值。虚拟仿真实验项目能够供学生进行不计成本的探索性实验，比如工艺仿真，同样也能供企业员工进行零成本的设备操作以及工艺知识培训，建立一个校企协同育人实践教育平台，以科研的形式解决企业工程问题，并以虚实结合的方式，将企业工程问题通过虚拟和实际相结合，将虚拟环境下的探索式实践，和实际环境下的验证性实践有机地结合起来，建立虚实结合的实践教学项目。

2）校企协同：学校和企业相协同，将学校的智力资源（虚拟仿真）和企业的生产资源（生产现场）贯穿起来，提供可持续的实践教育资源平台。也就是说，针对老师与企业的科研合作，从科研中提取可用于实验教学的内容，科研在企业中完成，形成企业的生产资源，提取出的实践教学内容在学校完成，形成虚拟环境下的探索式实践，从而将学校的探索式虚拟实践和企业的验证性实践有机地结合起来，相互印证，反之对企业而言，员工在实操之前，可以在虚拟环境中进行多次无成本的试错操作和培训，达到校企共赢的局面，共同完成对人才的培养。虚实结合的实践教学项目，既可用于学生探索性实验，又解决了企业工程实际问题，并为企业员工的培训提供了平台。学校和企业相协同，以共赢的形式，将学校的智力资源（虚拟仿真）和企业的生产资源（生产现场）贯穿起来，建立可持续的协同育人实践教育平台。

在实施中，针对教学团队，主要采取以下措施：①科研成果“虚拟化”。将自主研发的新设备建设数字孪生设备，提供用户体验一致的“虚拟设备”，满足教学实验、培训等实践教学需求；②工艺知识“仿真化”。梳理相应的工艺知识点，凝练实践环节，通过虚拟仿真实验，低成本高探究性地实现实践教育环节；③协同育人“持续化”。积极开发校企“利益”一致的实践环节，实践教育实现需求从企业中来，落地到企业中去，形成良性的可持续合作机制。

如，教学团队多年来与企业合作，在飞机部件装配环形轨道制孔系统方面具有很丰富的研究成果[3]，研制的大型飞机环形轨道自动制孔装备可自动完成飞机机身对接部位的自动制孔加工，系统包括环形轨道、制孔机器人、集成控制软件和离线编程软件等，包含多项先进的技术，但在现有的实验课程中却没有体现，这就是“科教未融合、校企未协同”的问题，通过本平台，联合教师和学生之力，开发了其线上虚拟仿真实验项目，学生可通过该项目，掌握飞机装配中加工点定位、法向检测和调整方法，了解高柔性轨道系统的设计与制造，掌握编程方法，并最后进行制孔的工艺设计，并可不计成本地在线上完成实验，该线上项目同样可以用于企业员工的培训，包括设备操作使用以及工艺设计的培训；在线上完成实验，并获得可执行的工艺设计后，即可在线上进行实操实验，通过线上线下虚拟融合实验，实现对学生工程问题解决能力和创新能力的培养。

通过平台的建设，可实现：①虚实融合的沉浸式实践育人平台。智能设备控制和孪生仿真统一的用户界面完全相同的操作模式，可以达到完全一致的用户体验和完全同步的更新方式；②校企协同育人的先进性制造装备实训。培养提升学生专业知识，也可以用于企业自动化设备的实训（学校/企业的教学实训，设备操作上岗培训等）。③培养学生自主可控的工业软件开发验证能力，可以用于设备的自主可控离线编程仿真验证平台（当前采用CATIA 平台，二次开发需要的成本和周期较大）；④拓展学生专业知识的探究性创新实践素质，可以用于数字孪生监控，开展进行故障预测的智能方法探索。

（三）校企协同育人实践教育平台建设成效

在校企协同育人实践教育平台上，企业参与度高，企业可以提供更好的资源和数据支持，校企双方能合作开发出更贴近工程实际需求同时又紧密联系理论的符合金课标准的实验项目，对学生解决复杂工程问题能力和创新能力的培养提供了良好的平台，并进一步推动实验内容和平台的建设，形成校企协同的新驱动力。

而基于校企协同育人实践教育平台开发的可扩展虚拟仿真实验，由于可扩展性和共享性，可以紧跟智能制造新技术的发展，让学生能随时随地掌握最新技术并实践应用，培养自身对实验的开发能力。

在后疫情时代，虚实结合实践教育新模式，可应对突发疫情，不影响正常的实践教学计划，可推广使用。

目前通过该平台，已建设一些虚实融合或者虚拟仿真的实验项目：虚实融合蒙皮拉形工艺设计实验、虚实融合大型飞机环形轨道自动制孔设计实验、虚拟仿真壁板自动钻铆工艺设计实验、虚拟仿真飞机翼身对接实验等[4]（图3），其中蒙皮拉形工艺设计、壁板自动钻铆和翼身对接实验项目已经在部分院校（西北工业大学、贵州理工学院和南昌航空航天大学等）中进行共享，大型飞机环形轨道自动制孔工艺设计项目和上飞公司进行共享，上飞员工可在虚拟实验项目上进行培训，培训达标后方可进行实际操作，节约了企业成本，缩短了培训时间。未来在该平台上还将继续建设实验项目。

图3 基于平台建设的实验项目（部分）

三 结束语

构建虚实融合校企协同育人实践教育平台，可以使飞行器制造工程专业课程的学习，实现真正意义上的理论应用于（虚拟+实操）实践，并能及时了解、掌握和应用先进制造技术，让学生在虚拟结合的实践过程中完成实践能力和创新能力的培养；虚拟仿真实验项目的开发，可以实现学生科研能力的培养；校企合作开发实验项目，推动产教融合，实现校、企、生三方共赢，促进国家虚拟仿真项目和一流课程金课建设与实践。