依托虚拟仿真技术,打造中职智能制造专业群虚拟仿真实训基地探索与实践

文/广州市番禺区职业技术学校 陈崇军 杨 斌 马定中

制造业是国家经济命脉的主体,是立国之本、强国之基。党中央高瞻远瞩提出“中国制造2025”、《“十四五”智能制造发展规划》等加快建设制造强国的重大战略。新一代信息技术蓬勃发展并加速向制造业全链条、全流程渗透融合,催生了智能制造这种全新的生产方式,智能制造已成为推动制造业高质量发展的主攻方向,产业升级和经济结构调整对高素质制造业技术技能人才的需求巨大。虚拟现实(VR)、人工智能、5G技术等新一代信息技术日趋成熟,新一代信息技术应用于教育是教育技术发展的一次飞跃。虚拟仿真技术在职业教育领域的应用正以丰富的形式迅猛发展,先进的虚拟仿真技术手段,是传统“以教促学”的学习方式的升级,促进了教育方式的创新和教学方法的变革,促进了虚拟仿真硬件环境、虚拟仿真教学资源建设,为虚拟仿真实训基地建设提供了支撑。2020年教育部《关于开展职业教育示范性虚拟仿真基地建设工作的通知》为我校智能制造专业群虚拟仿真实训基地建设提供明确指引。本文通过探讨依托虚拟仿真技术,为打造中职智能制造专业群虚拟仿真实训基地,更好培养制造业复合型技术技能人才提供参考。

一、中职智能制造专业群实训教学现状

在“智能+制造”、“互联网+制造”的背景下,制造业企业的岗位职业能力呈现不同的发展趋势。高端装备制造,特别是汽车制造、数控机床制造是制造技术创新、管理模式创新和组织方式创新的先进制造技术和应用模式的结合体。新技术的交叉与融合会越来越明显,新一轮技术和产业革命的方向不会仅仅依赖于一两类学科或某种单一技术,而是多学科、多技术领域的高度交叉和深度融合。现中职智能制造专业群虽然配备了相应的实训基地,但是由于条件所限,目前的实训基地对于先进制造业相关专业群建设来说无法切实地满足实训教学需求,存在着各种各样的问题。例如,高端数控机床、智能制造生产线等实训设备贵重、复杂,不能拆装,设备内部结构看不到、工作原理难展示,不利于学生理解设备结构及工作原理;同时学生多,实训设备少,实训工位不足,实训时间少,实训练习效率低;实训耗材消耗高,数控加工等实训消耗成本高,往往用塑料件、石蜡件代替金属件,脱离生产实际,同时,复杂的加工由于成本等因素不允许做;设备操作所使用的实训设备型号固定,操作系统单一,学生不能充分练习、学习各类机床和系统,无法适应企业多样化操作系统;实训教学资源匮乏,学生的学习积极性不高,课后无法回顾、复习和练习。同时,由于数控机床、工业机器人、自动化生产线等设备操作存在一定的风险,初学者会产生畏惧,实训教学操作少,不利于制造业复合型技术技能人才的培养。

二、中职智能制造专业群虚拟仿真实训基地建设的可行性

虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、人工智能、云计算和5G等新一代信息技术日趋成熟,新一代信息技术应用于教育是教育技术发展的一次飞跃。虚拟仿真技术在职业教育领域的应用正以丰富的形式迅猛发展,先进的虚拟仿真技术手段,是传统“以教促学”的学习方式的升级,促进了教育方式的创新和教学方法的变革,促进了虚拟仿真硬件环境、虚拟仿真教学资源建设,为虚拟仿真实训基地建设提供了支撑。通过建设智能制造专业群虚拟仿真实训基地,能有效解决智能制造专业群实训设施不足、实训训练不强、实训空间和时间限制、实训效率低等问题。虚拟仿真实训基地可以通过先进的虚拟仿真技术解决实训过程中高投入、高难度、高风险、难实施、难观摩、难再现的“三高三难”问题,改造传统专业实训模式,打造集新理念、新工具、新技术为一体的技能人才培养模式,更好地培养先进制造业复合型技术技能人才。

三、智能制造专业群虚拟仿真实训基地建设思路与措施

(一)建设思路

专业群虚拟仿真实训基地建设坚持服务课程实施的原则,面向“新技术、新产业、新模式、新业态”持续推进实训教学信息化建设和实训教学资源开放共享,推动专业群实训教学的改革与创新。对接区域经济社会发展和产业转型升级,瞄准先进制造业对应产业链,按服务先进制造业,对接产业链职业岗位群,并兼顾专业学科共性的逻辑,围绕复合型课程的实施,按职业岗位链对接实训基地链的思路,按“立体互通、领先实用”的标准,校企合作共建开放共享,集实践教学、社会培训、企业生产、技术服务和创新创业等功能 “虚实结合”的五位一体虚拟仿真实训场所。

(二)建设的策略与措施

1.整合资源优势,建设专业群通用能力虚拟仿真室

依托虚拟仿真技术构建专业群通用能力虚拟仿真室,实训室设有虚拟仿真体验参观区、集中教学区和研发应用区,用于虚拟现实互动体验以及高水平教学及资源创作研发。实训室设置60个实训工位,配备高度仿真、沉浸感强的VR实训系统、虚拟设备(如 VR 一体机、VR 头盔等)、桌面全息3D交互机、无编程VR快速开发平台、计算机、LED立体大屏、桌椅和其他附属设备组成。满足智能制造专业群机械基础、机械制图与CAD等通用能力课程教学,使教学内容具有极强的包容感、真实感、沉浸感,能够提高学生的学习积极性以及学习兴趣,解决教学内容难实施、难观摩、难再现的难题。

2.校企合作,建设专业核心课程虚拟仿真室

根据专业群内各专业的特点,结合专业核心课程实训教学的要求及实训设备现状,围绕 “VR+教学”模式,从课堂教学、实验实训教学、学生自学三个方面进行顶层设计。由中职学校主导、企业协同,在专业实操实训室中搭建以实带虚、以虚助实、虚实结合,融教学、实训、培训、技术研发、竞赛、科普等功能于一体的专业核心课程虚拟仿真室,有效解决实训教学过程中高投入、高损耗、高风险,部分实训项目设备内部看不见、工作原理搞不清等难题。每个专业核心课程虚拟仿真室设置30个实训工位,配套1套教师屏(121英寸VR黑板)、VR实训系统、虚拟设备、计算机、录课摄像头、学生桌椅和其他附属设备组成。通过登录VR云平台,调用线上VR资源授课。满足专业核心课程教学及实训的需要,服务学生“1+X”职业技能等级证书的考核。

3.建设智能制造+数字孪生综合虚拟仿真室

随着制造业转型升级加速,中国制造将往自动化、智能化方向发展,为适应装备制造业转型升级的需要,专业群着手建设智能制造+数字孪生综合虚拟仿真室,形成虚实产线一体化实训,提高智能生产线实训教学效果,突破实体产线设备数量、内部结构认知、维护成本、安全等方面的限制。智能制造+数字孪生综合虚拟仿真室建设包含以下内容。

(1)搭建智能制造实体产线

智能制造实体产线主体由MES系统、电气控制系统、6 轴机器人、1数控设备、立体仓(工件仓、刀具仓)、线边仓、AGV小车等主要设备构成,完全和企业实际生产对接,实现自动化、智能化生产。

(2)构建智能制造数字孪生产线

根据建设的智能制造实体产线,构建智能制造数字孪生产线,形成虚实产线一体化实训,提高智能生产线实训教学效果,突破实体产线设备数量、内部结构认知、维护成本、安全等方面的限制。系统与智能制造工业智能产线1∶1对应,包含CNC设备、机器人、非标专机设备、物料平台等装备的三维智能工序模型,支持PLC自动化工控程序与VR人相互实时干预,实现人/硬件PLC/虚拟智能设备/虚拟智能产线/VR设备/硬件控制台五路交互控制的实时计算,构建五路输入的虚拟现实实训环境。

(3)配套虚拟仿真系统

同时还在该实训室配套30工位相应的虚拟仿真系统,满足智能制造模块化实训项目教学,例如:设备的安装、调试仿真操作,工业机器人的仿真操作应用,plc编程仿真,传感技术仿真等。服务机械原理、工业机器人应用、模具制造等课程教学与实训。

4.搭建虚拟仿真实训基地共享云平台

(1)依托先进信息技术,建设VR教学云平台

建设一个满足电脑、平板等多种应用终端使用的VR教学云平台,满足单机的虚拟仿真软件资源在互联网上在线使用,尤其支持普通单机版VR软件的在线使用,相比网页版虚拟仿真资源,单机版VR资源云共享的方式,更稳定、更安全。虚拟仿真云平台具备先进性、便捷性、安全性等特点,同时还满足开放资源、在线直播、仿真实验演示授课、教学视频学习、典型实景材料等教学功能,还具备教学监管功能。

(2)根据课程需要,开发配套虚拟仿真教学资源

面向高端装备制造业人才培训需求,立足本校实训教学实际情况,开发本校制造类专业通用能力课程及专业核心课程、生产线的VR孪生虚拟仿真实训教学资源。

(3)共享外部虚拟仿真实训资源

虚拟仿真实训资源一次开发,可重复使用。除了针对自身实际情况建设虚拟仿真实训资源外,为了避免重复建设,避免资源浪费,需要共享兄弟院校或行业企业已经建设完成的虚拟仿真实训资源。我校虚拟仿真资源建设完成后,也开放共享,辐射到其他学科专业与行业企业,为社会服务。

5.健全虚拟仿真基地管理机制,确保基地可持续发展

成立由学校联合政府、学校、行业和企业组成的“政行校企四位一体”实训基地领导小组,形成“共建、共管、共享、共赢”的组织架构,协调各方,统筹资源,实现基地效益最大化。健全虚拟仿真实训基地的管理制度、运行机制、绩效考核、实训基地维护与可持续发展及共享机制各种制度,以体制机制改革和制度创新为着力点,以打造技术技能人才培养高地和技术技能创新服务平台为主要抓手,提高治理能力和治理水平,深化内部管理体制改革,形成虚拟仿真实训基地的治理制度体系,确保基地可持续发展。

四、虚拟仿真实训基地建设的成效

(一)建成虚实一体、功能完善的虚拟仿真实训基地

专业群虚拟实训基地采用多媒体、人机交互、传感器、超级计算、VR、AR、数字孪生、云计算等网络化、数字化、智能化技术等手段,技术先进。该基地集实践教学、社会培训、企业生产、技术服务和创新创业等功能“虚实结合”的五位一体虚拟仿真实训场所,功能齐全,有效促进教学水平的提升及育人水平的提升,发挥基地对区域重点产业新技术应用的示范、引领作用。

(二)建成“技术新、功能全、应用广” 的虚拟仿真教学管理云平台

根据教学管理需求,运用计算机网络技术、数据存储技术、快速数据处理技术等,构建虚拟端的云平台,实现虚拟仿真实训的教学运行和教学管理信息化。通过对实训理论教学管理、虚拟仿真管理、线下实训教学管理和在线实训教学评价体系的建设,形成“理论教学-虚拟仿真-实物实训”各环节教学场景的闭环控制和形成性评价,为虚拟仿真教学管理提供可参考方案。

(三)建成优质资源共享、推动课程改革创新的虚拟仿真资源系统

校企合作依托虚拟仿真技术,搭建高度逼真的全新实训环境,建成面向先进装备制造业、智能制造等多产业的虚拟仿真实训项目。根据专业群每门专业课程的实际需求,开发设计各类实训实习项目的VR孪生虚拟仿真实训教学资源,通过虚拟仿真实训“云平台”,实现资源共享,解决职业教育实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”痛点和难点,带动课程内容创新,教法学法创新,教学效果得到显著提升。

(四)教学团队的教学能力科研能力显著提升

锻炼教师虚拟仿真实训资源应用水平,教师在教学中采用新方法、新模式、新手段;鼓励教师开发自己所负责课程的虚拟仿真实训教学资源,做到课程内容不断更新;打造专门的虚拟仿真实训教师团队,教学水平得到显著增强。

(五)建成共建共享、面向区域行业企业服务新高地

依托虚拟仿真实训基地虚拟仿真教学云平台,建立区域共建共享机制,实现优质虚拟仿真实训资源的开放共享和持续应用,为职业学校、行业企业提供教学服务,打造一支既懂专业又懂虚拟仿真技术的师资团队,逐步成为服务智能制造、乡村振兴等重要领域技术技能人才培养的新高地,得到企业和社会的高度认可和广泛支持。

综上所述,建设中职智能制造专业群虚拟仿真实训中心,能有效解决专业实训设施不足、实训训练不强、实训空间和时间限制等问题,以及实训效率低等问题,提升中职智能制造专业群实训教学的质量,为培养和提高师生的实践操作能力发挥重要作用,更好培养先进制造业复合型技术技能人才。