依托虛擬仿真技術，打造中職智能制造專業群虛擬仿真實訓基地探索與實踐

陳崇軍　楊斌　馬定中

制造業是國家經濟命脈的主體，是立國之本、強國之基。黨中央高瞻遠矚提出“中國制造2025”、《“十四五”智能制造發展規劃》等加快建設制造強國的重大戰略。新一代信息技術蓬勃發展并加速向制造業全鏈條、全流程滲透融合，催生了智能制造這種全新的生產方式，智能制造已成為推動制造業高質量發展的主攻方向，產業升級和經濟結構調整對高素質制造業技術技能人才的需求巨大。虛擬現實（VR）、人工智能、5G技術等新一代信息技術日趨成熟，新一代信息技術應用于教育是教育技術發展的一次飛躍。虛擬仿真技術在職業教育領域的應用正以豐富的形式迅猛發展，先進的虛擬仿真技術手段，是傳統“以教促學”的學習方式的升級，促進了教育方式的創新和教學方法的變革，促進了虛擬仿真硬件環境、虛擬仿真教學資源建設，為虛擬仿真實訓基地建設提供了支撐。2020年教育部《關于開展職業教育示范性虛擬仿真基地建設工作的通知》為我校智能制造專業群虛擬仿真實訓基地建設提供明確指引。本文通過探討依托虛擬仿真技術，為打造中職智能制造專業群虛擬仿真實訓基地，更好培養制造業復合型技術技能人才提供參考。

一、中職智能制造專業群實訓教學現狀

在“智能+制造”、“互聯網+制造”的背景下，制造業企業的崗位職業能力呈現不同的發展趨勢。高端裝備制造，特別是汽車制造、數控機床制造是制造技術創新、管理模式創新和組織方式創新的先進制造技術和應用模式的結合體。新技術的交叉與融合會越來越明顯，新一輪技術和產業革命的方向不會僅僅依賴于一兩類學科或某種單一技術，而是多學科、多技術領域的高度交叉和深度融合?，F中職智能制造專業群雖然配備了相應的實訓基地，但是由于條件所限，目前的實訓基地對于先進制造業相關專業群建設來說無法切實地滿足實訓教學需求，存在著各種各樣的問題。例如，高端數控機床、智能制造生產線等實訓設備貴重、復雜，不能拆裝，設備內部結構看不到、工作原理難展示，不利于學生理解設備結構及工作原理；同時學生多，實訓設備少，實訓工位不足，實訓時間少，實訓練習效率低；實訓耗材消耗高，數控加工等實訓消耗成本高，往往用塑料件、石蠟件代替金屬件，脫離生產實際，同時，復雜的加工由于成本等因素不允許做；設備操作所使用的實訓設備型號固定，操作系統單一，學生不能充分練習、學習各類機床和系統，無法適應企業多樣化操作系統；實訓教學資源匱乏，學生的學習積極性不高，課后無法回顧、復習和練習。同時，由于數控機床、工業機器人、自動化生產線等設備操作存在一定的風險，初學者會產生畏懼，實訓教學操作少，不利于制造業復合型技術技能人才的培養。

二、中職智能制造專業群虛擬仿真實訓基地建設的可行性

虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（MR）、人工智能、云計算和5G等新一代信息技術日趨成熟，新一代信息技術應用于教育是教育技術發展的一次飛躍。虛擬仿真技術在職業教育領域的應用正以豐富的形式迅猛發展，先進的虛擬仿真技術手段，是傳統“以教促學”的學習方式的升級，促進了教育方式的創新和教學方法的變革，促進了虛擬仿真硬件環境、虛擬仿真教學資源建設，為虛擬仿真實訓基地建設提供了支撐。通過建設智能制造專業群虛擬仿真實訓基地，能有效解決智能制造專業群實訓設施不足、實訓訓練不強、實訓空間和時間限制、實訓效率低等問題。虛擬仿真實訓基地可以通過先進的虛擬仿真技術解決實訓過程中高投入、高難度、高風險、難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”問題，改造傳統專業實訓模式，打造集新理念、新工具、新技術為一體的技能人才培養模式，更好地培養先進制造業復合型技術技能人才。

三、智能制造專業群虛擬仿真實訓基地建設思路與措施

（一）建設思路

專業群虛擬仿真實訓基地建設堅持服務課程實施的原則，面向“新技術、新產業、新模式、新業態”持續推進實訓教學信息化建設和實訓教學資源開放共享，推動專業群實訓教學的改革與創新。對接區域經濟社會發展和產業轉型升級，瞄準先進制造業對應產業鏈，按服務先進制造業，對接產業鏈職業崗位群，并兼顧專業學科共性的邏輯，圍繞復合型課程的實施，按職業崗位鏈對接實訓基地鏈的思路，按“立體互通、領先實用”的標準，校企合作共建開放共享，集實踐教學、社會培訓、企業生產、技術服務和創新創業等功能 “虛實結合”的五位一體虛擬仿真實訓場所。

（二）建設的策略與措施

1.整合資源優勢，建設專業群通用能力虛擬仿真室

依托虛擬仿真技術構建專業群通用能力虛擬仿真室，實訓室設有虛擬仿真體驗參觀區、集中教學區和研發應用區，用于虛擬現實互動體驗以及高水平教學及資源創作研發。實訓室設置60個實訓工位，配備高度仿真、沉浸感強的VR實訓系統、虛擬設備（如 VR 一體機、VR 頭盔等）、桌面全息3D交互機、無編程VR快速開發平臺、計算機、LED立體大屏、桌椅和其他附屬設備組成。滿足智能制造專業群機械基礎、機械制圖與CAD等通用能力課程教學，使教學內容具有極強的包容感、真實感、沉浸感，能夠提高學生的學習積極性以及學習興趣，解決教學內容難實施、難觀摩、難再現的難題。

2.校企合作，建設專業核心課程虛擬仿真室

根據專業群內各專業的特點，結合專業核心課程實訓教學的要求及實訓設備現狀，圍繞 “VR+教學”模式，從課堂教學、實驗實訓教學、學生自學三個方面進行頂層設計。由中職學校主導、企業協同，在專業實操實訓室中搭建以實帶虛、以虛助實、虛實結合，融教學、實訓、培訓、技術研發、競賽、科普等功能于一體的專業核心課程虛擬仿真室，有效解決實訓教學過程中高投入、高損耗、高風險，部分實訓項目設備內部看不見、工作原理搞不清等難題。每個專業核心課程虛擬仿真室設置30個實訓工位，配套1套教師屏（121英寸VR黑板）、VR實訓系統、虛擬設備、計算機、錄課攝像頭、學生桌椅和其他附屬設備組成。通過登錄VR云平臺，調用線上VR資源授課。滿足專業核心課程教學及實訓的需要，服務學生“1+X”職業技能等級證書的考核。

3.建設智能制造+數字孿生綜合虛擬仿真室

隨著制造業轉型升級加速，中國制造將往自動化、智能化方向發展，為適應裝備制造業轉型升級的需要，專業群著手建設智能制造+數字孿生綜合虛擬仿真室，形成虛實產線一體化實訓，提高智能生產線實訓教學效果，突破實體產線設備數量、內部結構認知、維護成本、安全等方面的限制。智能制造+數字孿生綜合虛擬仿真室建設包含以下內容。

（1）搭建智能制造實體產線

智能制造實體產線主體由MES系統、電氣控制系統、6 軸機器人、1數控設備、立體倉（工件倉、刀具倉）、線邊倉、AGV小車等主要設備構成，完全和企業實際生產對接，實現自動化、智能化生產。

（2）構建智能制造數字孿生產線

根據建設的智能制造實體產線，構建智能制造數字孿生產線，形成虛實產線一體化實訓，提高智能生產線實訓教學效果，突破實體產線設備數量、內部結構認知、維護成本、安全等方面的限制。系統與智能制造工業智能產線1∶1對應，包含CNC設備、機器人、非標專機設備、物料平臺等裝備的三維智能工序模型，支持PLC自動化工控程序與VR人相互實時干預，實現人/硬件PLC/虛擬智能設備/虛擬智能產線/VR設備/硬件控制臺五路交互控制的實時計算，構建五路輸入的虛擬現實實訓環境。

（3）配套虛擬仿真系統

同時還在該實訓室配套30工位相應的虛擬仿真系統，滿足智能制造模塊化實訓項目教學，例如：設備的安裝、調試仿真操作，工業機器人的仿真操作應用，plc編程仿真，傳感技術仿真等。服務機械原理、工業機器人應用、模具制造等課程教學與實訓。

4.搭建虛擬仿真實訓基地共享云平臺

（1）依托先進信息技術，建設VR教學云平臺

建設一個滿足電腦、平板等多種應用終端使用的VR教學云平臺，滿足單機的虛擬仿真軟件資源在互聯網上在線使用，尤其支持普通單機版VR軟件的在線使用，相比網頁版虛擬仿真資源，單機版VR資源云共享的方式，更穩定、更安全。虛擬仿真云平臺具備先進性、便捷性、安全性等特點，同時還滿足開放資源、在線直播、仿真實驗演示授課、教學視頻學習、典型實景材料等教學功能，還具備教學監管功能。

（2）根據課程需要，開發配套虛擬仿真教學資源

面向高端裝備制造業人才培訓需求，立足本校實訓教學實際情況，開發本校制造類專業通用能力課程及專業核心課程、生產線的VR孿生虛擬仿真實訓教學資源。

（3）共享外部虛擬仿真實訓資源

虛擬仿真實訓資源一次開發，可重復使用。除了針對自身實際情況建設虛擬仿真實訓資源外，為了避免重復建設，避免資源浪費，需要共享兄弟院?；蛐袠I企業已經建設完成的虛擬仿真實訓資源。我校虛擬仿真資源建設完成后，也開放共享，輻射到其他學科專業與行業企業，為社會服務。

5.健全虛擬仿真基地管理機制，確?；乜沙掷m發展

成立由學校聯合政府、學校、行業和企業組成的“政行校企四位一體”實訓基地領導小組，形成“共建、共管、共享、共贏”的組織架構，協調各方，統籌資源，實現基地效益最大化。健全虛擬仿真實訓基地的管理制度、運行機制、績效考核、實訓基地維護與可持續發展及共享機制各種制度，以體制機制改革和制度創新為著力點，以打造技術技能人才培養高地和技術技能創新服務平臺為主要抓手，提高治理能力和治理水平，深化內部管理體制改革，形成虛擬仿真實訓基地的治理制度體系，確?；乜沙掷m發展。

四、虛擬仿真實訓基地建設的成效

（一）建成虛實一體、功能完善的虛擬仿真實訓基地

專業群虛擬實訓基地采用多媒體、人機交互、傳感器、超級計算、VR、AR、數字孿生、云計算等網絡化、數字化、智能化技術等手段，技術先進。該基地集實踐教學、社會培訓、企業生產、技術服務和創新創業等功能“虛實結合”的五位一體虛擬仿真實訓場所，功能齊全，有效促進教學水平的提升及育人水平的提升，發揮基地對區域重點產業新技術應用的示范、引領作用。

（二）建成“技術新、功能全、應用廣” 的虛擬仿真教學管理云平臺

根據教學管理需求，運用計算機網絡技術、數據存儲技術、快速數據處理技術等，構建虛擬端的云平臺，實現虛擬仿真實訓的教學運行和教學管理信息化。通過對實訓理論教學管理、虛擬仿真管理、線下實訓教學管理和在線實訓教學評價體系的建設，形成“理論教學-虛擬仿真-實物實訓”各環節教學場景的閉環控制和形成性評價，為虛擬仿真教學管理提供可參考方案。

（三）建成優質資源共享、推動課程改革創新的虛擬仿真資源系統

校企合作依托虛擬仿真技術，搭建高度逼真的全新實訓環境，建成面向先進裝備制造業、智能制造等多產業的虛擬仿真實訓項目。根據專業群每門專業課程的實際需求，開發設計各類實訓實習項目的VR孿生虛擬仿真實訓教學資源，通過虛擬仿真實訓“云平臺”，實現資源共享，解決職業教育實訓教學過程中高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”痛點和難點，帶動課程內容創新，教法學法創新，教學效果得到顯著提升。

（四）教學團隊的教學能力科研能力顯著提升

鍛煉教師虛擬仿真實訓資源應用水平，教師在教學中采用新方法、新模式、新手段；鼓勵教師開發自己所負責課程的虛擬仿真實訓教學資源，做到課程內容不斷更新；打造專門的虛擬仿真實訓教師團隊，教學水平得到顯著增強。

（五）建成共建共享、面向區域行業企業服務新高地

依托虛擬仿真實訓基地虛擬仿真教學云平臺，建立區域共建共享機制，實現優質虛擬仿真實訓資源的開放共享和持續應用，為職業學校、行業企業提供教學服務，打造一支既懂專業又懂虛擬仿真技術的師資團隊，逐步成為服務智能制造、鄉村振興等重要領域技術技能人才培養的新高地，得到企業和社會的高度認可和廣泛支持。

綜上所述，建設中職智能制造專業群虛擬仿真實訓中心，能有效解決專業實訓設施不足、實訓訓練不強、實訓空間和時間限制等問題，以及實訓效率低等問題，提升中職智能制造專業群實訓教學的質量，為培養和提高師生的實踐操作能力發揮重要作用，更好培養先進制造業復合型技術技能人才。

[課題項目：本文系教育部高等學?？茖W研究發展中心“虛擬仿真技術在職業教育教學中的創新應用”專項課題（課題編號：ZJXF2022324）研究成果；2020年廣東省中等職業教育教學改革項目（對接灣區裝備業建設中職高水平機電汽車專業群的研究與實踐，項目編號：GDZZJG202026）研究成果。]

責任編輯 朱守鋰