智慧工廠+虛擬仿真混合式實踐教學(xué)模式探索

闞希 張紅燕 曹海嘯 朱靈龍

摘要：智慧工廠是指利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段，將傳統(tǒng)生產(chǎn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級為智能化的生產(chǎn)模式。隨著智能制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，智慧工廠成為當(dāng)前制造業(yè)改革的熱點之一。然而，高校在傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式下，存在教學(xué)與實際生產(chǎn)脫節(jié)等問題。通過采用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以在一個仿真的環(huán)境中進行實驗操作和工藝流程調(diào)整，不僅降低了實踐成本和學(xué)生安全風(fēng)險，還提供了更多的重復(fù)實踐機會?；旌鲜綄嵺`教學(xué)模式結(jié)合了虛擬仿真和傳統(tǒng)實踐操作，在教學(xué)過程中可以提供更加全面和靈活的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可以通過虛擬仿真進行預(yù)習(xí)和實驗，掌握基礎(chǔ)知識和技能，然后在真實的生產(chǎn)環(huán)境中進行實踐操作和應(yīng)用，鞏固和提升所學(xué)內(nèi)容。文章采用混合式實踐教學(xué)模式的方法，將傳統(tǒng)的理論教學(xué)與實踐操作相結(jié)合，提供更加全面和有效的學(xué)習(xí)體驗。這種模式不僅可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還可以降低學(xué)習(xí)成本和風(fēng)險。智慧工廠與虛擬仿真混合式實踐教學(xué)模式的探索能夠提供更加全面和靈活的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)具備實際操作能力和創(chuàng)新思維的人才，促進生產(chǎn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。因此，文章提出“線上線下”“虛實結(jié)合”的方式，旨在探索智慧工廠與虛擬仿真混合式實踐教學(xué)模式，對推動智能制造發(fā)展和促進產(chǎn)學(xué)研結(jié)合具有重要意義。

關(guān)鍵詞：混合式教學(xué)；虛擬仿真；課程實踐；智慧工廠；虛實結(jié)合

中圖分類號：G652；G434 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-8883（2023）24-0054-03

基金項目：本論文為2023年度江蘇高校哲學(xué)社會科學(xué)研究一般項目“大學(xué)生學(xué)業(yè)成績對初次就業(yè)能力影響的統(tǒng)計學(xué)分析與研究”成果，項目編號：2023SJYB0918

智慧工廠是指利用先進的信息技術(shù)[1]，通過實時數(shù)據(jù)采集、分析和處理，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)過程的自動化、智能化和高效化，覆蓋物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器人等一系列高新技術(shù)領(lǐng)域[2]。因此，智能制造業(yè)對各領(lǐng)域?qū)W科交叉型技術(shù)人員的需求極大，工作人員需要對智慧工廠的生產(chǎn)工藝流程有全面、系統(tǒng)的深入了解。為了滿足智慧工廠對所需人才的知識與技能需求，本文探索了集理論、虛擬仿真、實際操作為一體化的智慧工廠虛擬仿真實踐教學(xué)模式[3]，著重從智慧工廠虛擬仿真系統(tǒng)的探索、實踐教學(xué)體系的構(gòu)建等方面入手，模擬工廠的實際場景，基于真實的工作崗位、選取典型的企業(yè)案例、模仿真實的生產(chǎn)過程，培養(yǎng)與社會需求相一致的應(yīng)用型專業(yè)人才[4]。

為此，本研究首先設(shè)計了一套具有可行性和可操作性的智慧工廠虛擬仿真方案，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控、優(yōu)化和控制。然后，構(gòu)建完善的實踐教學(xué)體系，以實際操作為核心，以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，以虛擬仿真為輔助，實現(xiàn)三者有機融合。通過該體系，學(xué)生可以在掌握理論知識的同時，提高實際操作能力和解決問題的能力，更好地適應(yīng)企業(yè)的實際需求。通過引導(dǎo)學(xué)生參與這種需要團隊合作的實踐項目，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作精神，提高他們的綜合素質(zhì)和團隊協(xié)作能力。

一、智慧工廠虛擬仿真的必要性

（一）解決實體實驗設(shè)備投入高的問題

智慧工廠的占地面積大，必須建設(shè)專用廠房，生產(chǎn)線的價格昂貴，設(shè)備的維護費用高昂，而且對環(huán)境要求極高，這些條件在實際教學(xué)中是無法滿足的。而本項目投入較少，可復(fù)用現(xiàn)有的實驗室，維護成本低，且無環(huán)境污染，能夠很好地解決實體實驗成本高昂的問題[5]。

（二）解決實體實驗動手機會少的問題

由于實體智慧工廠多為無人化工廠，有極其嚴(yán)格的準(zhǔn)入制度，不僅申請程序煩瑣，而且工廠接納實習(xí)的人數(shù)很少，關(guān)鍵是絕大多數(shù)只提供參觀，學(xué)生根本沒有機會動手實踐。而本項目以真實工廠為對象，通過AR技術(shù)，把智慧工廠搬進課堂，搬出書本，通過手機、PAD、PC等終端[6]，學(xué)生可以隨時隨地開展智慧工廠虛擬實訓(xùn)，能夠很好地解決赴實地工廠實訓(xùn)效率低下的問題[7]。

（三）解決實體實驗安全系數(shù)低的問題

智慧工廠由大量生產(chǎn)線組成，大型設(shè)備多、載荷大，運動部件重量大，學(xué)生操作有較高的安全風(fēng)險。本研究利用增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)將工廠的實物對象虛擬化，即能夠讓學(xué)生獲得沉浸式的體驗效果，又可以很好地解決學(xué)生的安全問題[8]。

二、智慧工廠虛擬仿真實驗項目建設(shè)

以智慧工廠完整生產(chǎn)流程為綜合實訓(xùn)項目，分為3個實訓(xùn)環(huán)節(jié)，涵蓋17個知識點，如圖1所示。這些知識點涉及電氣、自動化、機電等工程實踐教學(xué)中的多門課程實踐要求，對學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程起到承前啟后的作用。本項目包含的知識點如下[9]：

第一，智慧工廠的構(gòu)成與生產(chǎn)流程：主要學(xué)習(xí)7個典型的生產(chǎn)單元的生產(chǎn)工作流程，包括智能加工、智能拆裝、智能分揀、智能AGV物流、智能倉儲、MES系統(tǒng)以及生產(chǎn)流程。

第二，工業(yè)機械手的構(gòu)成與應(yīng)用：主要學(xué)習(xí)5個典型的工業(yè)機械手應(yīng)用，包括拆裝、搬運、切割、噴涂和裝配。

第三，工業(yè)機械手的控制：主要學(xué)習(xí)具體控制應(yīng)用，包括場景組態(tài)、地址分配、定義變量、程序設(shè)計和在線調(diào)試5個訓(xùn)練環(huán)節(jié)。

智慧工廠的生產(chǎn)工藝需在MES系統(tǒng)中下單，進入到生產(chǎn)計劃，在項目管理系統(tǒng)中，進行生產(chǎn)、出庫，接收到生產(chǎn)任務(wù)后，立體倉庫開始出庫，通過輸送線送達相應(yīng)單元（如加工單元、裝配單元、輸送單元、分揀單元、入庫單元等），按流程進行處理，最后輸送線將產(chǎn)品輸送回立體倉庫，進行入庫管理[10]。

三、智慧工廠虛擬仿真實踐教學(xué)模式設(shè)計

實踐教學(xué)模式采用“真實工程項目（案例）”與“虛擬現(xiàn)實”相結(jié)合，不斷探索實驗課程教學(xué)方法，將任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法、體驗式教學(xué)方法、探究式教學(xué)方法以及多平臺交互學(xué)習(xí)方法等應(yīng)用于實驗教學(xué)中。