孙平平 李龙刚 王桂杰

（潍坊科技学院，山东 潍坊 262700）

0 引言

当前，我国制造业正处于由“制造”向“智造”转型升级的关键时期，地方经济对智能制造人才的需求日益强烈，智能制造人才的短缺使得招生规模不断扩大，而高校要想培养能适应地方发展需要的智能制造人才，就需要瞄准科技前沿，不断创新、扩大实验设备，建立与企业发展相匹配的实验室，这样势必加大教育投资。

针对此问题，教育部印发了关于开展国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知，要求积极投身信息技术与教育教学深度融合的教学改革，针对实物实验安全性差、难以实现、成本高昂、时空限制等方面原因不便开展的实验教学任务，开展虚拟仿真实验教学的研究。

虚拟仿真实验是参考真实实验的操作平台，利用各种VR技术制作与真实实验相同的操作场景，在计算机上实现操作。学生操作时完全按照真实的实验操作规范进行，只不过从真实场景换成了虚拟现实场景。相较于传统的实验，虚拟仿真实验的沉浸式、交互式体验更能激发学生的感官，提高学生的学习主动性。

鉴于该优势，高校中各类虚拟仿真实验教学中心应运而生，笔者所在学校也建设了不少虚拟仿真实验平台。但是因智能制造是新兴学科，与之相关的虚拟仿真实验较少，且现有的少数几个虚拟仿真实验教学效果差，究其原因，是没有一个科学、有序、合理的虚拟仿真实验教学体系规划、指导，虚拟仿真实验教学杂乱无章。本论文将按照专业知识结构、学生认知规律构建一个循序渐进的虚拟仿真实验教学体系，旨在指导智能制造学科需建设哪些虚拟仿真实验室，专业课程需按照什么顺序进行虚拟实验教学，专业课教师怎样进行虚拟仿真实验教学，才能实现实验教学目标，达成良好的教学效果。

1 虚拟仿真实验教学存在的问题

（1）没有建立一个基础先行、能力后进的智能制造虚拟仿真实验体系，也没有将企业需求及创新创业思维纳入该体系中，实验内容与企业标准不对接，从而培养出的智能制造人才与社会需求的人才相脱节。

（2）应用型本科院校学生普遍存在政治认同、文化自信、社会责任等观念淡薄问题。同时，教师授课时没有牢固树立专业实验与价值引领同频共振的教学理念，实验教学中注重育“才”重“器”，少有考虑育“人”育“德”。

（3）过程管理及评价反馈机制不够健全，在现有的智能制造虚拟仿真实验教学中，没有制订教师主导，学校、企业参与的三维评价机制，过程管理及考核评价形式单一，仅仅是任课教师进行终结性评价，不能很好地反馈学生是否掌握了该专业所需的技能、是否能实现毕业即就业的无缝对接。

因此，基于“三维教评、思专融合”的模式，构建智能制造虚拟仿真实验教学体系具有重要的理论和现实意义。

2 智能制造虚拟仿真实验教学

2.1 构建三维的智能制造虚拟仿真实验教学体系

在构建该体系时，针对当前教学体系存在的问题，始终将企业需求和创新思维导入其中，实现课程设置与产业需求、课程内容与企业标准、实验过程与生产过程的无缝对接。并在实验的实施过程中打破原先的任课教师终结性评价，建立教师主导、学校、企业参与的三维形成性评价机制，加快智能制造技能型人才的培养。

按照应用型本科院校高素质技能型人才培养目标，根据企业岗位需求，秉承理论知识结构、实践操作水平、项目运作能力的循序原则，智能制造虚拟仿真实验教学体系主要包括基础型、综合型实验和应用创新型实验三个维度，从而进行三维实验教学。

在基础型实验中，利用虚拟仿真技术实现原理的直观呈现，提高智能制造专业课程的直观性和可视化，加深学生理解；在综合型实验中，依据来自企业的生产线，借助企业真实的工作岗位构建各类仿真平台，进行虚实结合、高还原性的实验项目；在设计创新型实验中，学校与各企业协同，开发动手能力强、学科交叉融合度高的工程项目和创新比赛，使学生获得良好的工程训练，能够胜任智能制造系统分析、调试、运维和操作，为学生创新能力的培养提供良好的契机。从基础型到综合型再到应用创新型，培养目标呈三维推进实现，循序推动智能制造技能教育融入人才培养的全过程。

2.1.1 第一维度

第一维度属于基础型实验，涵盖工程图学、力学、机械原理及设计、电工与电子技术、液压与气压传动、材料热处理、计算机图学、电气控制与PLC、Python等多门课程。基础型实验通过可视化直观的虚拟仿真实验，让学生能体验到真实的过程动作、复杂的工作原理，加深学生对基础理论知识的理解。

2.1.2 第二维度

第二维度属于综合型实验，是专业知识的拓宽与延伸。涵盖数控机床、增材制造、机器视觉技术与应用、人工智能基础与应用、智能生产线集成系统、虚拟样机技术、单片机及嵌入式系统与应用、机器学习实战及应用、工程测量与控制技术等多门课程。综合型实验参考企业岗位，发挥虚拟仿真与分析、设计等功能，弥补专业实验实物不足，提高学生的综合设计能力和创新意识。

2.1.3 第三维度

第三维度属于应用创新型实验，该维度主要对高年级学生适用，学生在导师的辅导下，依托学校、校企协同筹建的实验设备，根据企业需求，运用第一、二层次所掌握的虚拟仿真实验的知识，进行虚实结合、多人协作的综合虚拟仿真项目的设计、训练。结合工程训练和课外教学竞赛、专业社团、创新创业训练等，加强学生对前沿成果的深入理解，提高学生的工程实践能力，实现应用型本科院校智能制造人才的培养要求。

2.2 思政融入专业实验，完善智能制造虚拟仿真实验教学内容

坚持“教”“育”结合、“德”“能”兼修，把立德树人融入虚拟仿真实验的三维体系中，促进课程思政与专业虚拟仿真实验的有效融合，促使思想政治教育对高素质人才的迅速渗透。传承劳模精神和工匠精神，给学生树立劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气。

思政教育融入专业虚拟仿真实验中，第一、二维度的实验分别在课前、课中及课后设立思政元素。课前通过学习平台的微课植入劳模、大国工匠的事迹，以此震撼学生的心灵；课中利用教师演绎、教学内容穿插、场景演播、事件再现等方式感化学生，让学生切实体会思政元素的折射点，比如在数控虚拟仿真教学时，穿插本行业领头人物何小虎是怎样不怕失败、在一次次的枯燥训练中磨砺技能、提升技艺，从而完成了火箭零件的高精度加工的故事，让学生放低姿态、端正态度、一丝不苟的反复训练，提高工件的精度要求；课后让学生根据所见所闻的企业精神和企业文化，去制定自己实验团队的文化，使思政元素渗透性更强。

第三维度的实验中因为牵涉到工程实际，实验内容深且涉及面宽，所以根据其特点让学生合理安排分工、协作完成实验项目，学生在实验中亲自感受团结协作与孤军奋战的差别，用实例教育学生胜过千言万语。同时在虚拟仿真实验中可以反复操作，循环加工，一方面使得产品精益求精，另一方面熟能生巧，学生熟练后才能寻求创新思路，开拓创新方法。

2.3 线上线下融合，创新虚拟仿真实验教学模式

疫情下，囿于居家教学情势，大多数教学通过移动设备，从互联网上进行信息交流。这一系列的变化，促进了线上教学模式的发展。本项目构建的智能制造虚拟仿真实验教学体系包括基础型、综合型和应用创新型三个维度，每个维度涵盖不同的实验，项目拟结合实验的性质分门别类实施线上线下教学，重点实行基于问题、基于案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习。制订详细的线上线下教学计划，同时借助线上教学平台实施行之有效的过程性评价机制，以适应当前的教育应急管理体系。

线上虚拟仿真实验分两类：一是实验课程，涵盖基础实验、专业实验；二是学科前沿实验课程，涵盖一个专业或相关专业的前沿领域实验。线下为综合及创新创业训练实验，同时借助线上平台实施行之有效的过程性管理机制。设计契合智能制造产业发展的要求。

2.4 探索三维评价的过程管理及考核评价反馈机制

对智能制造虚拟仿真实验制定一套能有效评价学生实验效果的过程管理及评价反馈机制。教师将过程管理贯穿于虚拟仿真实验的每一阶段，针对过程管理中的问题及时反馈并制定实验效果的形成性评价指标，取代传统的终结性评价指标，同时学校根据人才培养目标参与学生的实验考核，企业依据生产线的真实绩效考核学生，把作业变产品、绩效变学分。从而形成教师为主，学校、企业为辅的三维评价反馈机制。

教师、学校及企业按照一定比例对学生进行三维评价，并将结果反馈到相应实验教学中，促进教学质量的提高，优化智能制造虚拟仿真实验教学体系。

3 结语

虚拟仿真实验不仅使得不可能的实验成为可能，而且可以在反复操作的情况下不损坏机器、没有大量耗材，节约教学经费，正好补齐了智能制造实验教学的短板，契合智能制造实验教学发展的需求，所以智能制造虚拟仿真实验成为时代所需，但是目前所运行的智能制造虚拟仿真实验杂乱无章、没有按照知识的循序渐进原则，且没有按照基础先行，能力后进的学习规律，使得实验教学效果甚微。本论文所制定的智能制造虚拟仿真实验教学体系打破了传统的实验教学体系，将体系中的实验进行重组、纳新，形成基础型、综合型、应用创新型这种层次递进式的三维的实验教学体系，助推基础知识与能力培养深度融合。同时在实验的实施过程中，将过程管理融入实验阶段，教师、学校与企业协同完成形成性评价，构建一套三维的过程性评价反馈机制，切实提高智能制造人才培养的针对性、适应性、时效性。

将虚拟仿真实验有机融入家国情怀、工匠精神等思政元素，实现“思专融合”，从而树立正确的人生观、价值观及世界观，落实立德树人的根本任务。