加工制造类专业虚拟工厂实训资源建设与应用研究

黄桂胜

（佛山市南海区理工职业技术学校，广东 佛山 528247）

一、虚拟工厂的应用背景及发展现状

加工制造业类专业安排学生到对口企业实习是职业教育的一个重要环节。中职学生在一年级时，进行企业认识实习，二年级时学校会安排部分学生跟岗实习，三年级时进行半年“顶岗实习”，而最新实习模式则将“跟岗实习”“顶岗实习”统一为“岗位实习”，但较多的学生仍不能参与到企业整个生产和加工的全过程。在相当一段时间内，较多的开设有加工制造类专业的学校受限于各种条件，也难以让学生参与到企业生产的全过程。因此，有必要在学校内建立一个能让学生全程参与工厂的生产、管理过程体验环境，让学生学习、掌握相关设备基本操作技能，特别是可以让全体学生在这种环境的“虚拟工厂”，对企业的生产、管理过程体验，掌握零件从订单到加工，再到检验交客户整个生产过程中机床、仪器、量具的操作与使用全过程。

随着国家深入推进“中国制造2025”，越来越多职业学校加工制造类专业快速发展，在《职业教育提质培优行动计划（2020—2023年）》中，特别提到全国范围构建智能制造虚拟仿真实训基地，让学生进入企业后能够尽快适应专业岗位，融入企业的工作环境，跟上企业的生产节奏。因此，在职业学校加工制造类专业建设虚拟工厂，教师通过在虚拟工厂中教学，使学生掌握企业的生产、管理各基本岗位的工作要求和操作技能十分必要。

职业教育学校信息化教学资源经过多年不断的发展，如今已经历三个重要阶段，交互式教学资源也被引入教学实践中，采用视窗软件让学生主动参与学习，摆脱学生被动学习的状态。信息化教学资源发展至今，正处于第四个发展阶段，即基于虚拟现实技术的虚拟仿真教学正在成长壮大。数字化的虚拟学习系统提供真实的生产场景，该系统模拟复杂的产品在工厂中使用各类型机床加工，最后完成组装，以仿真原型的形式展现在学生面前，学生通过交互式的操作可以了解和掌握零件加工、零件外观、内部结构、运动状态等。

目前，众多职业学校为了使学生能够在校通过沉浸式的学习体验，了解、熟悉和体验先进制造业企业工厂环境和生产管理过程，在教学过程中与软件公司、高校研究机构合作，研究和配置了数字化的虚拟工厂实训资源系统。

二、虚拟工厂实训资源建设的意义

虚拟工厂的建设过程是集自动化技术、计算机技术、网络通信技术、先进制造技术于一体的多专业知识和技术的过程，是校企合作的一项重要内容。利用相对少量的硬件设备和强大的工业控制软件，模拟数字化工厂控制工程的设计、安装、仿真调试和投运，最大限度地发挥实训中心的效率，提高学生的工程控制能力。

通过虚拟工厂开展仿真实训教学模式，就是让教师与学生在模仿企业的生产环境中，安全、有序地开展教学活动。教师的教学内容和方式与企业的实际工作情境相吻合，虚拟增设一些岗位，学生在实训过程中担任一定的角色来完成实训任务。使学生参与到企业的生产、管理中去，每组学生在虚拟工厂中完成一个订单的全过程，整个系统在计算机上实现，实现与课堂教育的融合。

虚拟工厂不是简单的虚拟现实，而是模拟真实工厂的环境和工作流程，学生可以体验各工种岗位的操作规范和技能要求，在课堂教学与实训过程中，学生可以学习与操作各类机床设备操作和加工过程，还可以了解企业生产加工，工序安排、生产排产要求等企业相关管理过程。教师还可以在虚拟工厂中实施相关课程的仿真实训与技能考核，实现学习效果全面评价。

使用虚拟工厂实训资源平台，结合资源库开发教学资源，进行项目引领的教学模式改革，使教师和学生在这样的环境中获得教学和学习的乐趣。其意义在于：一是教师有效地建设多种形式融合的立体化的教学资源，学生体验完整的生产过程，体验各种设备的操作和加工过程，适应工厂环境及生产管理过程等众多岗位要求；二是开展任务引领的教学模式改革，教师在虚拟工厂实训资源平台中组织一个订单的生产加工，学生在完成加工任务的过程中学习、巩固相关的知识和技能。三是在虚拟工厂实训资源平台中，组织几个小组共同来完成一套产品的生产加工，这既可以发挥学生团队协作意识，还增加了学生团队竞争的趣味性。

三、虚拟工厂实训资源建设内容

（一）虚拟工厂系统环境的构建

虚拟工厂实训资源建设应该包括虚拟的工厂环境。对于虚拟工厂建设，开发包括设计、生产加工、装调、成品试制等四大虚拟功能及多个生产车间，以逼真的三维场景和三维虚拟装备，实现产品生产过程，仿真教学与实训。虚拟工厂提供一个全新的教学环境和一种教学手段，其功能是让教师和学生能够更多地集中精力于教学和学习。教师使用该平台方便构建多种形式融合的立体化的教学资源，按照自己的教学思想和教学方法进行各种教学活动。学生在使用该平台，可以很好地通过操作、学习、评价，学习企业生产过程内容，体验工厂环境及生产管理过程，体验各种设备的操作和加工过程。

（二）虚拟工厂教学资源开发平台的构建

在虚拟工厂中结合学校数字化校园，配备一个信息管理系统，打通数字化校园的数据接口，构建一个统一平台实现生产活动的有序进行，实现“平台统一、案例贯穿、课程连通、知识融合”。即整合、实现功能：一是储存产品信息、生产工艺流程信息、生产环境信息、各种生产设备信息、生产执行情况等等信息；二是数字化课程系统，实现网上在线操作机床设备等教学资源等，从而实现数字化教学的上网计划；三是可视化管理系统，可调用教师授课视频，也可查看学生操作情况视频，实现“网络交互视频/资源在线播放”；四是学校现有网络教学资源库、各门网络精品课程，实现“课件资源管理”；五是在学生成长管理系统、考勤系统基础上，增加硬件设备，实现对学生操作机床的考勤，实训操作情况等进行记录；六是在线测试系统，实现“作业布置、提交、检查、测试”功能；七是基于移动终端（PAD）的全媒体移动课堂，集“教——练——考”于一体；八是进行二次、多次开发，开发教学资源，资源与网站无缝对接，直接将资源在网站进行展示。

（三）建设多种形式融合的立体化教学资源库

1.贯穿案例

选取典型机械产品，将贯穿案例资源包拆解到各课程中，使各课程通过贯穿案例得以衔接，将其生产全过程策划、跟踪、拍摄、制作成教学资源包，形成典型的基于工作过程导向的项目化教学资源。

2.贯穿案例资源组成

包括电子文档、视频、设计数据、加工数据、教学课件、试题库、实训素材、实物样件等。

四、虚拟工厂实训资源的应用案例及其成效

（一）充分利用现有硬件条件，提高设备利用率

佛山市南海区理工职业技术学校开展了数字化实训中心建设，教师教育教学理念先进，学校硬件设施配置、布局合理、管理规范，实训中心包括钳工实训室、普通车床实训室、模具拆装实训室、普通加工综合实训室、模具综合实训室、数控车床实训室、CAD/CAM实训室、数控铣床实训室和特种加工实训室等9个实训室（4间一体化实训室），工位总数达510个，中心占地面积约2500平方米，配备包括先进的四轴加工中心、3D打印机、三坐标测量机、三轴加工中心等设备，设备总价值1250多万元。数字化实训中心包括库房管理系统、可视化管理系统、教学资源管理系统、学生考勤管理系统、车间管理系统等各子系统，并已经运作多年。在此基础之上，新建近800平方米的数字化虚拟“教学工厂”，完成“模具在虚拟工厂中的生产”“模具制造技术虚拟学习系统”两个广东省信息化资源建设项目，取得良好运用效果。

（二）实现全新“三位一体”教学资源开发

虚拟工厂平台由专业制作公司为项目实施提供技术保障，教师通过与学校合作生产企业提供真实生产项目制作教学资源，由学校专业教师、生产企业兼职教师共同开发典型产品加工案例教学资源，与专业制作公司协作，在虚拟工厂完成资源导入，实现三位一体新型教学资源的开发模式。

教师是教学方法、教学思想的主要提供者，生产企业与专业制作公司是平台提供者。工具平台的开发，则应是企业的任务。如在线精品课程、虚拟仿真教学资源等建设中，通过校企合作模式，由企业提供教学资源建设的工具平台，学校（教师）根据自己教育思想和教育方法在工具平台上有效地编制各种教学资源。教师根据教学任务，在这个虚拟工厂设置生产任务、设置岗位和岗位职责，将学生分派到设定的岗位上，并且对每个岗位上的学生明确工作评价标准，在虚拟工厂中进行教学，学生在虚拟工厂进行学习。在这平台上编制的带有教学思想和教学方法的理实一体化教材、仿真实训试题库、教学过程管理系统、教学资源库和网站。

图1 数字化模具实训中心架构图

图2 由学校、生产企业、专业制作公司组成“三位一体”教学资源开发模式

（三）构建“工学结合”人才培养模式

以现有的实训室为基础，建成集教学、培训、生产为一体的现代数字化虚拟工厂的“生产车间”模式作为专业实训基地。企业管理、设备生产化、环境真实化、人员职业化相关要素，学生可以通过在虚拟工厂操作得到强化。构建“工学结合”人才培养模式，学生的基本职业素养、基本技能与专业综合能力得到全面提高。

（四）优化新型教学模式

在课堂教学过程中，学生通过实训项目的讲解和演示，项目仿真实训，掌握各类组合产品加工和装配过程。同时，通过IE浏览器在网站上设立账户管理，有效控制虚拟工厂资源的合理使用。

（五）强化基于订单引领的虚拟工厂教学应用

教师可以方便地在虚拟工厂中组织一个订单的生产加工。学生可以在完成加工任务的过程中学习和巩固相关的知识。因此，虚拟工厂环境非常适合项目引领的教学模式。享受合作与竞争的乐趣，在虚拟工厂中完成一个订单的生产加工一般工作量是比较大的，而且有很多零部件是类似的。因此，一个订单的生产加工可以组织几个小组共同来完成。每个学生可以参与不同小组，也可以承担不同的角色。教师可以组织小组之间的各种竞赛活动。

五、结语

加工制造业虚拟工厂实训资源建设的实施，使得受益学生大幅度增加。广东省乃至全国众多理工类大专院校、职业技术学院、职业技术学校等开设有加工制造类专业课程，本项目可覆盖的学生总人数仅在广东省就达万人以上。并且，虚拟工厂实训资源平台具有二次开发功能，教师可以在不断学习过程中，增加新产品生产仿真。另外，平台可以在线仿真，使学生不受时间、空间限制，随时随地进行学习。更重要的是，通过虚拟工厂实训资源建设与应用，推动教学模式由“学生被动听”向“学生动手做”转化，从而有效地支撑“基于工作过程”“项目化教学”“做中学”等现代职业教育理念的实现。