仿真技术人才培养新路径探索——以云道智造产教融合实践为例

刘高升

（北京云道智造科技有限公司，北京 100192）

0 引言

CAE 软件（计算机辅助工程，也称仿真软件）作为技术含量最高的工业软件之一，是工业领域必不可少的创新技术手段，可优化产品设计、降低成本和风险、缩短研发周期。然而，我国CAE 软件基础薄弱，面临国外技术垄断、人才短缺、产用脱节等问题。当前，国内CAE 市场主要被国外厂商垄断；同时，国内高校教育并不能很好地满足企业对于仿真技术人才的需求。如何突破仿真软件技术短板，以产业需求为导向，规模化培养高质量的仿真技术人才，已成为校企双方的共同使命和课题。

1 产教融合培养仿真技术人才的意义

（1）符合国家发展战略。仿真技术人才是国家软件和信息技术服务业、智能制造业等关键产业发展战略的重要组成部分。近年来，国家有关部门出台了一系列促进仿真软件行业发展的相关文件［1-3］。

工信部《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》要求重点突破工业软件，研发推广计算机辅助设计、仿真、计算等工具软件，重点支持三维计算机辅助设计、结构/流体等多物理场计算机辅助计算、基于模型的系统工程等产品研发。工信部、国家发改委等8 部委印发《“十四五”智能制造发展规划》提出“工业软件突破提升行动”，聚力研发工业软件产品，推动装备制造商、高校、科研院所、用户企业、软件企业强化协同，联合开发面向产品全生命周期和制造全过程的核心软件，其中包括CAE 等研发设计类软件。

（2）赋能高校教学科研。习近平总书记多次强调，要走好人才自主培养之路。目前，我国与CAE 相关的本、专科院校超过1 700 所，相关专业课程300 余门，每年招收能够以CAE 为新型教学模式赋能人才培养的理工类专业学生超过两百万人。然而，国内院校在相关课程教学中存在师资水平较低、教学设备短缺、教学内容与产业需求脱节等诸多问题［4］，严重影响了高校教学与科研工作的开展，不利于人才的自主培养。

开展校企合作，将企业的资金、技术、设备、人力等资源引入高校，将国产自主可控的工业软件带进课堂，不仅可以解决高校教学与科研中的痛点问题，还能将市场前沿的最新理念、技术、课程等带进学校，推动高校教育变革和创新，为人才培养营造良好环境［5］。

（3）增强企业核心竞争力。仿真技术人才是仿真行业和企业发展的核心竞争力。CAE 软件作为一种知识密集型产品，融合了数学、物理、计算机、力学等众多学科知识，人才培养门槛高、难度大。受体制机制等多种因素影响，仿真技术人才培养供给侧和产业需求侧在结构、质量、水平上还不能完全适应［6］。

充分发挥企业在产教融合中的主体作用，让企业深度参与院校的课程设计、教材研发、技能培训、实习安排等环节，一方面可以将企业对于人才的需求切实融入到高校教学与科研中，补齐人才短板；另一方面，也可以推动企业自主发展，提升创新能力和核心竞争力［7-8］。

2 产教融合培养仿真技术人才实践

北京云道智造科技有限公司（下称“云道智造”）成立于2014 年，系国家高新技术企业。公司以“PaaS 大平台+APP 小应用”的工业互联网模式重构仿真软件生态，基于自主研发的仿真引擎，推出自主可控的通用仿真平台Simdroid 和开放兼容的云仿真平台Simcapsule，并搭建了基于云的工业APP 商店Simapps，实现了仿真APP 的无代码化开发、云原生部署与在线应用。公司还参与发起国家数字化设计与制造创新中心，牵头组建国家数字化设计与制造创新中心北京中心、北京数字化设计与制造产业创新中心。

自2018 年起，云道智造与国内高校广泛开展合作，探索产教融合培养仿真技术人才路径。公司立足于自主可控的仿真根技术平台和普惠开放的工业互联网生态，通过教育部产学合作协同育人项目、供需对接就业育人项目、创新型数字化教材及课程体系、仿真工程师培训体系等多种方式，产教融合赋能高等院校教育教学和科学研究工作，促进自主仿真技术人才规模化培养，支持我国制造业转型升级。

2.1 自主仿真软件进课堂，赋能高校教学科研

云道智造通过与高校共建特色课程、打造新型数字化教材等实践，让自主仿真软件进课堂，全方位赋能高校教学与科研。

（1）共建仿真特色课程。结合高校学科、专业和学院特色，云道智造与高校合作共建面向本科生和研究生的仿真特色课程，促进教学内容和课程体系改革。

自2018年起，云道智造与重庆大学合作开设了选修课“先进工业制造仿真APP 开发实训”，面向全校本科生开放，吸引了光电工程、航空航天、机械与运载工程、大数据与软件等学院的学生选修。课程包括CAE 基础知识、Simdroid 平台介绍、仿真APP 实例分析和仿真APP 开发等内容，让学生全面了解CAE 的基本理论、行业现状及发展趋势，学习使用Simdroid 平台开发工业仿真APP，理解工业APP 对产品设计研发的作用，从而掌握使用CAE 手段分析实际工程问题的方法，为解决具体工程问题奠定基础。

云道智造还与华北电力大学合作共建面向本科生“工程电磁场”课程的建模仿真实验，与北华航天工业学院合作开设“有限元分析”等面向本科生、研究生的专业必修课、选修课，理论与实践相结合，指导学生掌握使用仿真软件开发仿真APP 的方法，为学生后续功课学习和今后从事仿真相关工作打下基础。

（2）支持高校“居家不停学”。使用有限元软件进行建模仿真实验，是很多高校课程教学过程中必不可少的一环。目前，国内高校使用的几乎都是国外软件，存在价格高、购买难、使用难、升级难等问题。特别是近两年来，新冠肺炎疫情的持续影响和日趋复杂多变的国际环境，让高校在使用工业软件教学过程中的痛点加剧。

工程电磁场是华北电力大学电气工程及其自动化专业的必修课，包含2 学时的建模仿真实验，2019 年之前一直使用学校购买的国外软件，且必须在实验室使用。2020年初新冠疫情爆发后，全部课程转为线上，受国外软件版权限制，学生无法居家进行建模仿真实验。基于以往的合作了解，华北电力大学将云道智造自主研发的通用仿真平台Simdroid 引入课堂教学，满足了学生居家进行建模仿真实验的需求，有力支持了学校“居家不停学”。在2020 年、2021 年和2022 年的工程电磁场课程中，华北电力大学共有1 200 多名学生使用Simdroid 进行建模仿真实验，取得了积极效果。

自主仿真软件进课堂，不仅解决了高校教学中的实际问题，还促进了高校软件环境的多元化。国家教学名师、华北电力大学崔翔教授认为：“国产软件进课堂，不仅可以实现建模仿真实验，还能培养学生自主创新、自立自强和家国情怀；同时也为国内软件公司自主发展、追赶国际一流软件提供契机［9］。”

（3）打造数字化教材。针对专业基础课程理论知识抽象、教学难度高等问题，云道智造与高校合作，基于教材中的实例开发相应的仿真APP 实例集，打造数字化教材。

云道智造与华北电力大学合作，在普通高等教育“十一五”国家级规划教材《工程电磁场（第3 版）》（王泽忠、全玉生主编）的基础上，开发了相应的工程电磁场基本原理仿真实例。目前，覆盖静电场、恒定电流场、恒定磁场、交变磁场4 个模块的31 个知识展示仿真APP 和58 个原理教学仿真APP 已全部开发完成，并上线云道智造工业APP 商店Simapps。之后，云道智造又联合西南交通大学，基于普通高等教育“十三五”国家级规划教材《材料力学实验、仿真与理论》（阚前华、张旭主编）中的实例和材料力学试验相关国家标准，开发了材料力学虚拟实验仿真APP 实例集；联合中国石油大学，在普通高等教育“十一五”国家级规划教材《热工基础》（第二版）（张学学主编）的基础上，开发了传热学教学仿真APP。

这些在线仿真APP 将教材中抽象的理论公式和典型实例进行了可视化和交互式呈现，突破传统纸质教材有限的知识呈现方式，帮助学生更直观、深入地学习理论知识，极大拓展了学生自由探索、自主创新的空间。除上述高校，云道智造还计划与数百所高校开展多个学科的教材研发合作，引导并协助教师开发仿真APP，助力高校教学内容和课程体系改革，深化新形态教学创新实践。

2.2 开展协同育人项目，实现仿真技术人才规模化培养

在教育部高等教育司指导下，云道智造与高校开展广泛的产学合作协同育人项目合作，利用公司在自主普惠仿真领域积累的基础核心软件开发经验、仿真人才储备和工程应用实例等资源，深度发掘仿真工程师校企联合培养合作潜力，以自主仿真等数字化手段支持高校各门类学科教育教学资源的数字化升级。2021 年，云道智造成功申报和执行48 项教育部产学合作协同育人项目；2022 年，已成功获批3-6月4个批次项目共560项，总覆盖学校300余所。

（1）协同育人项目介绍。协同育人项目包括新工科建设、教学内容和课程体系改革、师资培训、实践条件和实践基地建设等四类合作方式。

新工科建设项目利用云道智造打造的通用仿真平台Simdroid 和校企双方的产业企业资源，以开展各学科领域CAE 竞赛、建设协同育人基地的形式，促进校企双方在横向科研课题和产业数字化人才培养方面的合作。比如：支持院校依托社团或其他形式的学生组织，征集院校所在区域工业企业的仿真应用需求作为竞赛拟定赛题，在校内（或校际）组织工业仿真相关赛事；与高校CAE 相关专业合作，在高校现有实验实训条件基础上，提供Simdroid 仿真平台和部分数字化人才培养教学资源及培训标准，培养学生CAE 软件使用、数字化设计、数值模拟及科学计算等能力。

教学内容和课程体系改革项目利用Simdroid 平台、自主可控的CAE 技术及仿真APP 资源，支持高校力学、机械、仪器、材料、电气、电子信息、自动化、土木、水利、地质、矿业、轻工、交通运输、航空航天、兵器、农业工程、林业工程、教育学、物理学、建筑、安全科学与工程、公安技术、植物生产等专业类的CAE 相关课程数字化改革，包括基于CAE的数字化教学资源建设和教学模式改革等。

师资培训项目围绕当前工业仿真软件自主化、普惠化需求，通过云道智造协助高校提升一线教师的仿真技能水平和课程建设水平，以自主可控的仿真技术赋能高校专业人才培养。面向高校举办“仿真APP 开发工程师”和“仿真（CAE）应用工程师”等师资培训班，以自主可控的CAE 技术和仿真APP 开发技术辅助必修理论课程教学为目标，根据参训者仿真技术水平分期分班开展培训。

实践条件和实践基地建设项目利用Simdroid 平台支持院校实训实验教学条件数字化升级和实践课程数字化升级。以CAE 相关专业的实验环节重构为目标，将自主可控的工业仿真平台和仿真APP 应用于实践教学，在保证实践课程质量的前提下，提升学生的工业软件应用能力。

（2）协同育人项目案例。以云道智造与吉林大学的合作项目为例。智能制造工程专业是吉林大学2019 年开设的新兴工科专业，形成该专业的人才培养体系、培养模式和专业标准，对于我国制造与工程领域的发展有举足轻重的意义。云道智造与吉林大学合作开展了“基于自主仿真的智能制造工程专业新模式产学协同师资培训”项目。该项目以师资培训为主要载体，帮助吉林大学一线教师提升仿真水平和课程建设水平，以自主可控的仿真技术和软件工具赋能专业人才培养。项目除实现机械工程、车辆工程和农业机械工程等专业人才培养从数字化向智能化转变，还面向交通与运输工程、工程力学等专业开放，共惠及15个专业5 000余名学生。

在项目执行过程中，云道智造与吉林大学机械与航空航天工程学院合作开展了新工科视域下数字“智造”综合实验教学改革。实验课在原有单一实验的基础上，建立新的实验教学体系，以产品全生命周期为导向，让学生从产品创意、方案设计、加工和装配工艺、测量与机床调整、市场营销策略等方面全面了解产品开发过程。课程利用Simdroid 仿真平台，通过全新的实验内容设计，使学生掌握CAD/CAE/CAM 一体化制造技术、基于熔融沉积成型技术的3D 打印技术、基于热塑成型的模具制造技术，了解先进制造技术的发展动向。学生最终完成了轴类、板类、梁等零件的静力学仿真分析，并制作出仿真APP。综合实验让学生对设计、制造全过程有了较完整的认识，提升了运用所学知识解决实际加工问题的实践能力，为进一步研究处理机械制造技术问题打下良好基础。

目前，云道智造与燕山大学合作开展的“基于Simdroid软件的电磁场问题仿真计算”项目、与内蒙古工业大学合作开展的“计算机辅助工程（CAE）课程理实一体协同教学研究”项目等也都取得了积极成果。

2.3 打造仿真技术人才培养闭环，推动产业数字化升级

云道智造通过组织培训、举办赛事、建设实习基地，与院校联动，与产业结合，形成“赛岗课证”一体化模式，打造“培训——测试——比赛——实习——就业”仿真人才培养闭环。

（1）组织仿真职业技术技能培训。云道智造探索打造一套完备的普惠仿真教育培训体系，分别与工信部教育与考试中心、工信部人才交流中心、中国仿真学会建立合作，开展仿真（CAE）应用工程师（初级/中级/高级）、仿真工程师（初级/中级/高级）、仿真APP 开发工程师等CAE 技术人才培训。为此，制定了基于自主仿真软件平台的仿真技术人才培训标准，面向高校本科生、研究生和企业工程师开发相关培训课程。

目前，“仿真APP 开发工程师”和“仿真（CAE）应用工程师（初级）”职业技术培训体系已较为成熟。“仿真APP 开发工程师”培训课程共16 课时，聚焦自主仿真软件的使用及仿真APP 开发，通过考核者可获得由工信部人才交流中心颁发的“工业和信息化人才能力提升证书——仿真APP开发工程师”。“仿真（CAE）应用工程师（初级）”培训课程共60 学时，分为理论基础和实践操作两部分，内容包括CAE 发展情况介绍、自主仿真软件平台功能介绍以及基于实际应用案例的软件操作，涉及结构、电磁、热、流体等物理场的仿真模拟。通过课程学习，学员能够初步掌握自主仿真软件的使用，可基于自主仿真软件进行产品的数字化设计、数值模拟、测试优化等工作，最终具备解决基础工程问题的能力；通过考核者可获得由工信部教考中心颁发的“仿真（CAE）应用工程师（初级）”职业技术证书。目前，已有300余人通过考试获得以上证书。

除精品课程和相关证书外，云道智造还为学员提供在线答疑服务、国内外仿真赛事参赛资格以及行业知名企业实习和就业机会；学员还可加入仿真开发社群，赋能终身学习、职业发展。

（2）举办仿真赛事。云道智造积极组织各类面向高校师生的仿真赛事，针对工业产品在设计、研发环节的仿真需求，围绕电磁、结构、流体、热四大物理场或多物理场仿真，开展各类实际问题分析和仿真APP 制作评比，培养学生自主创新和解决实际问题的能力，推进高校相关专业教学创新与改革，促进产业数字化转型升级［10］。

2021 年8-12 月，云道智造协办了由工业和信息化部、国务院国有资产监督管理委员会、浙江省人民政府共同主办的第三届中国工业互联网大赛“工业互联网+数字仿真”专业赛。比赛吸引了来自50 余所高校和30 余家企业的120 支参赛队伍，总参赛人数超过300 人，覆盖机械制造、电力装备、船舶、海工装备、石化、医疗健康、农业装备、航空航天、土木建筑等行业。最终，来自华北电力大学、中国石油大学、北京科技大学、哈尔滨工业大学等高校的38 支队伍获得了高校组奖项。

专业赛通过仿真技术与传统行业相结合的方式，以行业专用仿真APP 为载体，推动了国内能源电力、医疗、农业等行业的数字化进程，参赛作品中涌现出一批具有高复用性、高应用价值的仿真APP 案例。高校组一等奖作品是华北电力大学硕士研究生韩释瑶的“饼式环型空心电抗器磁场计算”，旨在解决电力行业中传统柱型空心电抗器磁场泄露严重、研制低漏磁空心电抗器需求迫切的问题。作者利用Simdroid 进行建模计算并生成APP，实现了饼式环型空心电抗器的磁场计算，为环型空心电抗器的产品设计提供了基础工具。作者还根据方案研制了一台饼式环型空心电抗器实物模型，并与某电气公司合作研制高压大容量样机，切实解决电力行业的实际问题。

2022 年6 月，云道智造组织了由中国石油学会和中国仿真学会主办的第一届全国油气储运工程数值仿真技能创新大赛。大赛覆盖了中国石油大学、东北石油大学等20所全国油气储运垂直领域重点院校的本科生和研究生，共组建196 支队伍，总参赛人数超过1 400 人。学生们针对油气储运领域的实际需求，开展了结构设计、工艺流程优化、经济性分析、完整性管理等问题分析。大赛不仅为学生提供了将课堂知识应用到解决工程实际问题的平台，还关注并解决油气储运工程行业数值仿真难题、高等教育创新人才培养瓶颈、国家工业软件自主可控的重大战略需求等问题。

（3）创新生产实习模式。生产实习是很多高校教学中一个重要的实践性环节，学生通过接触企业的研发生产、管理、销售、服务等，增强对基础理论和专业知识的感性认识，将专业知识转化成实践操作，从而提高生产实践能力和独立工作能力。

2022 年，云道智造陆续与中国矿业大学、北京工业大学、东北大学、大连理工大学等高校开展生产实习合作项目，指导学生学习CAE 技术在产品设计与研发领域中的应用，共覆盖本科生、研究生近500 人。实习内容包括线上课程培训与实训，由云道智造的工程师为学生科普CAE 行业发展现状及趋势，讲授仿真理论知识，介绍云道智造通用仿真平台Simdroid 和云仿真平台Simcapsule 的使用，并手把手指导学生进行仿真APP 开发实操。经过两周的理论学习和实践操作，学生制作出了飞机空气动力学分析APP、扳手受力分析APP、心脏主动脉仿真APP、碟簧受力分析APP 等有趣且有创意的仿真APP，极大提升了自主学习和解决问题的能力。

目前，云道智造已与东北大学共建了本科生校外实习基地，还依托国家数字化设计与制造创新中心北京中心和北京数字化设计与制造产业创新中心，建立了普惠仿真（CAE）技术人才培训与实训基地，直接向企业输送仿真人才。

3 结语

企业是技术创新的主体，高校是人才培养的主力军，二者合作，可实现资源共享、优势互补。实践证明，产教融合是实现仿真技术人才高质量、规模化培养的重要途径。通过近五年的探索，云道智造发展出一条产教融合的仿真技术人才培养新路径，有力支持了高校教学与科研工作，提升了公司的核心竞争力和影响力，仿真人才生态初具规模。未来，云道智造将以此为基础，继续深耕产教融合，推进以自主仿真技术人才为代表的新型工业人才培养，为制造强国和数字中国建设作出更大贡献。