“岗课赛证”融通的“数字孪生建模与应用”课程教学研究.pdf

装备制造技术 2023 年第 7 期0引 言在工业 4.0 背景下，制造业朝着数字化、网络化、智能化方向转型升级，数字孪生技术的应用也不断深入，相应的人才需求也越来越迫切。2022 年 6 月，“数字孪生应用技术员”作为新职业被人社部向社会公示。“数字孪生应用技术员”是指使用仿真技术工具和数字孪生平台，构建、运行维护数字孪生体，监控、预测并优化实体系统运行状态的技术人员。顺应社会和时代的需求，做好紧缺人才的培养是高职院校应负的职责，为此，高职工业网络技术、机电一体化等专业纷纷将数字孪生技术作为数字化人才培养的着力点，开设“数字孪生建模与应用”课程。1数字孪生技术概述数字孪生技术也称为数字化映射技术，它以数宇化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等1，从而模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期。数字孪生技术是在物联网、大数据、人工智能、云/边缘计算等技术的支撑下而迅猛发展的，它正成为工业互联网的核心和关键，加快推动着社会向数字化转型。在工业上，数字孪生技术可以应用到产品的全生命周期的各个环节，包括智能研发、智能制造、智能销售、智能服务与智能运营，如图 1 所示。“岗课赛证”融通的“数字孪生建模与应用”课程教学研究彭雄凤（湖南信息职业技术学院，湖南 长沙 410200）摘要：在工业 4.0 背景下，制造业正朝着数字化、网络化、智能化方向转型升级，起源于产品全生命周期管理的数字孪生技术得以广泛应用，催生出“数字孪生应用技术员”这一新型职业，基于人才需求，职业院校纷纷开设“数字孪生建模与应用”课程。该课程团队以“岗课赛证”融合育人为抓手，通过以岗定课、以证融课、以赛促课的方式，进行“数字孪生建模与应用”的教学实践研究。基于岗位能力需求和典型工作任务，按照“项目导向、任务驱动、学做合一”的原则重构模块化教学内容；通过课证融合实现课程内容与技能证书考核内容无缝对接，开发学习视频、习题、案例、电子课件等多样化的配套资料，优化教学资源；以各类技能大赛作为引领进行教学改革，满足学生差异化的学习需求，激发学生学习的内生动力。同时，将数字素养贯通全程，融入数字信息安全、数字心理问题安全、数字意识形态安全和数字道德等素养内容，坚持德技并修的数字化人才培养目标。通过“与岗对接”“课证融通”“课赛融通”“素养贯通”的教学实践，学生的技能水平进一步提升，职业技能等级证书的考证通过率达 95%以上，竞赛也取得了好成绩。关键词：“岗课赛证”融通；数字孪生技术；数字孪生建模与应用中图分类号：G712文献标志码：B文章编号：1672-545X（2023）07-0115-02收稿日期：2023-03-02基金项目：2023 年度长沙市哲学社会科学规划课题“产教融合视角下对接长沙工程机械产业链的数字化人才培养策略的研究”（2023CSSKKT248）；湖南信息职业技术学院 2023 校级课题“产教融合视角下高职机械类数字化技能型人才培养的策略研究”作者简介：彭雄凤（1984-），女，湖南长沙人，硕士，工程师，从事高职机械类专业课程教学与研究.图 1数字孪生技术的应用场景物理实体实时数据、算法模型模拟、验证、预测控制数字孪生体智能研发智能制造智能销售智能服务智能运营所有模型和数据为产品继续优化和创新提供数据支持远程监控与预测性维修优化客户的生产指标产品使用反馈客户洞察与销售预测服务生产过程仿真数字化生产线关键指标监控和过程能力评估数字模型设计和模拟仿真AI 大数据研发115Equipment Manufacturing Technology No.7袁20232“数字孪生建模与应用”课程的建设思路2.1 以岗定课，基于岗位能力需求，精准设计课程内容“岗”指岗位要求和人才需求，是课程育人的逻辑起点2。以岗定课是通过岗位能力分析倒推，获知胜任岗位的素养、知识、能力，以此重构课程内容，保证人才供给侧精准对接行业需求侧，进而提高毕业生的适岗率。新公示的“数字孪生应用技术员”的岗位能力需求包括：（1）安装、部署数字孪生平台，搭建并维护数字孪生体的开发环境、运行环境及验证环境；（2）应用数字化仿真建模技术及工具，导入、配置、构建数字孪生模型，部署并维护数字孪生模型；（3）应用机器学习、增强现实、虚拟现实、混合现实等技术，建立数字孪生模型与物理实体的数据映射关系；（4）运用虚拟调试、自适应优化和数字化模拟验证技术，进行数字孪生体调试优化及功能验证；（5）应用数字孪生平台，采集并处理物理实体数据，驱动数字孪生体；（6）进行数字孪生体的维护更新、优化升级，提供诊断、预测预警建议。上述“数字孪生应用技术员”的能力需求适用于各个行业以及产品全生命周期的各个环节，有指导作用，但过于笼统。在课程内容设计时，还需要对接具体行业的典型工作任务，将课程内容模块化、实施方案项目化。针对装备制造大类的高职学生，毕业后常对接制造类岗位。在智能制造应用场景下，建立数字化生产线，对生产过程进行仿真、监控、评估是典型的工作任务，其数字孪生建模的流程如下：（1）设备物联配置：对物理实体设备进行配置、接入网络。（2）数字孪生建模：对接人的设备建立其数字孪生体，实时、双向、持续进行数据映射。（3）可视化：配置可视化大屏，实时显示设备或生产线的信息，以便于监控、分析与决策。基于上述典型任务，课程组建由“学校-行业-企业”共同构成的教学团队，以“工业机器人数字孪生建模”为案例，按照“项目导向、任务驱动、学做合一”的原则，重构模块化教学内容见表 1。2.2 以证融课，实现课程内容与技能证书考核内容对接，优化教学资源“证”指对接岗位核心能力的职业技能等级证书，是课程育人的成效检验。自 2019 年我国全面启动“学历证书+若干职业技能等级证书制度”以来，本课程积极探索相应的“X”证书，于 2022 年成为“1+X”工业数字孪生建模与应用职业技能等级证书的考核试点院校。课程将工业数字孪生建模与应用职业技能中级证书的考核点融入教学内容中，实现证书与课程的无缝对接，课程融合对照见表 2。此外，课程团队与树根互联公司合作，采用根云数字孪生平台，共同开发学习视频、习题、案例、电子课件等多样化的配套资源，实现学生线上与线下混合式自主学习。2.3 以赛促课，满足差异化学习需求，激发学生的内生动力竞赛是学生专业技能和综合素质的高端展示，是检验教学质量的“试金石”，是课程育人的强化和升华。在数字经济发展中新催生出的数字孪生技术是产表 1课岗融通的教学内容设计项目任务育人目标项目 1：体验工业数字孪生建模任务 1 智能制造与工业互联网概述任务 2 认识工业数字孪生任务 3 快速体验数字孪生建模了解智能制造技术发展的新理论、新技术和最新发展趋势；了解数字孪生的技术特征、应用场景；熟悉数字孪生平台的功能、维护数字孪生平台的开发环境、运行环境及验证环境。项目 2：设备物联任务 1 创建模拟设备硬件任务 2 配置物联网关南向通道任务 3 配置物联网关北向通道了解设备物联结构、常用的工控协议、物联网协议；会采集并处理物理实体数据。项目 3：构建工业设备数字孪生模型任务 1 创建工业设备的物模型任务 2 注册工业设备的数字孪生体任务 3 设置工业设备数字孪生模型的报警任务 4 设置工业设备数字孪生模型的指令任务 5 监控工业设备的业务指标任务 6 创建生产线（设备综合体）的数字孪生模型构建、部署并维护数字孪生模型；建立数字孪生模型与物理实体的数据映射关系，驱动数字孪生体；进行数字孪生体调试优化及功能验证。项目 4：设备可视化项目任务 1 创建单设备的可视化项目任务 2 设计可视化大屏的基本信息任务 3 设计可视化大屏的报警和指令信息任务 4 生产线（设备综合体）的可视化监控了解数据可视化应用，会创建单设备、产线级可视化大屏项目；进行数字孪生体的维护更新、优化升级，提供诊断、预测预警建议。表 2课证融合对照工业数字孪生建模与应用职业技能中级证书考核内容对应的课程内容题目一：硬件设备物联接入配置1、创建硬件设备2、为设备进行网关南、北向配置，新增数据采集点项目 2 设备物联任务 1 创建模拟设备硬件任务 2 配置物联网关南向通道任务 3 配置物联网关北向通道题目二：创建物模型及配置属性1、创建设备物模型。2、为物模型配置属性、报警和指令。项目 3 构建工业设备数字孪生模型任务 1 创建工业设备的物模型任务 3 设置工业设备数字孪生模型的报警任务 4 设置工业设备数字孪生模型的指令任务 5 监控工业设备的业务指标题目三：创建物实例1、创建网关实例和设备实例。2、根据实例信息，完善硬件设备的网关配置，使实例和硬件设备形成孪生对应关系。项目 3 构建工业设备数字孪生模型任务 2 注册工业设备的数字孪生体题目四：创建可视化大屏1、创建设备展示大屏的可视化项目；2、展示设备信息、实时参数、业务指标，对一些关键参数的异常进行报警；3、通过大屏的按钮控制设备的急停、关机等操作。项目 4 设备可视化项目任务1 创建单设备的可视化项目任务2 设计可视化大屏的基本信息任务3 设计可视化大屏的报警和指令信息（下转第 129 页）116装备制造技术 2023 年第 7 期实践：以杭职院机电一体化技术专业为例J.机械职业教育，2020（3）：52-55.8 周海丹.现代学徒制背景下高职机电专业学期项目课程改革与实践J.高教学刊，2019（1）：186-188.9 栾红，宋光辉.智能制造背景下的工业机器人课程体系改革J.职业，2018（33）：81-82.10 余攀峰，洪凯，孙敏.高职工业机器人专业课程体系探索与实践J.职教通讯，2017（18）：14-15，18.11 陈江魁.产教融合视角下工业机器人专业新型学徒制的课程体系研究J.职业，2021（19）：63-64.业数字化的核心技术，也是各类大赛的新焦点，融合对照见表 3。课程以各类技能大赛作为引领进行教学改革，营造比赛氛围，促进学生自主学习、自我展示提升，从而提升人才培养质量。赛项内容作为课程案例供学生实训练习，教师在课程在线学习平台配套了竞赛的学习视频、习题、拓展资料等以满足学生差异化的学习需求。为将竞赛标准操作在本课程实训教学中推广，教师录制标准操作微课，充分剖析赛项操作环节的操作流程、关键点和易错点，并发布在超星课程平台供学生反复观看。在实训环节，将竞赛规程中的标准操作、素养要求落实到学生的动手实践中，强化学生的能力培养。2.4 数字素养贯通全程，坚持德技并修面对日益融合的虚拟空间和现实空间，数字人才不是简单用数字来考虑和解决问题，还必须具备数字素养3。课程教学中融入数字安全素养和数字道德素养的相关案例（表 4），让学生学会保障数字信息安全、重视数字心理问题安全、维护数字意识形态安全、遵守数字道德公约，共同建设和维护风清气正的数字化时代。3结 语课程作为专业核心课程或者专业拓展课程，在工业网络、机电一体化、电气自动化、机械设计与制造等专业已开设 3 年，通过“与岗对接”“课证融通”和“课赛融通”的教学实践，学生的技能水平进一步提升。学生参加“1+X”工业数字孪生建模与应用职业技能等级证书的考证通过率达 95%以上，学生参加“工业互联网集成应用”赛项获得省级一等奖 1 项、省级三等奖 2 项。目前，课程处于建设初期，是“岗课赛证”融通育人的一种积极探索，可为高职数字化技术的相关课程提供参考。参考文献：1 陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用J.计算机集成制造系统，2019，25（1）：1-18.2 曾天山.“岗课赛证融通”培养高技能人才的实践探索J.中国职业技术教育，2021，768（8）：5-10.3 周海涛，朱元嘉.提升大学生数字素养的创新路径J.中国电化教育，2023，436（5）：49-55.表 3课赛融合对照赛项名称组织机构赛项内容赛课融通点对应课程项目生产单元数字化改造全国职业院校技能大赛执行委员会以数字化关键技术为核心，集成智能仓储、智能机器人、AMR 自主移动机 器 人、智 能 视 觉、SCADA 系统监控、WMS系统、MES 系统、数字孪生的综合应用单元。数字孪生的综合应用单元项 目 3构建工业设备数字孪生模型工业互联网集成应用全国职业院校技能大赛执行委员会对传统制造业生产设备或产线升级网络结构、采集产线信号，开发新的标识系统以对上下游零部件进行管理，利用边缘计算技术提升信息处理的实时性，设计工业互联网平台应用软件实现数据可视化及服务应用。数据可视化项 目 4设备可视化项目一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛【工业机器人数字孪生技 术 应 用 赛项】一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛组会赛项以工业机器人数字孪生为核心，涵盖了工业机器人系统的虚拟调试、软硬件安装调试、集成应用等工作领域，考核典型的涂胶、码垛、分拣、装配等虚实调试工作任务。工业机器人数字孪生项 目 3构建工业设备数字孪生模型表 4数字素养与案例数字素养案例数字信息安全大学生数字信息过度泄露数字心理问题安全大数据推送形成情绪偏见，网络焦虑、孤独、抑郁等心理问题，大学生过度沉迷网络而荒废学业数字意识形态安全网络“丧”文化、“躺平”文化、西方自由主义等内忧与外患数字道德公约“网络水军”、“键盘侠”效应（上接第 116 页）129