产教融合视域下虚拟仿真实验的设计与实施

摘要：在产教融合深入推进的背景下，虚拟仿真技术以其低成本、高安全性及强交互性优势，成为破解传统实践教学困境的有效途径。本文以“基于精益生产的数控机床数字化装配线虚拟仿真实验”为例，系统探讨其实验设计、实施与成效。实证表明，该虚拟仿真实验不仅能显著提升学生的工程实践与创新能力，还为校企协同育人提供了可推广的实践范式，对深化产教融合具有重要参考价值。

关键词：产教融合；虚拟仿真实验；数控机床数字化装配线

中图分类号：TP391.9  文献标志码：A

引言

在教育改革与技术创新的双重推动下，虚拟仿真实验凭借计算机与VR技术，构建出高沉浸、强交互、低风险的实践教学环境，正重塑传统实验教学的边界。截至2024年10月，国家虚拟仿真实验教学平台已上线4828门课程，其中经管类达464项[1]。这一模式有效解决了传统实验设备成本高、耗材消耗大及操作风险等问题，为学生提供可重复、可定制的低成本实践平台[2]。其直观性、开放性和时空灵活性不仅提升了教学效果，更为创新型人才培养提供了新路径。未来，虚拟仿真实验需进一步通过数据赋能，推动教学内容、方式及治理的数字化升级，助力高等教育高质量发展[3]。

一、实验项目的选题与设计

（1）选题依据：本实验立足新时代卓越工程人才培养需求，结合《设施规划与物流系统设计》课程与工业工程专业特色，以数控机床数字化装配线为对象，运用虚拟仿真技术构建真实生产场景。通过沉浸式实践教学，引导学生自主发现问题、分析问题并解决问题，有效提升工程实践能力与创新素养，回应科技进步与产业变革对工程教育提出的新要求。

（2）实验目标：以掌握精益生产与流水线设计原理为基础，深化数控机床结构与功能认知；强化多学科知识整合能力（设施规划、生产控制、物流工程等）与数据建模分析能力；通过虚拟仿真实践，培养创新思维、团队协作与复杂工程问题解决能力，实现知识、能力、素质的协同提升。

（3）实验内容：本实验项目真实还原制造企业的生产环境→产品特点→需求计划→生产流程设计→人员分配→物流系统设计→装配流水线运作真实过程，采用领先的全方位工业智能制造虚拟仿真系统—智能制造VR虚拟仿真系统，根据生产要求，将三维虚拟仿真的生产线设备、工业机器人、水电气管路及周边设备进行整合，建立仿真模拟生产线。在此基础上，进行工艺仿真分析与模拟运行、工程验证等工作。通过数据库建设和3D技术实现人机互动，学生可自行设计搭建车间和工厂，自行装配设备和生产线并进行仿真运行，从而实现生产的全过程虚拟仿真设计与实验。实验内容涵盖生产线平衡知识预习、认知生产车间现场设施设备、认知机床设备结构、计算生产节拍和工作地数、调整工序进行生产线设计、分配工人数和类型、生产线平衡率计算、选择搬运设备、物料超市操作步骤排序、对设计生产线进行投产运行等多个步骤。

二、实验方法

本项目以数控机床生产车间的精益生产管理和装配流水线的设计与优化为案例，基于企业真实数据进行相关仿真实验。利用沉浸式学习，增强学生的感官体验，激发学生的学习兴趣。项目结合虚拟仿真技术，解决了无法进行流水线设计实验的问题，不具体规定操作方式，学生根据所学的知识和理解自主搭建，自主设计，系统允许学生不断尝试探究，允许试错，反复练习，这种摸索方式打破了固有的上课模式，激发了学生的学习兴趣。

此项目设计是开放的，即学生设计结果没有标准答案，但是在给定工序时间的情况下，存在节拍、工地数如何设置使生产成本最低、利润最高的问题。学生通过设计——模拟生产——优化等环节对流水线设计持续改进，寻求最优流水线生产。设计生产流水线并不断优化，选择不同的生产线平衡方式，都是为了达到最优生产。学生在课堂上学习的设施规划、生产计划与控制、生产物流、基础工业工程等相关知识，以及自主学习的动态规划等智能算法都会得到应用。理论学习与实际操作相结合，使学生熟练掌握基本的流水线管理知识，通过对多学科知识的综合运用，连续实验，不断反馈，探索优化企业生产管理的途径，提高了学生实践创新能力。

三、实验项目创新点

一是采用开放式探究学习模式，通过无标准答案的个性化产线设计，激发学生创新思维与科学决策能力；二是基于真实企业数据构建游戏化任务场景，让学生在仿真环境中完成"问题发现-分析-解决"的全流程实战训练；三是聚焦智能制造前沿，将工程伦理与德育元素融入实践教学，在提升学生技术应用能力的同时培养其社会责任意识，实现知识、能力与职业素养的立体化培养。

四、结论

本研究创新性地构建了数控机床装配线虚拟仿真实验系统，形成了"理论-数据-技术-评价"四维融合的教学新范式。实验通过真实数据驱动的动态仿真环境，显著降低了教学成本，同时培养学生掌握工业4.0核心技能。其创新价值体现在：重构了"知识-技能-思维"三位一体的工程人才培养体系，为智能制造领域输送系统思维能力与工程实践能力兼备的复合型人才。该成果不仅为工程教育数字化改革提供了示范案例，更预示着虚实融合的智能化教育新时代的到来。

参考文献：

[1]尹夏楠，唐少清，李晓月.组态视域下经管类虚拟仿真实验学习效果提升路径研究[J].中国软科学，2024（S2）：368-372.

[2]崔瑾，鲁燕舞，苏娜娜，等.东西部高校生物类虚拟仿真实验教学资源共建共享探索与实践[J/OL].生物学杂志，1-4[2025-04-19].

[3]程莉莉.教育数字化转型的内涵特征、基本原理和政策要素[J].电化教育研究，2023，44（04）：53-56+71.

基金项目：2024年辽宁省研究生教育教学改革研究项目立项“数智时代下工业工程与管理研究生产教融合育人模式研究”（LNYJG2024037）

作者简介：刘设（1980.11—），女，汉族，辽宁沈阳人，博士，副教授。研究方向：生产系统建模与仿真，设施规划与设计。