智能制造虚拟仿真在教学中的研究与应用

摘要：本文重点探讨智能制造虚拟仿真在教学领域的应用与研究。该技术能增强学习直观性和趣味性，提供安全实践环境，培养综合实践与创新思维。它在课程教学、项目设计及技能竞赛中均有广泛应用，并推动了教学方法与效果评估的研究。然而，应用过程中面临软件学习成本高、硬件设施要求高及资源整合难等挑战。为此，建议采用分层递进式软件培训、更新硬件设施并促进资源共享，同时加强教师团队建设。智能制造虚拟仿真系统在培养符合产业需求的高素质人才方面具有重要作用，未来发展前景广阔。

关键字：智能制造；虚拟仿真；教学；研究与应用

0 引言

《中国制造 2025》明确指出，要着力推进制造过程智能化这一重要举措。具体而言，会在诸多重点领域开展智能工厂/数字化车间的试点建设工作，积极推动人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、增材制造等一系列先进技术和装备在实际生产过程里的广泛应用，以此助力制造工艺达成仿真优化、实现数字化控制，并且能够对状态信息进行实时监测以及开展自适应控制。［8］

要培养出具备智能工厂设计规划能力的应用型人才并非易事。这类人才不仅得扎实掌握工业机器人相关的专业知识以及娴熟的操作技能，还要求将一般学科知识与特定领域知识进行深度融合，更为关键的是，要大力提升智能设计与应用系统集成能力，唯有如此，才能造就出契合智能制造第一线实际需求的高素质技术技能人才。

按智能制造所涉及的专业类别进行预估，预计到 2025 年的时候，机械制造类专业所培养出的技术技能人才，在整个机械行业智能制造同类人才总量当中所占的比例大约会达到 34% 左右。当下，智能制造系统集成人才的缺口最为显著，而这类人才主要是面向智能制造系统集成企业的。另外，在工业设计、工业工程等领域，相关技能人才在技能人才总量里大约占比 10% 左右，而且在未来五年内，这些领域对于技能人才有着较大的新增需求。还有那些伴随着符合性技术融合发展应用并催生出新职业而设立的新专业，其对应的技能人才需求也会一直保持增长的态势。［6］

1 智能制造虚拟仿真技术在教学中的优势

1.1 增强学习体验的直观性和趣味性

传统教学中，许多抽象的智能制造概念、复杂的机械运动和制造流程往往难以通过简单的文字和图片让学生透彻理解。而虚拟仿真系统能够创建逼真的虚拟场景，将抽象知识具象化。例如，在讲解工业机器人的运动学原理时，通过虚拟仿真系统可以实时展示机器人各关节的旋转、平移等动作以及末端执行器的运动轨迹，学生可以从不同角度观察，仿佛置身于真实的机器人操作现场，这种直观且有趣的学习方式能极大地提高学生的学习兴趣和参与度。［2］

1.2 提供安全且低成本的实践环境

在实际的智能制造实践教学中，操作真实的生产设备存在一定安全风险，并且设备数量有限、成本高昂，难以满足每个学生充分实践的需求。虚拟仿真系统则为学生打造了一个安全的虚拟实践平台，学生可以在其中自由地进行各种操作尝试，不用担心损坏设备或出现安全事故。比如，进行数控机床的编程与操作练习时，学生可以在虚拟仿真环境中反复模拟刀具路径、调整切削参数，直至熟练掌握操作技能，无需考虑设备损耗和实际材料成本等问题。

1.3 培养学生的综合实践能力和创新思维

虚拟仿真系统通常涵盖了智能制造多个环节的内容，学生在使用过程中需要综合运用机械、电子、控制、软件编程等多学科知识来完成项目任务。例如，在虚拟搭建智能工厂生产线的项目中，学生要设计机械结构布局、配置自动化控制系统、编写机器人工作程序等，通过这样的实践锻炼能够有效提升学生的综合实践能力。同时，学生还可以自主探索不同的设计方案和参数配置，观察其对生产效果的影响，从而激发创新思维，培养解决复杂问题的能力。

2 智能制造虚拟仿真系统在教学中的具体应用

2.1 课程教学环节

理论课程辅助教学：在《机械设计基础》、《电工电子技术基础》《机电传动与控制》等课程中，教师可以穿插使用仿真案例或演示来解释重点知识点。例如，在讲解齿轮传动比计算时，通过在 SolidWorks 等软件中构建一对齿轮的啮合模型，并进行运动仿真，展示不同齿数比下齿轮的转速变化，帮助学生更好地理解传动比概念及其对传动效果的影响。［1］

实践课程核心应用：在实践课程如《数控加工实训》、《机电一体化概念设计》、《智能制造控制系统仿真与调试》等课程中，将仿真软件作为主要实践工具。以数控加工实训为例，学生先在 Mastercam 等仿真软件中进行数控编程，模拟刀具轨迹、加工过程，对编程的正确性进行验证后，再到实际机床上进行加工操作，这样可以大大提高加工的成功率，减少废品率。［4］

2.2教学项目设计

产品设计项目：教师可以布置机电产品虚拟设计项目，要求学生分组设计一款小型智能仓储搬运机器人。学生需要利用虚拟仿真系统完成从产品的概念设计、机械结构设计、电路设计到制造工艺规划、装配调试等全流程工作，通过项目实践培养学生的系统设计思维和实际动手能力，同时让学生体验智能制造全生命周期的各个环节。

工艺优化项目：给出一个虚拟的工厂场景和生产需求，让学生运用虚拟仿真系统进行工厂布局规划、生产流程设计以及设备选型配置等工作，并对设计方案进行模拟运行和优化。要求学生为一个虚拟的电子产品制造工厂设计生产线布局，使其满足一定的生产效率和质量要求，学生可以通过不断调整设备位置、物流路径等因素，观察不同方案下的生产情况，进而培养学生的工业工程思维和生产管理能力。

2.3 技能竞赛与创新活动

专业技能竞赛：在各类机电专业技能竞赛中，越来越多地融入智能制造仿真技术环节。全国职业院校技能大赛中的智能制造产线运维、工业机器人系统集成等项目，参赛选手需要先在虚拟仿真环境中完成系统设计、编程调试等任务，然后再结合实际设备进行操作验证和优化，通过虚拟仿真环节的比拼，更全面地考查学生的专业技能水平、应变能力以及对智能制造系统的整体把握能力。［5］

学生创新活动：鼓励学生参与虚拟仿真系统相关的创新活动，利用仿真技术将创意想法转化为虚拟模型并进行可行性分析。比如学生提出一种新型的智能家居机电设备创意，借助仿真平台构建模型，模拟其工作原理、与家庭环境的交互情况等，判断创意的可行性，为后续的实际制作提供基础，培养学生的创新意识和实践能力。

3基于智能制造虚拟仿真系统的教学研究内容

3.1 教学方法研究

探究式教学：以虚拟仿真项目为载体，组织学生开展自主学习和团队协作。教师设定项目目标和要求，学生通过完成项目任务，如虚拟智能工厂的建设、产品虚拟制造等，主动探索和学习相关的专业知识与技能，在实践中培养解决问题的能力和团队合作精神。在智能工厂建设项目中，学生需要分工负责不同的子任务，包括生产线设计、机器人编程、控制系统搭建等，共同完成整个项目。

探究式教学法：引导学生在虚拟仿真系统中通过改变参数、调整模型结构等方式进行探究式学习。教师可以提出问题，如“如何提高虚拟生产线的生产效率”，让学生通过不断尝试不同的设备配置、生产流程优化等方法，在探究过程中深入理解智能制造原理和技术，培养学生的创新思维和自主学习能力。

3.2教学效果评估研究

多元化评估指标体系：构建包含仿真模型质量、项目完成情况、学生对知识的掌握程度以及创新能力表现等多维度的教学效果评估指标体系。评估学生设计的虚拟智能工厂时，不仅看其布局是否合理、设备能否正常运行，还要考查学生在项目中运用多学科知识的能力、对新技术的探索尝试以及提出创新性优化方案的情况等，全面客观地评价学生的学习成果。［6］

过程性评估方法：研究如何对学生在仿真教学过程中的表现进行实时跟踪和评价。通过记录学生在仿真软件中的操作步骤、参数调整记录以及遇到问题的解决过程等，及时给予反馈和指导，帮助学生更好地学习和成长。

4 面临的挑战及解决策略

4.1面临的挑战

软件学习成本较高：智能制造虚拟仿真系统软件功能丰富但操作相对复杂，学生和教师需要花费大量时间和精力去学习掌握，这可能影响教学进度和初期的教学效果。

硬件设施配套要求高：部分虚拟仿真软件需要高性能的计算机硬件支持，如运行大型虚拟工厂场景的仿真可能需要较强的图形处理能力和内存容量，而学校可能存在硬件设施更新不及时、配置不足的情况，导致软件运行卡顿，影响教学体验。

教学资源整合难度大：将虚拟仿真系统融入教学需要整合大量的教学资源，包括虚拟模型库、案例库、教学课件等，并且要与现有的教材、教学大纲相匹配，教师在资源整合和教学设计方面面临较大挑战。

4.2解决策略

分层递进式软件培训：针对不同基础的学生和教师，开展分层递进式的软件培训课程，从基础功能入手，逐步深入到复杂应用，同时提供详细的操作指南和在线帮助文档，降低学习难度，提高软件使用的熟练度。

逐步更新硬件设施与资源共享：学校应制定合理的硬件设施更新计划，根据教学需求和软件运行要求，分批次采购或升级计算机等硬件设备；此外，还可以探索利用云计算资源，通过云平台运行虚拟仿真软件，减轻本地硬件压力。同时，建立教学资源共享平台，集中整合各类教学资源，方便教师备课和学生自主学习。

加强教师团队建设与协作：组织教师参加相关培训和研讨会，提升教师对虚拟仿真系统的应用能力和教学资源整合能力；鼓励教师之间开展教学协作，共同开发基于虚拟仿真系统的课程和教学项目，分享教学经验和教学设计思路，提高整体教学质量。

5 结论

智能制造虚拟仿真系统在教学中的研究与应用有着广阔的前景，它为培养适应智能制造时代需求的高素质专业人才提供了有力的支持。虽然目前还存在一些问题，但通过不断的改进和紧跟发展趋势，该系统必将在提升教学质量、增强学生实践能力等方面发挥越来越重要的作用，助力我国智能制造领域的人才储备和产业持续发展。

参考文献：

［1］冯翠云.“新工科+智能制造”背景下“虚拟仿真技术”的机械设计基础课程的实践探索[J].广西教育学院学报，2019（06）：193-195.

［2］朱延松.智能制造工程虚拟仿真实验课程建设与研究[J].湖北第二师范学院学报，2022 （08） ：77-82.

［3］刘永刚.数字孪生虚拟仿真在智能制造生产线技术课程中的实践[J].科技资讯， 2023 （04） ：203-207.

［4］王有新.基于NX MCD的数字孪生虚拟仿真系统实验教学研究与实践[J].装备制造技术，2023 （10） ：80-85.

［5］罗邦芬.新工科时代智能制造虚拟仿真平台建设探索机械管理开发[J] . [J]，2024 （01） ：90-92.

［6］乔阳.基于虚拟仿真技术的智能制造生产线自动控制系统[J] .自动化与仪表，2024 （05） ：45-48+53.

［7］王芳.智能制造背景下技术技能人才需求变化的调研与分析[J].中国职业技术教育，2017（11）：18-22.

［8］国务院. 国务院关于印发《中国制造2025》的通知：国发[2015]28号[Z]. 2015.

广东省教育科学规划课题（2024GXJK829）；广东省中等职业学校教师发展中心职业教育研究课题（GDZZJF2024C024）；广东省高等职业院校自动化教指委教学改革项目（YGZDH2022-32）；广东省高等职业院校资源环境与能源材料教指委教学改革项目（ZHNCJG20220215）