面向工程教育认证的车间虚拟实训系统建设
彭威，吉卫喜，钱陈豪，俞建峰
（江南大学 机械工程学院，江苏 无锡）
摘 要： 高等院校学生实践能力的培养是工程教育认证中的重要部分，为培养面向现代制造业迫切需要的高素质、创新型人才，开发了离散制造智能车间虚拟实践平台。该系统以网络信息技术及数字化技术为关键点，完整再现了产品从设计、工艺规划、虚拟制造等全过程的模拟运行，包括制造资源及生产流程认知、虚拟车间布局规划、虚拟加工与装配及生产过程管控4个模块。该虚拟实训系统能够较好地辅助课堂教学，培养学生分析解决复杂工程问题的能力。
关键词： 数字化制造；虚拟实验；工程教育
随着科技的不断发展及制造业的不断进步，我国对人才的需求层次也发生了较大的改变，创新型复合人才逐渐成为制造业需求的核心。面对新时代下对人才能力要求的提升，对学生创新能力及工程实践能力的培养成为的高校人才培养体系的重要基础，尤其是传统的实践培养体系已不能满足制造业数字化及智能化发展的需求。此外，为了保障工程教育的质量，实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认，还需要使得工科专业毕业生达到工程教育专业认证的要求，因此对学生的实践能力培养提出了更高的要求[1]。工程训练是高等院校工程人才培养过程中的重要组成部分，是学生学习机械加工方法及工艺，了解加工装备和实际操作的实践性基础课程，传统的工程训练教学模式已不能满足科技发展及工程认证对人才能力提升的需求。首先，随着制造技术的逐步发展，以铸、锻、焊、切削为主要内容的传统工程训练内容不能完全满足数字化、智能化的现代生产制造需求，亟需对工程训练的教学内容进行改进和更新[2]。其次，工程训练过程中由于场地、设备及加工安全性的限制，使得学生对某些环节无法进行现场的操作和认识，严重影响了工程训练的教学效果。随着信息技术及计算机技术的飞速发展，采用虚拟仿真形式开展工程训练教学的新模式逐渐成为各高等院校的研究热点[3,4]。因此，针对目前的工程训练教学环节，亟需从教学内容及教学模式上进行改革，实现从传统的金工实习训练到满足工程认证要求的现代化工程训练平台的转变，从而能够更好地培养学生的创新能力和实践能力[5]。
一 工程教育认证体系
工程教育认证是专业认证机构针对高等教育工程类本科教育实施的第三方评估认证机制，是国际通行的工程教育质量保障制度，旨在为工程教育类专业毕业生进入工业界从业提供预备教育质量保证。我国在2016 年成为《华盛顿协议》正式会员，其核心是将“学生中心”、“成果导向”、“持续改进教育质量”的保障理念贯穿于人才培养全过程[6]。因此，高等院校工程训练教学应紧紧围绕工程教育认证的核心理念，明确学生工程实践能力培养的标准和要求：（1）学生实践能力的培养应以满足现代产业发展的需求为目标。大学实训内容及教学目标的确定一直因校而异、因师而异，这种自由和差异一方面体现出大学教学的多元化和个性化，同时也导致了人才培养的差异性和难以量化的评价。按照工程认证的要求，高等院校实训应立足于产业的未来发展及对学生能力的需求，目前随着我国先进制造战略的不断实施，数字化、智能化成为我国制造业将来发展的主要趋势，因此我们的实践能力培养应以先进制造的需求为目标进行确定；（2）学生实践能力培养应依靠有效的教学评价和教学资源保障制度。工程教育专业认证要求以学生能力培养为导向，根据毕业要求中需要培养的学生能力和素质为目标，通过反向设计来对实训体系、实训内容、评价体系等进行设计，建立制度性的质量管理体系，使得学生在实训过程中，以反向设计时所确定的能力和素质培养目标为依据，通过正向实施使得学生在获得实践能力的提升；（3）学生实践能力培养应具备数据的可追溯性，为持续改进建立基础。学生能力培养方式的持续改进是工程认证中的关键内容，因此需要通过学生、用人单位、社会对培养质量的评价反馈来对培养过程中的各个环节进行持续改进，进一步提高培养质量，满足社会和企业对工程人才的需求。而在工程实训教学环节，需要对学生的实训过程及结果予以记录和跟踪，通过不断的分析反馈来实现学生实践能力培养的持续改进。
二 智能车间虚拟实训系统建设
（一）实训系统框架设计
经过2年多的建设，江南大学工程训练中心已建设成功一个小型离散制造数字化车间，实现了机床的互联互通、数控代码的上传下达、加工路径的仿真、工序的在线流转以及基于AGV和机械手的自动上下料和物流仓储等。因此，智能车间虚拟实训系统以江南大学工程训练中心数字化车间为原型，围绕工程教育认证的核心理念，应用虚拟仿真及网络信息技术，进行离散制造智能车间虚拟实训的场景设计，包括典型产品零件制造中的制造资源及制造装备展示、车间布局规划、虚拟加工及装配及生产过程的管控等，功能模块和系统框架如图1所示。学生通过在虚拟环境中对智能车间的学习，加深对产品零件生产规划、制造过程管控的全局理解，以优质实验教学资源开放与共享为目标，虚为实用、以虚补实，培养学生分析解决实际生产工程问题的综合能力和创新素质，达到工程教育的培养目标。
图1 离散制造智能车间虚拟实训系统框架图
（二）实训系统功能模块
（1）制造资源及生产流程认知模块
制造资源认知模块主要是展示离散制造智能车间的制造场景和生产装备。在认知模块学习中，首先针对某些特定工件，学习并了解该零件的生产流程和工艺方法；然后针对生产流程中所需要的生产单元设备进行认知和学习，包括数控机床、上下料机械手、自动导引运输车(AGV)、激光打码机、扫描枪、条码/RFID、立体仓库及工装，并熟悉生产设备的操作方法和注意事项等；最后，在虚拟实训系统上展示了产品生产过程中的基本流程，包括生产发料、工单派发、工序流转及车间物流。教师也可以利用实验设备模型进行讲解，实现位置移动、视角转换、设备选择、文字介绍、场景漫游等演示功能如图2(a)所示。
虚拟加工与装配模块主要按照零件的工艺过程及产品的装配要求，实现零件的虚拟加工和产品的整体装配。零件的虚拟加工中，依据零件工艺流程及工时定额进行派工操作，然后在CAM软件中进行数控程序的编制和仿真，通过数据库和网络传输将设定好的数控程序下达到相应的加工设备上，最后在虚拟仿真系统上观察仿真加工过程（图3）。待零件加工完成后，学生通过交互操作将零件按照规定的装配要求进行装配，同时在虚拟系统上可以查询相应的装配作业指导书。
低钠血症是指血钠浓度<135 mmol/L，并引发一系列临床症状的疾病[1]。正常情况下，机体内钠离子的摄入与排出处于相对平衡的状态。随着年龄增加，调节水钠平衡机制的衰退，以及感染、心脑血管疾病、缺氧等多种因素导致老年患者经常出现低钠血症。低钠血症常缺乏特异性临床表现，易被误诊漏诊，预后不良。近年来对低钠血症机制等研究逐渐完善。现主要从病因、诊断等方面对低钠血症的诊治进展予以综述。
采用理论学习、科研反哺、虚实结合的教学方法，为机械类专业学生能亲身感受及学习离散制造数字化工厂的制造资源，车间布置及生产流程管控，通过离散制造数字化车间虚拟训练系统增强对数字化制造技术的认识及提高实践能力。
（1）通过离散制造数字化车间虚拟实训系统的演示及交互操作，帮助学生快速了解离散制造数字化车间的基本概况，掌握车间生产中零件从设计、制造到入库检验的整体流程。在实训过程中，学生可以在系统中进行交互操作，近距离的观察车间里的生产设备和加工过程，弥补理论学习的不足之处，加深对先进制造技术的认知和理解，为培养满足工程教育认证标准的人才提供了坚实的保障。
（3）虚拟加工与装配模块
这一刻的折腾耗尽了二丫的气力，她靠在床头，一个劲儿地喘粗气。稍微平静了一点儿，二丫望着对面的山墙说：“细婶儿，我好像看见狼剩儿哥了……”
图2 制造资源认 间布局规划
生产过程管控模块主要依靠江南大学已搭建好的数字化工厂进行演示和操作。首先采用传感器与数据采集设备，实时采集机床的数控系统输出信息，实时监视机床的状态（如开关机、预警、输出功率、能耗等）（图4）；通过条码或RFID采集物料流转信息，跟踪在制品生产执行进度及零件状态等信息，并通过机床接口与生产智能管控终端的实时信息交互，实现整个零件加工过程的状态跟踪与生产控制。
(4)依托既有维修企业服务升级。针对实施I/M制度，多地依托既有维修企业进行技术与设备升级，通过有效的市场监管与技术培训，使得企业投入成本大幅度缩减，通过政策引导，进一步激发企业积极性，发挥市场主导作用。广州实施I/M制度以来，共95.9万辆排气超标车辆得到有效维修治理。
（4）生产过程管控模块
图3 零件虚拟加工
图4 生产设备状态监控
（三) 虚拟实训系统运行
（2）虚拟车间布局规划模块
车间布局规划模块主要是以制造单元设备为对象的布局建模，考虑生产单元各工序之间的联系、顺序、作业区间的相对和绝对位置关系以及生产过程中的实际状况等多种因素，使学生在虚拟环境下掌握如何对生产单元中设备进行布局规划，搭建虚拟制造单元，从而实现零件生产流程、物流的合理化如图2(b)所示。
在教学上，“MDT团队针对的都是疑难危重症，医学又是一个辨证论治的过程。所以年轻的医生，像实习、进修医生、规培学生们很愿意旁听。但考虑患者的隐私，我们MDT的诊室或会议室不会太大，所以青年医生反馈最多的，是希望能更多参与MDT团队的讨论和门诊。这是他们平时在课堂上无法感受和学习到的，因为很多知识是在讨论当中被带出来的。”崔彩梅经常会看到，一群群穿着白大褂的学生拿着矿泉水，啃着面包，如饥似渴地旁听。
（2）在虚拟系统中进行虚拟考核,检查学生对掌握离散制造数字化车间设备和生产流程的情况，降低实验考核的成本。离散制造数字化车间虚拟实训系统涵盖离散制造车间的大部分生产流程和设备，有效地消除了设备、场地等硬件限制对车间认知实训教学的影响，避免了高成本、高能耗和安全隐患。通过后台数据的记录，让老师后续根据实验数据快速的进行达成度的分析，然后针对实训步骤或实训内容提出改进方案，最终满足工程教育认证中的持续改进目标。
我国始终致力于从农业国向工业国的转变，推行农业规模化、机械化、现代化种植，然而当前我国农村地区存在青壮年大面积外流现象，农村地区的农业生产依靠老年人、妇女和少年，在玉米种植方面没有受过专业系统的培训、对农业机械使用不熟练、受限于身体原因对田地疏于管理，面对科学含量、技术含量较高的玉米高产栽培技术掌握程度有限，极容易造成病虫害泛滥、水肥失衡，进而导致玉米产量迟迟无法上升，高产栽培技术的推广受到限制。
（3）离散制造数字化车间虚拟实训系统通过网上预约的模式进行在线学习，虚实结合的实验方式让学生对先进制造技术理解更加深入，提高了学生学习新技术的积极性，促进了教学效果的提升。
三 结语
工程教育的最终目的是为了培养满足未来行业发展要求的人才，随着先进制造技术的快速发展和普及，开发了离散车间智能工厂虚拟实训系统，以帮助学生快速了解数字化制造基本模式，提升学生在数字化时代的实践能力。离散车间智能工厂虚拟实训系统场景逼真，人工交互操作简单方便，是课堂教学的有力助手，尤其是对于机械类学生专业课的学习有非常大的帮助。目前，该系统已应用于江南大学的实训教学中，为机械大类学生提供在线的学习和训练。作为一种新的教学手段和教学方式，虚拟实训系统的建立不仅解决了传统实验存在的教学场地少、实训成本高级安全隐患高的缺点，而且跟工程教育认证的理念更为贴合，表现在学生的能力培养是以行业发展为需求的、学生的评价是可追溯的以及教学改进是可持续的。
参考文献
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[2] 白瑞峰,韩洪洪,于赫洋,等.智能制造虚拟实验系统设计与集成[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(6)：129-131.
[3] 房朝晖,于赫阳,李祺,等.资源共享的智能制造虚拟实验教学平台建设[J]. 实验技术与管理, 2017(04)：128-131.
[4] 柏月,汪木兰,周明虎,等.基于虚拟现实的智能制造单元构建与仿真[J]. 机械设计与制造工程, 2018, 47(11)：25-28.
[5] 孟兆生,岳彩霞,孙建华,等.工程训练中心应对工程教育专业认证的策略与思考[J]. 黑龙江工程学院学报, 2018, 32(03)：71-74.
[6] 施晓秋,徐嬴颖.工程教育认证与产教融合共同驱动的人才培养体系建设[J]. 高等工程教育研究, 2019(2)：33-40.
本文引用格式： 彭威，等.面向工程教育认证的车间虚拟实训系统建设[J]. 教育现代化,2019,6(68)：130-133,166.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.68.046
基金项目： 本文系“江南大学本科教育教学改革研究重点项目（JG2017028）”、“江南大学教师卓越工程项目（JG2017142）”的研究成果。
作者简介： 彭威，男，江西鹰潭人，江南大学机械工程学院，讲师；吉卫喜，男，江苏泰州人，江南大学机械工程学院，教授。
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