杜青青，侯志偉，陳鵬，李臻

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730060；2.西門子(上海)有限公司，上海 200080)

0 引言

2022 年4 月新修訂的《中華人民共和國職業(yè)教育法》明確提出“國家建立健全適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，產(chǎn)教深度融合，職業(yè)學(xué)校教育和職業(yè)培訓(xùn)并重，職業(yè)教育與普通教育相互融通，不同層次職業(yè)教育有效貫通，服務(wù)全民終身學(xué)習(xí)的現(xiàn)代職業(yè)教育體系?！蓖?2 月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)改革的意見》，明確指出“建立健全多形式銜接、多通道成長、可持續(xù)發(fā)展的梯度職業(yè)教育和培訓(xùn)體系”。實施職業(yè)教育與培訓(xùn)并舉是新時代賦予高職院校的重大課題，為進(jìn)一步深入促進(jìn)產(chǎn)教融合、校企合作，高職院校不僅應(yīng)滿足在校學(xué)生培養(yǎng)的要求，還應(yīng)具備社會人員職業(yè)技能培訓(xùn)的條件。為應(yīng)對社會經(jīng)濟(jì)和智能制造帶來的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，打破職業(yè)教育陳舊理念的瓶頸，在育訓(xùn)并舉模式下培養(yǎng)學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力，這是智能制造背景下技術(shù)技能型高素質(zhì)人才培養(yǎng)的新要求，成為高職院校本科層次人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。高職院校本科層次人才相比于普通本科學(xué)校人才，除了具有較系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識外，還具備熟練操作復(fù)雜設(shè)備的技能；而相比于職業(yè)?？茖W(xué)校人才，更加突出理論基礎(chǔ)及技術(shù)技能的復(fù)合性和遷移性[1-3]。為了更好地適應(yīng)新時代國家智能制造發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略目標(biāo)，緊密結(jié)合實際工業(yè)生產(chǎn)過程，從過去以原理性驗證為主的教學(xué)實驗實踐方式逐漸向工程生產(chǎn)實戰(zhàn)型過渡，將實驗教學(xué)和實踐類課程在任務(wù)深度和知識廣度上進(jìn)行有效拓展和有序拔高。

隨著我國智能制造技術(shù)日新月異的高速發(fā)展，促使現(xiàn)代測控技術(shù)逐漸滲透到工程生產(chǎn)的各個實踐環(huán)節(jié)中，使得現(xiàn)代測控技術(shù)趨向于微型化、集成化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化等多元化發(fā)展?，F(xiàn)代測控技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)中必不可少的組成部分，不僅帶動了世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的升級，也在我國的社會發(fā)展中有著不可替代的作用，對社會的進(jìn)步有著重大的意義。特別是現(xiàn)在國家正處于向創(chuàng)新驅(qū)動型國家轉(zhuǎn)型的階段，對具有工程實踐與創(chuàng)新能力的高素質(zhì)、高層次人才要求越來越高，同時也加劇了現(xiàn)代測控技術(shù)人員需求的緊迫性。我校肩負(fù)著現(xiàn)代測控工程技術(shù)專業(yè)技術(shù)技能型人才培養(yǎng)的職責(zé)與使命，依托數(shù)字孿生的全過程仿真實訓(xùn)平臺，以培養(yǎng)工程實踐與創(chuàng)新能力為核心目標(biāo)，結(jié)合“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽，采用項目化、模塊化、精細(xì)化方式設(shè)計基礎(chǔ)驗證實訓(xùn)、虛擬仿真實訓(xùn)、綜合創(chuàng)新實訓(xùn)內(nèi)容，幫助學(xué)生加深對工業(yè)控制系統(tǒng)甚至全流程的理解，正確建立工業(yè)控制的系統(tǒng)化思維，讓學(xué)生在實踐中深入理解自身專業(yè)特點，加深對專業(yè)和未來職業(yè)發(fā)展的認(rèn)知[4-8]。這不僅提高了學(xué)生的動手操作能力，充分鍛煉了學(xué)生的工程實踐能力，不斷激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，也極大程度豐富了教學(xué)資源，有效支撐了高職院校人才的培養(yǎng)質(zhì)量。因此，注重學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對于能夠有效解決現(xiàn)場工程實際問題的實踐教學(xué)具有重要意義。

1 現(xiàn)代測控工程技術(shù)實踐教學(xué)的現(xiàn)狀分析

目前高職院?，F(xiàn)代測控工程技術(shù)實踐教學(xué)主要采用多媒體、3D 動畫等圖片和視頻形式實現(xiàn)理論知識的傳授，極大限制了工程實際場景的認(rèn)知與訓(xùn)練，雖然理論與實踐有一定程度的結(jié)合，但實際教學(xué)效果不太理想，難以達(dá)到工程實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目的和要求。傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式主要依賴于自動化實訓(xùn)裝置或設(shè)備來開展相關(guān)教學(xué)活動，存在以下問題：

(1)大多自動化實訓(xùn)裝置或設(shè)備，雖然包含有大量實訓(xùn)任務(wù)，但設(shè)備技術(shù)較為落后，目標(biāo)機(jī)型控制器基本停產(chǎn)停銷。要解決這一問題，需要較大的建設(shè)資金投入。

(2)實訓(xùn)裝置設(shè)備臺長期使用后故障率高，雖然軟硬件技術(shù)已全面升級換代，但其核心部件無法替換，不能滿足多課程、多實踐環(huán)節(jié)的層次化教學(xué)需求。此外，缺少依托共享模式的實訓(xùn)室裝備也無法與社會需求和學(xué)生競賽緊密結(jié)合[10]。

(3)實訓(xùn)裝置臺套數(shù)較少，造成學(xué)生實踐訓(xùn)練的受眾面小，不能保障每位學(xué)生均能得到有效、充分、合理的實踐鍛煉。并且部分實訓(xùn)任務(wù)屬于模仿式、驗證性的簡單操作訓(xùn)練，難以保證學(xué)生達(dá)到較好的實際訓(xùn)練效果，也無法滿足學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)活動要求。

2 現(xiàn)代測控工程技術(shù)實踐教學(xué)的改革舉措

針對目前實踐教學(xué)過程中存在的理論與實踐銜接不夠緊密、學(xué)生工程實踐能力與創(chuàng)新思維能力較為薄弱、社會責(zé)任感整體不強(qiáng)、專業(yè)技能與企業(yè)期望差距較大等突出性問題，以現(xiàn)代測控工程技術(shù)專業(yè)的實訓(xùn)課程為研究對象，將實踐教學(xué)從“傳統(tǒng)單一的觀看演示”向“實際項目工程的動手實踐”轉(zhuǎn)變，力求體現(xiàn)實踐內(nèi)容的豐富性和實踐方式的多樣性。并利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛實結(jié)合，實體對象的虛擬模型、復(fù)制現(xiàn)場使用的設(shè)備或裝置采用真實的自動化控制系統(tǒng)，保證控制裝置和控制手段與實際工程系統(tǒng)的操作具有高度一致性，保證學(xué)生可以身臨其境地走進(jìn)虛擬實驗室操作虛擬儀器，有效解決自動化實訓(xùn)裝置或設(shè)備數(shù)量較少、運維成本較高、故障復(fù)現(xiàn)性較差等問題。

借助數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)平臺，精準(zhǔn)分析石油、化工行業(yè)的企業(yè)崗位需求。例如化工自動化儀表安裝維護(hù)，自動化系統(tǒng)的投運、維護(hù)管理，復(fù)雜系統(tǒng)集成，工控產(chǎn)品研發(fā)與測試等，確定實踐訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)和方向，以實踐課程或理實一體化課程為核心載體，精選虛擬仿真實踐訓(xùn)練教學(xué)典型項目或案例，對崗設(shè)計實踐訓(xùn)練內(nèi)容，實現(xiàn)課崗并軌。結(jié)合“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽，兼顧技能拔尖人才培養(yǎng)要求和一般學(xué)生技能層次遞進(jìn)成長規(guī)律，將技能競賽項目教學(xué)化改造，有機(jī)嵌入實踐教學(xué)，將技能訓(xùn)練與技能大賽有機(jī)融合，以“知構(gòu)造(原理)、練仿真、踐實訓(xùn)”的實踐訓(xùn)練過程形成“崗課并軌、虛實結(jié)合、訓(xùn)賽融合、層次遞進(jìn)”的實踐教學(xué)體系，攻克實踐教學(xué)的重難點內(nèi)容，豐富實踐教學(xué)的數(shù)字資源庫，全方位提高學(xué)生的工程實踐能力與綜合創(chuàng)新素養(yǎng)。

2.1 數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)平臺

全過程實訓(xùn)平臺主要包括單站數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)、全產(chǎn)線數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)和過程儀表數(shù)字化雙胞胎仿真實訓(xùn)系統(tǒng)。

2.1.1 單站數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)

PLCSIM Advanced 是SIEMENS 推 出 的 一款高功能仿真控制器，屬于典型的工業(yè)應(yīng)用，可以仿真一般的PLC 邏輯控制程序，也能基于TCP/IP協(xié)議建立與虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)(軟件)之間的通信，甚至是實現(xiàn)多個虛擬PLC 之間的通信?；赑LCSIM Advanced 可以實現(xiàn)全虛擬教學(xué)或者半虛擬教學(xué)。全虛擬教學(xué)是指PLC 和控制對象全部通過數(shù)字化手段實現(xiàn)，使用PLCSIM Advancd+ 單站或全產(chǎn)線數(shù)字孿生虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)的組合，無需外部PLC，這種方式可滿足全班教學(xué)。而半虛擬教學(xué)則是使用真實的(可使用學(xué)?，F(xiàn)有的)PLC+ 單站或全產(chǎn)線數(shù)字孿生虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)的組合，這種方式可以將學(xué)校原有的設(shè)備充分利用。

圖1 所示的單站數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)是對各個獨立的工作站進(jìn)行模擬仿真和重現(xiàn)，在三維場景中真實還原單個工作站的生產(chǎn)流程，進(jìn)行虛擬操作練習(xí)，可用于熟悉操作流程和工藝流程。通過在該平臺上開展實訓(xùn)課程，學(xué)生能夠快速熟悉智能產(chǎn)線的工藝流程與基本操作。

圖1 使用單站實訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬操作及調(diào)試

單站數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)還可以作為簡單的PLC 邏輯編程訓(xùn)練器，通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式與真實的可編程控制器(PLC)建立連接，從而實現(xiàn)對各個工作站的控制，不僅為學(xué)生提供不限學(xué)時的簡單PLC控制場景，還兼顧了便利性和安全性。

2.1.2 全產(chǎn)線數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)

全產(chǎn)線數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)是對6 個工作站的整體系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真和重現(xiàn)，在三維場景中真實還原整體生產(chǎn)流程。圖2 所示的全產(chǎn)線實訓(xùn)系統(tǒng)可以進(jìn)行虛擬產(chǎn)線生產(chǎn)，用于熟悉完整的操作流程和工藝流程。通過在該平臺上開展實訓(xùn)課程，不僅能夠讓學(xué)生快速熟悉整個智能產(chǎn)線的工藝流程與操作，而且能夠建立起安全生產(chǎn)、安全聯(lián)鎖、生產(chǎn)序列等重要的工業(yè)理念。

圖2 使用全產(chǎn)線實訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬操作及調(diào)試

全產(chǎn)線數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)可以作為相對復(fù)雜的大型多PLC 控制系統(tǒng)的訓(xùn)練器，通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式與6 臺真實的可編程控制器(PLC)建立連接，從而實現(xiàn)對整個生產(chǎn)線的控制。在這一過程中，還能練習(xí)不同生產(chǎn)站之間的數(shù)據(jù)交互和工業(yè)通信，不僅為學(xué)生提供不限學(xué)時的復(fù)雜PLC 系統(tǒng)場景，還兼顧了便利性和安全性。

2.1.3 過程控制系統(tǒng)數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)

針對現(xiàn)代測控技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)設(shè)備緊缺、場地資源有限、難以滿足學(xué)生實操需求的問題，可采用構(gòu)架式軟件設(shè)計的方法，對液位及溫度控制工藝流程進(jìn)行仿真。學(xué)生可以通過實訓(xùn)仿真平臺對工藝流程、設(shè)備閥門屬性、控制方案等進(jìn)行自定義設(shè)計，還可以對水流量、風(fēng)流量、液位等過程變量進(jìn)行模擬及控制。以搭建風(fēng)路加熱溫度單回路控制系統(tǒng)為例，在仿真平臺上可以進(jìn)行PID 參數(shù)的整定，驗證液位溫度等控制效果。實驗結(jié)果表明，過程控制儀表系統(tǒng)平臺內(nèi)部邏輯能夠模擬各類工況下的系統(tǒng)響應(yīng)，能夠模擬全流程的系統(tǒng)狀態(tài)，為學(xué)生及企業(yè)自控人員提供了關(guān)于控制系統(tǒng)的設(shè)計、投運、整定的多功能虛擬學(xué)習(xí)平臺。

2.2 模塊化重構(gòu)實踐教學(xué)內(nèi)容

以“項目”教學(xué)為驅(qū)動，融“教、學(xué)、做”為一體，實現(xiàn)理論教學(xué)有平臺、實踐模擬在平臺、實踐操作來平臺、團(tuán)隊合作有項目、能力提升有競賽。對于現(xiàn)代測控專業(yè)的學(xué)生而言，要具備依據(jù)工藝需求和電氣圖紙進(jìn)行自動化工程系統(tǒng)集成的能力，而工程能力源于項目實踐[11-14]。因此基于數(shù)字孿生的全過程仿真實訓(xùn)平臺構(gòu)建了《自動化控制平臺的系統(tǒng)性實踐》項目式課程，即在崗(自動化工程師)—課(現(xiàn)代測控工程技術(shù)專業(yè)課程)—賽(國家級技能大賽，例如CIMC中國智能制造挑戰(zhàn)賽)一致化、理實一體化的真實工業(yè)場景中開展一系列由易到難的工程任務(wù)，以學(xué)生為中心、由興趣和成就感驅(qū)動，完成整個項目實施流程，掌握典型自動化工程集成的綜合能力。其中，包括認(rèn)識和理解自動化工程實施的各個階段，以及掌握各階段所需的技術(shù)、工藝?yán)斫饽芰?、工藝表達(dá)能力、PLC 編程能力、設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗。而這種綜合工程能力和工程素養(yǎng)，難以通過傳統(tǒng)的課程體系和教學(xué)方式達(dá)成，需要在第六或第七學(xué)期開展項目式的綜合實訓(xùn)課程，為學(xué)生提供完整的實戰(zhàn)項目，使其能夠?qū)⑺鶎W(xué)的零散專業(yè)知識整合起來，解決項目中遇到的種種問題，在進(jìn)入工程師職業(yè)場景前實現(xiàn)能力“階躍”[15-16]。

整個課程使用項目式教學(xué)，如圖3 所示為一個完整的工程項目，在項目中學(xué)生可以掌握處理工程問題的工作流程、技術(shù)規(guī)范、實施標(biāo)準(zhǔn)，最終通過項目反思達(dá)到知識可遷移、方法可復(fù)用的認(rèn)知提升。

圖3 自動化控制平臺的系統(tǒng)性實踐項目教學(xué)內(nèi)容

項目由6 個部分組成，學(xué)生需要根據(jù)其他領(lǐng)域人員提供的信息來理解工程所需要的工藝，在這個過程中工程師需要有良好的表達(dá)交流能力。因此在理解與表達(dá)工藝中，學(xué)生需要掌握并表達(dá)系統(tǒng)化工程分析方法，并且根據(jù)要求繪制出工作站的靜態(tài)工作圖，靜態(tài)工作圖能夠幫助學(xué)生更好地理解工藝流程，從而輕松面對陌生的自動化系統(tǒng)。在理解工藝過程后，需要繪制出標(biāo)準(zhǔn)的圖紙，但為了教學(xué)的可實施性和連續(xù)性將直接給學(xué)生提供圖紙，學(xué)生需要按照各種圖紙在博圖界面下測試控制器、執(zhí)行器、傳感器等，在此過程中能夠鍛煉學(xué)生的調(diào)試和診斷能力。此外，學(xué)生需要依據(jù)工程標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化搭建控制程序，比如變量符號的標(biāo)準(zhǔn)命名、子程序的建立等。在系統(tǒng)測試與交付中，學(xué)生需要掌握單元級功能測試、系統(tǒng)級功能測試。在熟練掌握自動化的知識后，學(xué)生可以對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的維護(hù)與升級，從而鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.3 精細(xì)化設(shè)計實踐教學(xué)過程

以知構(gòu)造(原理)、練仿真、踐實訓(xùn)的教學(xué)過程，攻克上料、檢測、調(diào)整、組裝、分揀、故障排查等教學(xué)重難點，依據(jù)自動化控制平臺教學(xué)內(nèi)容精細(xì)化設(shè)計仿真實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，如表1 所示。

3 考核評價方式和實際教學(xué)成效

考核評價作為實踐教學(xué)過程的重要組成部分，是考查學(xué)生訓(xùn)練實際情況和檢驗實踐教學(xué)效果的主要手段，也是衡量人才培養(yǎng)質(zhì)量和教師教學(xué)質(zhì)量的主要環(huán)節(jié)。應(yīng)減少學(xué)生對實踐內(nèi)容的生搬硬套，更加注重利用所學(xué)知識解決實際工程項目問題的能力，并采用過程式考核、階段化評價的方式，實行課前自主學(xué)習(xí)、課中技能考評、課后技能競賽以及社會服務(wù)全過程評價。知識點與技能點采用層層進(jìn)階趣味通關(guān)的方式，構(gòu)建過程和成果評價并重的考核方案。課前依托云班課平臺采集學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)時長、課前測試等模塊數(shù)據(jù)并自動生成平臺評價分?jǐn)?shù)，嚴(yán)格按照企業(yè)規(guī)范、實操安全規(guī)范等對學(xué)生進(jìn)行量化評價；課中完成小組對實踐操作的組內(nèi)、組間互評，仿真實訓(xùn)報告、實操報告由實訓(xùn)教師評價；課后拓展模塊由競賽培訓(xùn)導(dǎo)師評價，課后教師分析學(xué)生的評價數(shù)據(jù)并及時調(diào)整教學(xué)策略、改進(jìn)教學(xué)方法。

近幾年來實踐教學(xué)表明，借助數(shù)字孿生技術(shù)的虛擬仿真實訓(xùn)平臺以“崗課并軌、虛實結(jié)合、訓(xùn)賽融合、層次遞進(jìn)”的實踐教學(xué)體系，激發(fā)了學(xué)生的主動性和積極性，促進(jìn)了教師的主導(dǎo)性和專業(yè)性，取得了一系列標(biāo)志性的成果。教師在全國職業(yè)院校技能大賽教學(xué)能力比賽中獲得國家二等獎1 項、省級二等獎2 項，學(xué)生在全國西門子杯中國智能制造挑戰(zhàn)賽總決賽中獲得特等獎1 項、一等獎2 項、二等獎3 項。

4 結(jié)語

精準(zhǔn)分析石油、化工行業(yè)背景的企業(yè)崗位需求，結(jié)合職業(yè)教育本科層次人才培養(yǎng)目標(biāo)，以現(xiàn)代測控工程技術(shù)專業(yè)實踐課程為研究對象，以實踐課程或理實一體化課程為核心載體，依托數(shù)字孿生技術(shù)的新興教學(xué)資源，借助單站數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)、全產(chǎn)線數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)系統(tǒng)和過程儀表數(shù)字化雙胞胎仿真實訓(xùn)系統(tǒng)等數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)平臺，精選虛擬仿真實踐訓(xùn)練教學(xué)典型項目或案例，對崗設(shè)計實踐訓(xùn)練內(nèi)容實現(xiàn)課崗并軌。同時，有機(jī)融合“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽技能競賽項目，采用項目化、模塊化、精細(xì)化方式分層設(shè)計基礎(chǔ)驗證實訓(xùn)、虛擬仿真實訓(xùn)、綜合創(chuàng)新實訓(xùn)內(nèi)容，以“匠心引領(lǐng)、育訓(xùn)并舉、德技并修、知行合一”的人才培養(yǎng)模式，形成“崗課并軌、虛實結(jié)合、訓(xùn)賽融合、層次遞進(jìn)”的實踐教學(xué)體系，實現(xiàn)了實踐教學(xué)過程中理論與實踐的緊密銜接，提升了學(xué)生工程實踐能力與創(chuàng)新思維素養(yǎng)，取得的教學(xué)實際成效對其他實踐教學(xué)模式具有較好的參考價值。