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摘要：工业革命与教育变革有着互动互融、互促互进的深层关系。作为推动制造业发展的重要力量，数字化工厂为提高未来工程师的教育质量提供了可能。文章首先厘清了数字化工厂的概念和类型，然后从学习和工作情境出发，将数字化工厂、物理工厂、学校实训教学和企业生产实践作为四个基本维度，勾勒出数字化工厂在实训教学中的两条基本应用路径，并提出了初步的应用策略。
关键词：数字化工厂；实训教学；应用路径；应用策略
本文引用格式：段丹萍,等.数字化工厂在实训教学中的应用路径与策略研究[J].教育现代化,2019,6(16):125-127.
Research on Application Path and Strategy of Digital Factory in Practical Training Teaching
DUAN Dan-ping,XIANG Chao-yang,TANG Run-hua
（Educational Technology Center,Guang Dong Food and Drug Vocational College,Guangzhou,China）
Abstract:As an important force to promote the development of manufacturing industry,digital factories also provide the possibility to improve the quality of education for future engineers.This paper first clarifies the concept and types of digitized factory,then,starting from the study and work situation,takes digitized factory,physical factory,school training teaching and enterprise production practice as four basic dimensions,outlines two basic application paths of digitized factory in training and teaching,and puts forward some preliminary countermeasures.Use the strategy.
Key words:Digital factory;Practical training;Application path;Chinese pharmaceutical technology
一 前言
数字化工厂是企业竞争力提升的必经之路，不仅对提高生产系统的敏捷性有很大的影响，也是促进制造业教育的重要战略性手段[1]。虽然一些本科院校和职业院校通过实训、实习等方式，为学生提供了接触企业最新生产系统和技术的机会，但由于受到设备、实训空间、实践周期、建设与维护经费、人员等因素限制，使得学生难以在真实的工作情境下学习和实践。数字化工厂可作为解决这一问题的重要手段之一。然而由于目前存在数字化工厂的概念理解不明晰、技术投入和成本投入消耗较高、缺乏有效应用框架及方法指导等问题，导致了数字化工厂难以广泛、深入应用于实训教学。为此，本研究厘清了数字化工厂的概念和类型，深入分析了数字化工厂在实训教学中的应用优势、路径及策略，以期唤起教育研究者们对数字化工厂的重视，同时为广大教师提供参考。
二 数字化工厂概述
数字化工厂（Digital Factory,DF）的概念起源于20世纪末，目的是帮助企业提高产品质量、缩短产品上市周期、提高生产线配置与布局效率、降低研发成本、减少生产制造过程中的潜在故障、风险及不确定性等[2，3]。广义的数字化工厂是由数字化模型、方法和工具构成的综合网络[4]；狭义的数字化工厂指围绕工厂制造全生命周期，以设计规划、生产操作和制造资源为核心，基于虚拟现实（Virtual Reality,VR）、虚拟制造（Virtual Manufacturing,VM）、计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing,CIM）或智能制造（Intelligent Manufacturing,IM）等技术，对产品设计、工艺规划、工程组态、生产执行与管理等活动进行建模、仿真、优化、重组、控制和管理的数字化系统。在实训教学领域，研究者们普遍从教学和学习的角度来理解数字化工厂。Veža等（2017）[5]和Azadeh（2013）[6]认为数字化学习工厂是在计算机及虚拟环境下，一种基于真实的生产及管理过程，面向高校、企业和研究机构的具有多重功能整合的实践学习场所。
根据数字化工厂的关键技术及应用范围，可将其分为三种类型：（1）工艺型数字化工厂，是以设计/规划/模拟为中心，通过VR和VM技术可实现对工厂建筑、设施、设备、产品、生产线、制造过程等的设计、规划、布局、模拟、预测和优化等。（2）生产型数字化工厂，是以生产/加工/制造为中心，利用VR、VM和CIM技术，将工厂制造全生命周期各阶段活动中有关的环境、资源、人/组织、过程、活动等有机集成并优化运行[7]。（3）智能型数字化工厂，以数据为中心，利用VR、VM、CIM及IM的相关技术，将人、环境、机器和资源等自然地融合在一个社交网络，通过网络化的实时数据收集，协同完成智能分析模拟、规划设计、自动制造控制、生产线管控、供应链/ERP/管理、质量控制、决策、服务等。
三数字化工厂在我国实训教学中的应用现状
我们在“中国知网”以主题为“数字化工厂”并含“教学”或“数字工厂”并含“教学”或“虚拟工厂”并含“教学”或“智能工厂”并含“教学”，时间截止到2018年8月31日，共搜索到62篇论文。通过计量可视化分析发现：近年来数字化工厂逐步受到本科院校（18%）和职业院校（34%）的关注并呈上升趋势；从关键词分布看，数字化工厂、虚拟工厂和智能工厂在工程、化工等领域的校企合作、实践/实训教学、复合型人才培养、教学方法和教学模式改革等方面发挥重要作用。但目前仅停留在数字化工厂的基本概念、系统设计、技术实现和应用实践的初步探索。四川大学开发的虚拟工厂还原了大型有机酸工业生产的工作原理和基本流程，并采用“课前预习+数字化工厂实训教学+企业综合实训”虚实结合的模式开展教学[7]。河北化工医药职业技术学院与企业合作开发的“氨醇联产煤化工虚拟教学工厂”仿真了合成氨生产过程，帮助学生全面掌握从原料到产品的工艺过程[8]。
四 数字化工厂在实训教学中的应用路径与策略
目前，校内实训车间/工厂和企业实训基地等传统物理工厂是实训教学的主要实践场所。与传统的物理工厂相比，数字化工厂在对学习情境、学习过程和学习结果三方面的支持作用具有明显优势，可作为实训教学的重要支持手段。
（一）应用路径
我们从学习和工作情境出发，以数字化工厂、物理工厂、学校实训教学和企业生产实践作为四个基本维度，进行交叉融合，初步勾勒出数字化工厂在实训教学中的两条基本应用路径，如图1所示。
（1）以物理工厂为主要实训空间的应用
此路径以物理工厂为主、数字化工厂为辅，开展虚实结合的实训教学。物理工厂包括了校内的实训工厂和企业的生产工厂；数字化工厂类型主要为工艺型数字化工厂，将工厂基础设施、产品、设备、生产线、生产过程等以3D模拟的方式呈现，可作为教师创设情境、操作示范的教学演示工具和技能考核的测评工具，为学生提供观察、体验、技能训练、操作自评的认知工具和自主探究的学习环境。教师可采用轮岗训练与模拟训练相结合、任务引领与项目驱动相结合、线下分组训练与线上自主模拟操作相结合、理论与实操一体相结合等方式开展实训教学。
（2）以数字化工厂为实训空间的应用
此路径以生产型数字化工厂或智能型数字化工厂为实训空间。数字化工厂与物理工厂已经完全融合在一起，组成一个非地理锚定的校企融合、虚实融合的学习空间，可供学校的学生、教师、研究人员、企业的工程师等组成的学习共同体进行交流和互动，处理实际问题，使工业和教学场所的实际设施参与进来[9]。此类数字化工厂除了具备工艺型数字化工厂的功能外，还具有数据采集、分析与决策，设计与规划，方案验证与实施，生产管控等功能，可作为教师创设情境、操作示范的教学演示工具，技能考核的测评工具，能为学生提供观察、体验、技能训练、自主/协作学习、研究性学习、远程学习、自我评价等学习环境，同时也为学校师生、企业人员等提供了协同知识创造和技术创新的生产/制造研发工具。
（二）应用策略
鉴于学习情境和工作情境的多样性、复杂性，两种路径的具体实施过程都需要经过系统化的调研、分析、设计与实践，具体包括：
（1）在教学目标制定方面，要准确把握当代教育信息化、工业信息化的发展趋势和要求，做好企业人才需求、岗位需求、职业资格需求等调研，根据学科、专业、课程的性质和特点，从学生的学情出发，制定知识、技能和素养三维教学目标。
（2）在教学方法的选择方面，要遵循教学规律和学习规律，以职业技能和职业素养的培养为核心，强调行动导向的学习，将工作任务合理转换为教学任务融入到实训教学中，可采用讲解示范、情境模拟、仿真操作、协同训练、仿真考核等方法，使学生由浅入深，由简单到综合，循序渐进地展开体验和实践。
（3）在实训环境的建设方面，应深入调研企业生产实践的运作环境和模式，确定数字化工厂的类型和总体框架。针对以物理工厂为主要运作模式的生产实践，学校可根据现有实训条件下教学中存在的重、难点内容，综合考虑建设成本、教学效益等因素，完成校内物理工厂和虚拟工厂的建设；针对以数字化工厂为主要运作模式的生产实践，学校应精准对接企业，协同共建数字化工厂。例如，沈阳工学院与沈阳机床股份有限公司共同建设的数字化工厂将企业对人才的需求和最新的技术融入到学校教学内容中，实现了车间智能化、无人化及全程智能化教学，通过产教融合和资源互补，培养适应未来技术发展需要的智能制造人才。
（4）在创新实践方面，教学思想或理论应符合教育信息化2.0和工业4.0时代下的教学观和学习观的要求。一方面要满足个性化学习、终身学习和协同创新的需要；另一方面要实现教学系统和生产系统中的各要素之间的互连互通，包括学生、教师、企业人员、工厂、机器、设备、生产线、生产过程、产品、软硬件平台、学习内容等，通过网络连接和资源共享构成一个新的生态系统，实现校企深度融合、共同发展。
五结语
随着工业4.0时代数字化制造技术和智能制造技术的不断发展，数字化工厂的形态正由虚拟现实向融合现实的方向转变。未来生产型数字化工厂和智能型数字化工厂将在制造业教育中发挥越来越重要的作用，有关的应用框架、实践方法、教学模式等值得进一步探索研究。
参考文献
[1]Manesh H F,Schaefer D.A Virtual Factory Approach for Design and Implementation of Agile Manufacturing Systems[J].2010.
[2]Prinz C,Morlock F,Freith S,et al.Learning Factory Modules for Smart Factories in Industrie 4.0[J].Procedia Cirp,2016,54:113-118.
[3]Veža I,Gjeldum N,Mladineo M.Integrating Digital Factory,Lean Management and Industry 4.0 into the Learning Factory–Case Study at University of Split[J].Proceedings of the Iceai,2017.
[4]王创剑.面向数字化工厂的工程机械装配车间物料供给系统规划与应用[D].华中科技大学,2014.
[5]Veža I,Gjeldum N,Mladineo M.Integrating Digital Factory,Lean Management and Industry 4.0 into the Learning Factory–Case Study at University of Split[J].Proceedings of the Iceai,2017.
[6]Azadeh Haghighi.Application of digital environments for learning factories:digital learning factories,review and discussion[D].KTH Royal Institute of Technology,2013.
[7]王甜,孙群,王茂林,等.数字化工厂实训平台在企业综合实训中的应用[J].实验技术与管理,2016,33(8):110-114.
[8]黄永茂,郝宏强,李永真,等.“六位一体”生产性实训基地的研究与实践——以氨醇联产煤化工虚拟工厂为例[J].当代化工研究,2017(04):19-20.
[9]Abele E,Metternich J,Tisch M,et al.Learning Factories for Research,Education,and Training[J].Procedia Cirp,2015,32:1-6.
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