薛晓荔
元宇宙为机械实训模式的创新带来全新的体验和机遇，其整合并应用了各种数字技术，形成了虚拟与现实、数字与应用的互联网交叉融合的社会形式。在机械专业实训教学的过程中，学生面临实用设备资源有限、校外实训受到现实因素的限制、在线实用资源建设不完善等一系列挑战。建议使用元宇宙、数字孪生和其他技术创建虚拟空间，通过虚拟空间和物理空间之间的实时数据交换，打造出一个完整的工程训练数字孪生空间，从而帮助学生完成机械专业的相关实训科目，更好地了解该专业不同工种的操作细节和加工流程，并促进学习系统的更新和专业实训模式的创新。
元宇宙介绍
元宇宙是由多种技术组合而成的综合体，其是一个虚拟的、互动式的世界，结合了虚拟现实、增强现实、人工智能、区块链等多种技术，可以模拟真实世界中的场景和物体，同时也可以让用户进行互动和操作[1]。
当前，中国数字经济快速发展，为传统产业提供了数字化转型的契机，推动了数字技术与实体产业的快速融合。在元宇宙中，虚拟现实技术可以创建逼真的虚拟环境；增强现实技术可以让用户感受到更加真实的环境和体验；人工智能可以让虚拟环境和现实世界更加紧密地结合起来；区块链可以确保虚拟资产的安全和可信性。数字技术不仅可以实现生产，而且可以应用于日常教学活动。
机械专业实训的现状与问题
机械专业的学生需要直接面向制造行业，因而该行业对他们操作技能的要求非常高。在机械专业的教学过程中，机械专业实训课程是必不可少的重要一环，它是培养学生综合实践能力和解决问题能力的重要途径。然而，目前传统的机械专业实训还存在一些问题和挑战。
高成本
传统的机械专业实训需要大量的设备和材料，而这些设备和材料往往价格昂贵，给学校和企业带来了很大的经济压力。校园实践资源有限、设备更新缓慢，在大规模教学的情况下，很难满足一人一机的要求，有时甚至出现几十人共用一台设备的现象，导致练习的时间十分有限。
安全隐患
传统的机械专业实训往往需要使用一些危险的工具和材料，如果操作不当，可能会出现人员伤亡和设备损坏等问题。
时间限制
传统的机械专业实训往往需要在实验室或者工厂进行，时间和场地的限制往往会影响实训的效果和质量。学校根据教学大纲，每学期着重安排几周的实训课程，受时间短、人员多、管理、设备等因素的影响，学生往往只能以粗浅的方式进行入门练习，无法扎实深入地掌握整体的系统框架，导致记忆周期短、学习效果差。随着生产一体化的技术和现代化程度的不断提高，机器正向着模块化、集成化方向发展，学生在有限的时间内只能对生产过程有一个大致的了解。
无法模拟复杂场景
传统的机械专业实训往往只能模拟一些简单的工作场景，难以模拟一些复杂的实际工程问题，这会影响学生的实践能力和解决问题的能力。
缺乏互动和反馈
传统的机械专业实训往往是单向的，单向的教学方式容易使学生产生厌倦和抵触情绪，学生的学习效果不佳，兴趣减弱。因此，需要通过创新技术手段和教学方法解决这些问题。元宇宙作为一种新兴的虚拟现实技术，可以为机械专业的实训模式带来新的机遇和挑战，通过虚拟现实技术的应用，可以有效地解决传统机械专业实训中存在的问题，构建新的实训模式。
元宇宙技术在机械专业实训中的优势
通过分析元宇宙技术在机械专业实训中的优势，探讨其在机械专业实训中的适用性和推广前景。
目前，为了解决机械实训教学中存在的问题，除了需要教师正确的指导外，还需要利用先进的技术手段，开发互动式、高精度的虚拟培训教学工具，拓宽实训课程的多样性渠道，激发学生的学习积极性。近年来，新兴技术在不断迭代更新、融合升级。例如，在工业领域中应用增强现实、虚拟现实、人工智能、数字孪生等技术，极大地促进了虚拟世界和物理世界的融合，为进一步拓宽教学渠道奠定了基础，创新了教学思路，将会对教学的模式设计产生重大的影响，加速了教学数字化升级的进程[2]。
元宇宙被视为互联网进化的终极形态，其在教学领域的运用将成为未来教学发展的新样态，必将给机械专业实训教学带来新面貌。
元宇宙在机械实训模式中的可能性
元宇宙通过数字孪生技术[3]生成了现实世界的镜像，这是元宇宙的重要底层技术之一。它是一个虚拟的、互动式的世界，结合了虚拟现实、虚拟现实、增强现实等技术，可以模拟真实世界中的场景和物体，同时也可以让用户进行互动和操作。在机械实训中，数字孪生技术的前景广阔，可以被用来模拟各种机械设备和工艺流程，从而提高学生的实践能力和技能水平。以下内容是数字孪生技术在机械实训模式中的可能性探索。
第一，机械设备模拟。数字孪生技术可以用来模拟各种机械设备的工作原理和操作流程，包括数控机床、注塑机、压力机、焊接设备等。学生可以在虚拟现实中进行操作和调试，学习如何使用这些设备，并了解其工作原理和性能特点。
第二，工艺流程模拟。数字孪生技术可以用来模拟各种机械加工和制造的工艺流程，包括铸造、锻造、冲压等。学生可以在虚拟现实中模拟操作各种工艺流程，了解每个工艺步骤的作用和影响，并进行工艺参数的调整和优化。
第三，虚拟现实培训。结合了虚拟现实技术，给学生提供更加真实的机械实训体验。学生可以在虚拟场景中进行培训，如操作复杂的机床或进行危险的高空作业，从而提高他们的实践能力和技能水平。
第四，多人协同实训。数字孪生技术可以提供多人协同实训的平台，多个学生可以同时进入虚拟场景中进行机械实训，共同完成一个任务或解决一个问题。这种方式可以促进学生之间的合作和交流，提高他们的团队合作能力和沟通能力。
元宇宙在机械实训模式中的特征
在科学和技术方面，机械专业实训的元宇宙具有虚拟性、开放性、低延迟性、互动性等特征。而在社会维度方面，元宇宙具有虚拟身份、经济、社交网络、文明等特征。因此，机械专业实训科目的元宇宙特征是创新的，具有前瞻性和实用性。
第一，虚拟化。机械专业实训的虚拟世界有两种构建渠道，一是可以通过元宇宙中的虚拟身份，同步显现出物理世界中的人物，在虚拟世界中出现学生和教师的角色，从而实现了物理与虚拟的全面交织。二是通过数字孪生技术生成镜像，将物理世界中的机械设备构造出一样的虚拟世界。学生戴上AR或VR眼镜，即可在虚拟环境中感受到真实的操作环境，获得丰富的沉浸式体验感，从而更好地掌握机械知识和技能。
第二，开放性。机械教学元宇宙的构建打破了学校和社会的壁垒，通过使用机械设备可以打造互动式教学模式。元宇宙打造了一种开放的教学环境，教师可以选择多样化的教学内容，辅以多种教学方式，采用多种教学评价，具有时间和空间上的灵活性，学生可以在任何时间和地点进行学习，不必受到传统教育的空间和时间限制。这种学习方式不仅支持个性化学习，也支持成立合作学习小组，为学生提供了更加灵活和有效的学习支持。
第三，特殊性。通过传感器等输入设备，学生可以将自己的状况转化为元宇宙中的虚拟形象，通过监测虚拟形象的眼睛、脑电图、微表情等信号，并运用算法进行分析，教师可以更好地了解学生的学习状态，从而帮助教师提升教学效果。同时也应该警惕机械专业实训元宇宙所带来的伦理风险、沉迷风险和隐私风险[4]。
总之，数字孪生技术在机械实训模式中有着广阔的应用前景，可以为学生提供更加真实和丰富的机械实训体验，同时也可以为教师提供更加高效和便捷的教学工具。
构建机械专业实训的元宇宙模式
在《数字孪生五维模型及十大领域应用》中，有人提出了五维数字孪生模型[5]。数字孪生是一组相互关联的装备系统的数字映射，多个重要的、彼此依赖的装备系统构成了信息物理系统。现针对传统机械实训存在的问题，构建一种全新的机械专业实训模式，并探讨其实施的可行性和效果。
虚拟空间的搭建
机械专业主要面向装备制造企业，实训课程的内容与制造企业的关系紧密相连。因此，在构建机械专业实训课程时，可以融入数字孪生技术，打造一个基础平台。基于这样一个机械专业实训的元宇宙平台，搭建一个制造企业物理世界的镜像体，其中，用户和服务端共同构成了一个机械实训元宇宙空间系统。
在服务器端，通过传感器、嵌入式系统和数据采集卡等电子技术，将真实物理世界中的机械设备和场地展示在虚拟世界中。建设数字孪生车间的对象时，通常选择某一个车间或工厂为原型。对于机械专业实训教学而言，最基础的需求是机器设备，然而更理想的是拥有产品的完整生产线，包含实验室、实训基地、产品从原材料到成品的整个过程。
例如，要建成牙刷的生产线数字孪生体，必须集中原材料供应生产线、加工设备系统、装配设备系统、检测设备等生产线。这离不开高性能的计算机，利用超级计算的工作站、一体机Focus等硬件，以及HTC Vive虚拟现实显示器等一系列硬件设备，创建沉浸式课程和交互式的VR培训。整个平台的搭建同时也会更好地促进企业和学校之间的合作。
用户端的用户可以分为两类：虚拟人、原生人。通过人机界面上的柔性贴片采集人体生物的电信号以实现手势识别，并利用动作捕捉系统实现人体物理运动与虚拟身体的实时映射。虚拟人等同于个体用户在现实世界中的数字化身。虚拟人通过可穿戴设备、传感器、摄像头等技术，实现动态的信息采集，将原生个体的表情、动作同步链接传送至虚拟人，实现在虚拟空间实训操作的目标。
虚拟身份的创建
传统实训课程一般以讲授法为主，讲师将自己掌握的知识以一般教学法为载体，以期学生能够获得更多的知识并掌握必要的技能。在这种方式中，教师扮演着传授者的角色，学生则是知识的接受者。在机械专业实训的元宇宙中，教师和学生之间的关系被重构，符合当前教育理念去权威化的发展趋势。通过元宇宙技术搭建的虚拟空间中，教师不再是单一的知识传授者，也可以担任多种角色，如操作员、辅导、设计师、工人等，与学生共同创造一个多元共享的学习环境。学生不再局限于教师的单向知识传授，而是在虚拟空间中进行观察操作、实践和总结，同时，增加互动合作和自主学习环节，利用元宇宙丰富的社交特性，帮助学生更加全面地掌握知识和技能。这种新型的教育模式有助于提高学生的学习效果和自主学习能力，也能够促进教师的专业成长和教学创新，从而在机械实训教学中取得良好的效果。
基础环境设施的构建
构建基于5G或6G网络环境的机械专业实训虚拟场景设备，旨在确保学生在虚拟学习环境中实现流畅的沉浸式教学体验。视觉交互技术（全息投影、VR、AR）为师生创造了真实世界与虚拟世界无缝转换的沉浸式体验。机械专业实训元宇宙的运行离不开巨大的算力，故需要构建集强大的计算、智能等技术于一体的基础设施，也能促进元宇宙技术的发展和创新，推动其在教育领域的应用和推广。
元宇宙技术在机械专业实训中的发展方向和应用前景
元宇宙技术在机械专业实训中的发展方向
2019年，Steam公司发布了一款名为《烹饪模拟器》的游戏，玩家利用VR技术，在游戏中可以沉浸操作整个烹饪的过程，感受真实的烹饪过程。趣味化、多样化的游戏效果使得该游戏大获成功。
元宇宙技术允许企业和学校在实际生产的基础上创建虚拟的在线环境，这本质上是一个模拟过程，但依据真实的场景进行模拟操作，学生可以在虚拟环境中完成设计到原材料的采购、生产制造、销售等流程，呈现出沉浸式、低延迟和逼真的虚拟效果，满足学习需求。从最简单的开始，逐渐升级难度，提高挑战性，吸引学生不断挑战自己，提高学生的参与感，激发其学习技能的兴趣。
数字孪生技术在机械专业实训中的应用前景
笔者利用数字孪生技术建立了数字孪生车间的五维模型，目前已经在工厂生产中使用。该模型基于多家实体汽车企业，包括发动机生产线、变速器生产线和传输生产线等多条生产线的实际情况。在考虑机械实训元宇宙的模型搭建时，学校可以根据自身的教学安排、实训要求和场地实景，分门别类地整合这些内容，以便更好地进行教学和实践操作。
物理实体通过传感器、数据采集卡、嵌入式系统等技术构建虚拟实体，虚拟实体与物理实体一样，具有多个时间和空间尺度，通过上述的一系列技术可以得到属性数据、动态过程的数据。故虚拟实体的构建是基于多个时间和空间尺度的物理实体。在实际的加工过程中，数据的实时性非常重要，但在实训元宇宙空间中，虚拟实体不可避免地存在延迟现象。为了确保学习的连续性，采用数据的迭代，进而优化虚拟车间，比频繁更新好得多。学校应与企业保持良好的互动，采集数据对虚拟车间进行检查与更新。
笔者结合元宇宙与目前机械专业学生在生产实训中遇到的实际问题进行了初步探索，随着科技的发展，元宇宙技术的更新以及基础设施的普及可以将元宇宙扩展至更大的范围，从而实现跨学科研究，推动高校和企业之间的合作。
（作者单位：江苏省锡山中等专业学校）
[1]胡泳，刘纯懿.“元宇宙社会”：话语之外的内在潜能与变革影响[J].南京社会科学，2022（01）：106-116.
[2]陈永伟，吕琳媛.元宇宙漫游指南[M].上海：上海人民出版社，2022.
[3]张霖，陆涵.从建模仿真看数字孪生[J].系统仿真学报，2021，33（05）：995-1007.
[4]李保艳，刘永谋.元宇宙的本质、面临的风险与应对之策[J]. 科学.经济.社会，2022，40（01）：15-26.
[5]陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统，2019，25（01）：1-18.
