李培根 陈立平:《在孪生空间重构工程教育:意识与行动》

作者简介:李培根,中国工程院院士,华中科技大学原校长、教授,中国机械工程学会理事长;陈立平,华中科技大学机械科学与工程学院二级教授,工学博士。

摘  要:工业4.0的核心理念乃数字-物理系统,即数字世界与物理世界的深度融合。为了因应新工业革命的发展,工科尤其是传统工科教育迫切需要变革。本文提出要在孪生空间重构工程教育,其关键也在于数字世界与物理世界的深度融合。文中指出了深度融合需要的几种意识(数字存在,流动的过程,数字生成,物理生命体的语言),而不是仅仅停留在增加(混合)若干数字新技术课程或内容。重构的实质是要在教学活动中让学生从更高的层面领悟物理世界与数字世界融合的本质与关键,让学生把深度融合的意识、观念和思维方式变成一种习惯,从而有利于创新能力的形成。文中还提出在孪生空间重构课程体系和教材内容以及在孪生空间改造实践环节的行动建议。

关键词:工程教育  数字技术  数字孪生  孪生空间  数字存在  数字生成  CPS  课程体系  教材

一、现状与趋势

近年来,德国“工业4.0”在我国乃至世界都产生了深远的影响,其核心理念乃CPS(Cyber-Physics System,数字-物理系统),即数字世界与物理世界的深度融合。

的确,新工业革命时代正在到来,甚至已经来临。迥异的存在可以在很大程度上融合在一起。生命和机器(装置)可以共融,人机协同乃至人机共融是未来工程中重要的发展趋势;某些物理装置可以更好地融合在人体中(如可穿戴设备、因为健康原因植入人体内部的物理器件);即便是未能真正物理地融入人体的某些装置实际上已经成为人的存在的一部分,如有人就认为手机实际上已经成为“我之为我”的一部分;“商业智能”(Business intelligence)可为管理者提供多样化的决策信息,已经开始在个别企业的某些商务活动中初显端倪。长久以来,机器是人类的工具,在人和机器构成的系统中,人是主,机器是从。今天我们已经能够看到某些带有虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)的智能系统指挥人进行操作。在这样的人机系统中,很难说人是“主”,机器(或智能系统)是“从”,“主”和“从”的界限变得模糊了,充其量是主从身份的融合。由于AR、MR技术的应用,很多场景中“虚”和“实”的界限也变得模糊了,在辅以AR、MR系统的装配或维修环境中即是如此。所有这一切都说明新工业革命时代其实就是数字(包括人工智能)时代,其突出的特点是数字世界与物理或现实世界的融合。

近些年,发达国家开始重视数字教育改革。例如,2018年首届欧洲教育峰会“数字教育行动计划”(The Digital Education Action Plan)正式提出欧洲终身学习关键能力参考框架修订版,强调从初级教育到高等教育不同阶段数字化能力培养。[1] 欧盟围绕“数据战略”“数字教育变革”等议题推出了系列重要报告,重点关注欧洲数字经济现状、数字化人才供需状况及相关政策支持。2020年,欧盟委员会连续出台多份数字化战略报告,凸显欧洲面向数字化转型的迫切需求:《塑造欧洲的数字未来》强调欧洲在数字时代掌握技术主权,将提高全民数字教育水平和数字化能力作为重点任务。2019年,德国工会联合会(IHKs)出台“工业4.0学徒培训计划”,面向工业制造领域第二学年和第三学年的学徒,帮助在校生更早适应数字技术(数字环境),提升业务领域技能和核心数字技能,以满足“工业4.0”的需要。[2] 2017年上半年,美国企业-高等教育论坛(BHEF)与美国人才市场和职业分析公司Burning Glass、IBM合作完成报告《量化紧缩:对数据科学技能的需求如何冲击就业市场》(The Quant Crunch: How the Demand for Data Science Skills is Disrupting the Job Market),系统梳理了数据科学与分析领域的相关工作岗位及技能要求;同时期BHEF还与普华永道(PWC)共同发布《投资美国的数据科学与分析人才》报告(Invenstingin America’s data science and analytics talent)。两份报告从市场需求分析、问题研判到解决方案设计,直指数据科学赋能的工程人才与教育转型。[3]

前几年,我国教育部推出“新工科”计划。2018年9月17日由教育部、工业和信息化部和中国工程院联合发布《关于加快建设发展新工科,实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见 》,明确了改革任务和重点举措,包括深入开展新工科研究与实践,强调改造升级传统工科专业,发展新兴工科专业;创新工程教育教学组织模式,面向未来发展趋势建立未来技术学院,与行业企业等共建共管的现代产业学院;实施高校教师与行业人才双向交流“十万计划”;健全创新创业教育体系,注重培养工科学生设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维;深化工程教育国际交流与合作,推动工程教育中国标准成为世界标准等。此意见对于宏观推动我国工程教育的发展无疑具有重要意义与作用。目前,学术界对于新工科的探讨主要集中在多学科交叉融合、多方协同育人、个性化新工科人才培养模式以及新工科背景下土木、机械等传统工科专业和大数据、物联网工程、光电信息科学与工程等新兴工科专业的专业建设等方面[4]

综观国内外关于数字能力培养的工程教育研究,虽然都非常有意义,但远未触及到最实质性的问题。如果审视新工业革命的突出特点,即数字世界与物理或现实世界的融合,则当前的工程教育及工程教育研究均严重滞后于工业的发展需求。尽管发展新兴工科专业、建立未来技术学院、多学科交叉融合、个性化人才培养模式等等都有其必要性,但是更微观的问题、也是更基本的问题——数字世界与物理或现实世界的融合,却是教与学中绝不可忽视的问题。尽管强调多学科交叉融合,尽管很多学校新开设了数字技术相关的很多课程(如大数据、物联网、工业互联网、虚拟现实、人工智能应用……),但那只是解决了数字技术与物理领域(工程专业领域)相关技术的“混合”,远未达到“融合”的境界。

最能反映数字世界与物理世界融合的技术理念,首推“数字孪生”。数字孪生是针对某一物理实体或物理空间,能够反映实体运行或空间运动变化特质与规律的数字化描述。实体可以是机器、装置、工具、建筑等;物理空间可以是车间、工厂、城市等。数字化模型不只是描述实体或物理空间的外形,更重要的是反映其内在的物理规律。只有在物理和数字融合的孪生空间中才能体现物理-数字两个世界真正的、深度的融合。未来的工业世界中,除了我们易于感知的物理空间,一定还要有一个看似平行的空间——数字孪生空间。人们也只有通过数字孪生空间才能更好地认识和控制那个物理世界。正因为如此,重构工程教育最重要的任务就是体现数字世界与物理世界的融合。

既然最能反映数字世界与物理世界融合的技术理念是“数字孪生”,那么是不是增加一门关于数字孪生的课程就解决了工程教育的重构问题呢?当然不是。真正的“融合”需要把融合的理念、意识融入到工科的专业课程。换言之,对于每一个工科(尤其是传统工科)而言,都需要在数字与物理世界融合的孪生空间重新审视和构造其专业的课程体系及课程内容。融合到底需要何种意识?这是本文讨论的核心问题。

二、融合的意识

绝大多数工科教师习惯于给学生传授知识,讲解技术。虽然技术和知识是工程师的基本需求,但创新能力却需要更高层次的素养——良好的思维方式与意识。欲让学生真正理解“融合”,而非简单的新技术的“混合”,就应该让学生从更高的层面领悟物理世界与数字世界融合的本质与关键。无论在工程设计或工程问题的处理中,当某种意识、观念和思维方式变成一种习惯时,创新很可能就在其中了。

1.数字存在。

未来工业中的任何一个物理人造物,如产品、装备、装置、工具、建造物(建筑、土木结构)、园林等,都应该伴随着数字存在。不妨把在其全生命周期中伴随有数字模型的、具有一定的自感知和“意识”能力的物理人造物称为“物理生命体”。在数字时代,体现一个物理人造物真正意义的存在是其数字孪生体。可以联想笛卡尔的话“我思故我在”。数字孪生作为一种数字存在,它是物理生命体(物理产品)的魂。数字孪生体不只是反映物理实体的几何、外观,更重要的他能感知自己(物理实体或物理产品)的生命体征,甚至能够实时地对物理人造物的运行施予调整和控制,这也是基于物理生命体的“思”之所在。[5]

既如此,给学生呈现一个物理人造物(如物理装备、机器或装置)时,仅仅说明其原理和构造是不够的,还需要辅以介绍其数字孪生模型,包括模型所需的孪生数据,模型的形式等。或者说一个机器的存在不仅是其物理实体的存在,而且还要包括其数字存在。宛如一个人的存在不只是其肉身的存在,一定要融合其精神存在。

虽然说,从物理人造物或物理空间获得的孪生数据本身就反映了实体和空间的某些特质,但还不能说那就是物理生命体存在的全部。一般而言,从大量的孪生数据(包括历史的孪生数据)中间,通过大数据分析有可能发现潜藏的规律或关联。这种由孪生数据衍生出的某些规律或关联也是物理生命体潜藏的存在。

显然,未来的工科教材中应该让学生对数字存在有所认知。

2.流动的过程。

一个物理人造物或环境在其生命过程中的动态无疑决定了它的性能与质量。通常工程师们只能凭对动态的有限认知在设计开发阶段有所考虑,但更多时候其实是用静态的实体思维去考察人造物或环境的存在。哲学家们早已认识到普通人思维的弊端。黑格尔把世界理解为一种未完成的流动性存在,没有任何不变的本质,一切都处于永恒的变化过程中;海德格尔认为,传统哲学思维方式就是将一切“存在”都对象化为固定的、僵死的东西,所以他看待存在的本真面目,则从静态视角转向动态。[6] 工程中人造物或环境的设计与使用非常需要这种思维。过去,人造物的设计者和使用者即使有这种意识,但苦于手段的限制也难有作为。在数字-智能时代,数字孪生使人们更容易从动态的视角透视人造物的全生命周期。

物理生命体的数字孪生,其“孪生”意义主要在于“生命”的孪生,也即“生命”过程的孪生,而几何及运动学意义上的数字孪生是次要的。正如从医学角度看,人体的数字孪生主要不是一个人的外貌和身体动作的孪生,而是反映人的健康体征的各种指标(如血压、血糖、血脂、呼吸、心跳……)变化过程的孪生。对于一个物理人造物而言,数字孪生模型对人造物“生命”过程的呈现一般发生在人造物的孕育(产品设计开发)或服役阶段。

过程是流动的,过程状态是变化的。中国传统文化中,“易之为书也不可远,为道也屡迁,变动不居,周流六虚,上下无常,刚柔相易,不可为典要,唯变所适。”(《易系辞下》)所言极是。

在人造物的设计阶段就应该尽可能考察(预测)其运行过程状态。如好的装备设计应该基于对其工艺过程深刻认识的基础上。因此,为了设计高性能的装备,往往需要对装备运行的物理过程进行仿真。如激光加工设备的设计,就可以考虑建立激光与材料相互作用过程的数字孪生模型,通过仿真对激光材料加工过程有更深刻的认识,如此“孕育”出的装备一定有更好的性能。装备的此种数字孪生本质上是装备运行物理过程的数字孪生。

人造物服役过程中通过实时采集运行过程中的数据(孪生数据,包括环境数据)而建立的数字孪生模型是其“物理生命体”自我意识、自适应环境变化的关键。对运行过程中孪生数据的处理和分析使人造物系统能感知自身工作状态和健康状态,进而进行相应的控制或运行维护。

过程的流动性总是显示在特定的环境中。如风电装备的运行过程与风场环境紧密相关,因此风电设备的孪生数据理应包括风场的数据;车间装备的节能和加工精度显然与温度环境有关,因此车间装备的孪生数据理应包括车间温度环境乃至天气的相关数据。

过程的流动性与人造物或环境服务的对象联系在一起,如一个手术机器人,其孪生数据理应包括病人在手术过程中的相关数据;一个城市的孪生数据显然应该包括活动在其中的人流有关数据。

过程的流动性与人造物的操作者或使用者的行为联系在一起。如在一台挖掘机的运行中,其孪生数据包括挖掘机操作者的操作数据,通过孪生模型进行仿真,可告知操作者如何改进操作有可能提高工作效率或节能;手术机器人的孪生数据收集应该包括医生的操作数据,同样通过孪生模型的仿真使医生优化其操作机器的过程。有些情况下(如运行操作、维护维修)记录使用者的操作数据,对其操作进行轨迹跟踪,藉此建立的数字孪生模型还有特别的用途。通过对同类型的物理装备但不同操作者的孪生数据进行大数据分析,能够发现,怎样的操作才是最优的?从而进一步规范操作。好的数字孪生模型不仅能够沉淀人的经验,而且有可能衍生、演化出最优的路径。

过程的流动性体现在人造物或环境从“孕育”、使用到生命终结全过程的数据变化。如一个物理装备“孕育”过程(设计、制造以及装配过程)中的数据与其在运行或使用中的数据显然是强相关的,都为它“生命”的过程留下了痕迹。通过对装备全生命周期过程历史数据及其流动性的分析,有可能发现某些人们原来并未意识到的关联,从而可指导装备的改进设计甚至创新。

需要注意的是,机器装备运行过程的流动性易于理解,那么某些看似静态的人造物(如建筑)呢?人们很容易把建筑物等看成是静止不动的,至少没必要考虑过程的流动性。实际上建筑环境正在成为一个具有实际可居性的互联网,一种赫兹空间——与数字设备密不可分的空间。“所谓赫兹空间,就是链接事物,发送信息和内容的一种方式。建筑则成为一个人们可以居住、享受和探索的环境。” [7] 建筑通过回应而获得生命——它会让人感到震撼或充满生机,但不是依靠已经固化的视觉特征,而这需要经过时间的沉淀。“几千年来,建筑师关心的问题一直是人的身体及其对环境的直接感受。现在,他们还必须考虑经过电子强化,可重新配置,可以远距离感知和行动,同时仍然会有一部分留在周围环境中的虚拟身体。”

过程的流动性体现在人造物或环境的“自我意识”——“去存在”。既然数字孪生的意义在于“生命”过程的孪生,“数字孪生体”就被时间规定,这是以前的数字样机或虚拟样机等数字模型完全不具备的特性。人造物作为物理生命体所有的活动和“存在”都具有时间性,犹如海德格尔言“此在”的时间性。海德格尔还认为存在的本性是“去存在”(to be)[6]。数字孪生作为一种数字存在,它是物理生命体的魂,它自然会关注人造物(如装备)下一刻的状态,未来的状态演化。这也是体现物理生命体的自我意识。

总之,数字孪生的意义本来就不是基于处理静态问题。人造物或环境的“生命”过程都是动态的、流动的,只有在孪生空间才能对过程的流动性有更深刻的认识并施予相应控制或维护,其“生命”的意义才更美好。

3.数字生成。

在孪生空间可以利用某些数字手段“生成”人们所需要的“存在”。

“生成式设计”(generative design,亦称衍生式设计或创成式设计)模仿自然进化方式进行设计。设计者或工程师向生成式设计软件输入其设计目标、约束,以及材料和制造方法等,软件则利用云计算自动计算、搜索,快速迭代,生成各种可能的选择。如设计一把椅子,软件自动进行晶格的进化,产生成千上万的方案,使用者可挑出最中意的。传统的人工设计,即使花再多时间也无法生成如此效果。

李培根 陈立平:《在孪生空间重构工程教育:意识与行动》图 1  一把椅子的生成式(衍生式)设计(来源:Autodesk)

美国MIT的科学家Allan Zhao等为机器人构形设计开发的软件系统可以定义问题,制定可能的机器人解决方案,然后选择最佳模型。[8] 系统可以生成数十万个潜在的机器人构形。可以看到,它不是常规的辅助设计,而是辅助甚至提供创意。只要人提出需求,它便会提供最完美合适的机器人形状。由Zhao等人的工作可以联想,未来含有智能工具的数字孪生模型不仅能够为产品的开发提供创意,也将使人造物或环境在其运行中真正能够自主地做出创造性的工作,即可能做出超越人类期望值的工作。

在数字空间,可以对人工操作动作进行轨迹识别,进而“生成”新的“存在”。如图2所示,依托工业摄像头,运用机器视觉算法,实时视频监控分析工人作业的规范性,以达到生产作业的标准化,尽可能消除操作工频繁更换的影响。这种“生成”模式就是基于收集人工操作的孪生数据,通过计算和机器学习,获得新的更好更规范的操作模式。

李培根 陈立平:《在孪生空间重构工程教育:意识与行动》

图 2  对人工操作动作进行轨迹识别(来源:爱普工华)

在孪生空间,数字可以给人特殊体验。数字技术可以通过某种方式让建筑动起来,充满生机和活力,给人们带来动态的建筑体验。2008年西班牙萨拉戈萨世博会的数字水展馆(Digital Water Pavilion)是一个灵活的多功能空间,四壁由持续落下的水滴组成,而每条水流都由数字喷嘴精确控制,生成各种图案、文字乃至出入口。[7] 一个交互式的可重新配置的空间给人的感觉是特别的,这显然是数字生成的魅力。

未来,数字生成还会不断超越人们的想象。

4.物理生命体的语言。

人类的交流与思考都需要语言。传统的工程活动中,为了便于工程师或技术人员之间的交流,也需要某种语言。如工程制图就可以视为一种广义的语言。海德格尔认为“语言才是人的主人”[9]。不是人有语言,人构成或操作语言,而是言谈、语言本身此刻现身为人。“语言就是存在之家,就是为存在所居有、并且由存在来贯通和安排的存在之家”。语言不为人所拥有,语言为存在所拥有,语言聚集着存在,显现着存在。[10] 把语言视为人的主人,大概因为语言伴随着“思”,而“思”则体现着存在。

上文中提到,体现一个物理人造物真正意义的存在是其数字孪生体,那么数字孪生是否可以视为一种语言?它是否真正是物理生命体的主人?的确,真正的数字孪生模型是人造物或环境自我意识的体现。海德格尔的哲学中有“此在”的概念,意指人。“这种存在者,就是我们自己向来所是的存在者,就是除了其它可能的存在方式以外还能够对存在发问的存在者。”[11] 传统的人造物(如装备)没有能力对自身的存在“发问”,它对自身过去、现在及未来的存在都缺乏理解。而数字-智能时代的含有数字孪生体的物理装备(物理生命体)则大不一样。在某种意义上,数字孪生体不仅能够对自身的存在“发问”,而且能够比它的创造者——人,更能对物理生命体(物理装备)的存在“发问”。也就是说,人造物或环境的数字孪生体比人(人造物的设计者和使用者)更深刻地认识它自己。我们有理由认为,数字孪生模型便是“发问”的语言。[5] 不同于传统工程语言(如工程图)的是,数字孪生模型既是人在工程活动中用以交流的语言,又是人造物或环境自我意识的语言。

今天的数字孪生模型大多停留在对物理生命体自身状态的认识和简单的控制,人们完全可以期待未来的融入某种智能工具之数字孪生模型可能具有创造能力。

Allan Zhao等为机器人构形设计提出机器人语法RoboGrammar,其操作分为三个顺序:定义问题,制定可能的机器人解决方案,然后选择最佳模型,如图3。RoboGrammar中包含的“图形语法(GraphGrammar)”是对机器人组件排列的一系列约束。例如,相邻的支腿应该用一个关节连接,而不是用另一个支腿相连。这样的规则确保至少设计是在初级水平上,每个计算机生成的设计作品都是可以工作的。图形语法规则基于节肢动物的启发,例如昆虫、蜘蛛和龙虾等。[8]

李培根 陈立平:《在孪生空间重构工程教育:意识与行动》

图 3  RoboGrammar操作的三顺序[8]

显然,RoboGrammar或GraphGrammar就是一种语言,一种真正体现智能的、一种真正“聚集着存在”(聚集着潜在的最优机器人形状的存在)的语言。

构建数字孪生体,就应该使数字孪生真正成为一种语言,一种决定人造物或环境真正“存在”的语言,一种真正使人造物或环境成为物理“生命体”且具有自我意识的语言。既把它视为“语言”,就需要进一步的规范定义,从而方便数字孪生体的构建。

三、重构的行动

前述在孪生空间重构工程教育的意识最终需要落实在工程教育实践中。

1.工科的课程体系需要重构。

很多学校的专业课程体系虽然较之传统的体系已经有较大的变化,但多数还是停留在新开一些数字技术(如大数据、人工智能、物联网等)的课程。尽管这些课程都有意义,但缺乏与工程的“融合”。新的课程体系中应该压缩某些由于数字技术出现而显得陈旧或不那么重要的内容(如工程制图的某些内容),同时应该增加一些真正融合了数字技术与领域工程(机械,电力,电子,能源,土木建筑等)内容的新课程。困难之处在于后者,因为融合需要领域工程的学者具备相应的数字技术知识且能在一定程度上融会贯通,而纯数字领域的学者因为领域工程知识的欠缺而难以为之。

CPS之核心理念对于大工科(各领域工科)而言,都有共性需求。如工程系统的设计,设计活动存在于两个空间:几何空间和状态空间。几何空间提供产品的静态表达,状态空间提供产品的动态表达。前述“流动的过程”就需要状态空间的动态表达。传统的学科培养通过画法几何、工程制图保障了学生几何空间技能。除了控制专业,大部分理工科学科未能建立明确的状态空间思维,因此需要与工程制图等基础课平行开设关于状态空间思维的通识课程。一个工程系统通常是基于多领域物理的,如力、热、电、流体……设计中熟练地运用多领域物理的知识不大可能,需要相应的软件辅助。但软件已成为专门的技术学科,让领域工程师精深学习掌握已经不现实。因此,掌握基于模型(知识)的软件自动生成技术就应该为未来具有工程系统视野的卓越工程师所必备。也就是说,在大工科的课程体系重构中,应该考虑让学生学习掌握多领域物理统一建模技术及软件自动生成方法。把类似“工程物理系统原理”课程(状态空间通识课程)作为未来理工科人才培养的重要基础环节。

各领域工科还可以根据其不同的特点增加其它的融合数字与物理世界的课程。总之,需要在孪生空间重构其课程体系。

2.教材内容需要重构。

教材是教学中最重要的载体。数字技术的快速发展应该促使工科专业在孪生空间对很多课程教材的内容进行重构。好的重构不是仅仅增加一些相关数字技术的介绍,而是体现前述的融合意识。只有这样,才能把数字技术与领域工程的物理世界真正融合起来。

笔者在一个局部的点上进行了尝试。在即将出版的《智能制造概论》[12](以下简称《概论》)中,没有停留在常规讲述智能制造的方式上(从智能制造的体系结构展开,数字技术基础,各分系统,案例……),而是把数字技术融合在对制造的深层次认识上。

《概论》试图给学生一个轮廓,数字-智能技术如何支撑现代制造的基本理念:可持续发展(包括绿色制造),以客户为中心,精益生产。如“以客户为中心”一节介绍了如何通过工业互联网、大数据、人工智能等技术实现顾客主义和商业长期主义,以客户为中心的产品开发,大规模个性化定制,预测性维护与服务制造等。

《概论》让学生从企业进化(产品进化,过程进化,企业生态进化)的维度看智能制造,也是为了让学生在更深的层次上理解智能制造。在“过程进化”中,分别介绍了过程进化的目的、载体、方式以及主要过程(产品设计开发过程,工艺过程,车间生产过程,服务过程)的进化。充分体现了前述“流动的过程”之意识。在“产品进化”中展现了前述“数字存在”、“数字生成”的意识。同样,这些进化都需要通过数字-智能技术去实现。

为了让学生理解智能制造的精要,《概论》从数据驱动、软件定义、虚实融合、整体联系四个方面进行阐释。如“数据驱动”中重点介绍了数据如何驱动产品创新,如何驱动过程,如何驱动工作流,以及如何利用孪生数据驱动业务模式的创新等。数据驱动本身就发生在孪生空间,过程的流动和动态都在数据的驱动下得以展现。

 “虚实融合”这一章更是直接体现CPS的理念。其中重点介绍了产品的数字孪生体,如何在虚拟空间中展示产品的状态及产品运行的场景;虚拟空间在产品中的作用,如产品中通过VR/AR技术附带的虚拟空间,包括产品远程操控所关联的虚拟空间,带有XR(泛现实)的产品本身所拓展的虚拟空间,虚实空间的叠加和融合;通过仿真软件生成虚拟过程,通过数字孪生体生成虚拟过程等。此外,还特别介绍了虚实融合的交汇点:人的体验。注重人的体验,也是产品开发中非常重要的观念与意识。文中通过一些案例,把VR/AR等数字技术和智能制造的物理世界真正融合起来,强化学生CPS的理念和融合的意识。

3.其他。

除了课程体系和教材内容的重构外,课堂讲授和实践环节也非常重要,传统实践环节中的很多内容也应该考虑在孪生空间中重构。如在工程实训基地中,可以把仿真技术、VR/AR等技术与工程实际问题融合起来,也就是在孪生空间重构工程实训中的内容。如西安交大李晶教授等依托学校学科优势和科研实力,开展智能制造实践教学模式构建研究。将虚实结合的技术和理念贯穿到产品设计、产线设计、加工制造、智能管理、物流服务等产品全生命运行、监控各环节。[13] 这是很好的尝试,进一步的努力则需要通过技术上的虚实融合培养学生的意识和思维方式。

重构的成效关键在于工程专业教师。工科教师自身要有在孪生空间融合数字和物理世界的意识,方如此才能更好地引导学生且向学生传递融合所需的意识。为此,大学有必要推动专业教师的培训,提高专业教师的素养。

课程体系、教材、课堂和实践环节的所有行动除了需要大学的推动外,教育行政部门的作用也很重要。类似“新工科”计划中可以增加专项,重点支持在孪生空间重构工程教育的行动。

结语

数字世界与物理世界的深度融合是新工业革命的必然趋势,工科尤其是传统工科教育面对这一趋势迫切需要变革。尽管现今很多大学已经开始了一些行动,但多停留在增加(“混合”)数字新技术课程或内容的举措,尚缺乏深度的 “融合”。深度融合需要在孪生空间重构工程教育,而重构的实质是要在教学活动中让学生从更高的层面领悟物理世界与数字世界融合的本质与关键,让学生把深度融合的“意识”、观念和思维方式变成一种习惯,从而有利于创新能力的形成。

本文并未从技术上介绍数字孪生及孪生空间的构造,但本文中重点论述的“意识”应该成为重构工程教育的方向,同时也是构造数字孪生体和孪生空间的指导思想。

大学和教育行政部门应该积极采取行动,专项支持在孪生空间重构课程体系和教材内容的努力,支持在孪生空间改造实践环节的尝试。

 

 

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