虛擬仿真在路面裂縫病害處治教學中的應用*

李洪軍

（湖北交通職業(yè)技術學院公路與軌道學院，湖北 武漢430079）

隨著計算機技術的快速發(fā)展，虛擬仿真技術在高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)的課程教學中也得到了廣泛的應用。教育部于2013年8月發(fā)文啟動建設國家級虛擬仿真實驗中心，每年認定一批國家級虛擬仿真實驗中心，使得虛擬仿真實驗在現代化教學中發(fā)揮了很好的作用，取得了許多虛擬仿真教學成果。教育部2020年9月發(fā)布了《關于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓基地建設工作的通知》，提出為推進互聯網和信息技術在職業(yè)教育中的應用，在職業(yè)院校開展示范性虛擬仿真實訓基地建設。對于難以實現、成本高、具有危險性[1]的專業(yè)實訓內容，通過虛擬仿真技術完成實訓教學，提高學生的專業(yè)實操技能，并推動職業(yè)教育教學和實訓更好融合的教學改革，提高人才培養(yǎng)質量。傳統(tǒng)教學方式在先進計算機技術的沖擊下正面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)，利用虛擬仿真技術進行專業(yè)的實訓教學將成為一種新的教學手段，并改變現有的專業(yè)知識教學模式，這種新的教學手段符合國家對職業(yè)教育人才培養(yǎng)的新要求。

1 虛擬仿真技術教學的必要性

在道路養(yǎng)護與管理專業(yè)的專業(yè)課程教學中需要讓學生掌握路面養(yǎng)護的知識和技能，而對路面裂縫的處治就是必須要熟練掌握的路面養(yǎng)護核心技能之一。目前，路面裂縫病害處治的教學環(huán)節(jié)，依然停留在傳統(tǒng)的在課堂中穿插圖片、視頻和不定期的實習實踐操作。學生無法真實深刻地體會課堂教學中提到的知識點，操作技能的學習效果也大打折扣。然而，通過三維立體仿真技術[2]、數字化虛擬技術和計算機識別技術，形象地還原了瀝青路面裂縫病害相關真實情況，學生能深度浸潤到交互式的體驗模式中。對于路面裂縫病害的識別和其成因分析，包括對有針對性地靈活處治不同病害會有更系統(tǒng)和科學的認知，從而提高了學生的學習效果，增強學生的應用實踐能力。

虛擬仿真技術是一種融合計算機網絡信息技術和傳感技術構建的與現實狀況高度相似的虛擬模型。該技術運用于教學，能讓學生更直觀更真實地進行學習實踐，這種身臨其境的教學方式，將抽象概念具體化，理論知識直觀化。這種交互性強、能調動學生各種感官功能的沉浸式學習方式是對傳統(tǒng)交通類高職院校教學方法的有效補充。

理論知識需要通過實踐教學才能得以吸收和鞏固。尤其對于高職教育而言，為培養(yǎng)技術過硬的工匠型高級技術人才，教學手段更要不斷更新，突出實用功能。路面病害處治涉及各個基礎環(huán)節(jié)的材料損耗，在實際操作中，其危險性高、操作復雜，尤其很多現場會發(fā)生的路面病害項目無法理想地挪移到教室進行教學。就高職路面養(yǎng)護教學而言，傳統(tǒng)的教學方式已凸顯出其實踐環(huán)節(jié)的弊端，即便組織學生進行實習實踐活動，也只能在短期內體驗部分的操作環(huán)節(jié)，不能全面地訓練路面病害處治技能。因此，亟需能將“學”和“做”自然銜接的一體化教學模式。虛擬仿真訓練應運而生。

在路面養(yǎng)護的教學中，應用虛擬仿真技術可以讓學生更好地學習相關專業(yè)知識和技能。如在路面裂縫病害處治教學中應用虛擬仿真技術，能做到逼真、直觀、形象地還原整個工藝操作流程，同時保證實踐過程中的安全性、交互性和有效性。在虛擬仿真技術的使用過程中，運用到了計算機圖形學、人工智能、光電成像以及傳感技術等。通過綜合多種技術手段，虛擬仿真技術除了能營造出真實的三維路面裂縫病害場景外，對于設備結構和工藝流程，也能讓學生清晰直觀地體驗到。同時，通過過程控制，學生在不斷的仿真實習實訓環(huán)節(jié)、接近真實的環(huán)境中可以反復通過操控界面對相關知識技能進行熟悉和適應，以達到鞏固操作技術知識的目的。

高職院校的培養(yǎng)目標是打造工匠型高級技能型人才。除了理論知識和相關基礎知識的鋪墊外，尤其強調培養(yǎng)學生的實踐能力和動手能力。對于路基路面病害處治而言，在課程實訓環(huán)節(jié)利用虛擬仿真模擬實驗，所有可能的相關操作均可在實驗室預演排練完成。學生熟悉工藝流程和操作規(guī)范之后，再進入真實環(huán)境，其適應程度會大大提升。虛擬仿真技術的出現，為我國職業(yè)教育領域和相關突出技術化的專業(yè)教學注入強大的活力。這一技術不僅讓學生直觀地接收到了相關信息，更讓教與學情景化、生動化，操作性能提升。

2 虛擬仿真的路面裂縫病害處治教學

2.1 虛擬仿真教學優(yōu)勢

路面養(yǎng)護是一種實踐性強的專業(yè)技能，通常也會存在安全、時效和過程管理等方面的棘手問題。路面裂縫病害處治過程往往具有過程繁雜、設備龐大且工作場景具有危險等特點，學生不能親身操作病害處治設備，也無法掌握完整的病害處治流程以及設備使用和處治要點等知識。一些教師在授課時往往通過各種常規(guī)手段，比如圖文、視頻等方式引導學生的實踐認知環(huán)節(jié)，但收效甚微。學生對于設備使用和完整的病害處治流程等知識要點掌握依然不牢。

隨著信息技術的高速發(fā)展和大數據支撐的網絡技術的進步，計算機模擬仿真技術的強大基礎和后盾已然形成。該技術的不斷壯大，將日益推動相關產業(yè)和行業(yè)包括交通類道路病害處治教學的發(fā)展。

將虛擬仿真技術應用到實踐教學中，最大的優(yōu)勢在于能打破各種常規(guī)限制，安全地呈現真實的現場環(huán)境。對于路面裂縫病害的現場模擬，能讓學生近乎真實地加深對路面裂縫病害的認知，深刻認識裂縫病害處治方法和操作流程，在鞏固了理論與實踐知識之外，還能極大地激發(fā)學生的學習熱情和主動積極性。同時，這一技術可以實現教學形式的最大靈活化。真實直觀地認識實踐裂縫、裂縫處治材料和設備，這些在傳統(tǒng)課程教學中無法實現的環(huán)節(jié)，可以在虛擬仿真的病害處治系統(tǒng)中得以實現。虛擬仿真技術的應用可以實現自主學習和個性化的學習需求。比如，為方便學生深入學習不熟悉的知識點或操作程序，可以設置單項循環(huán)模式，強化學生的認知。對于不同裂縫病害處治場景或工藝流程，也可以依據不同學生的不同層次水平，進行科學合理的組裝定制。

2.2 虛擬仿真教學應用實踐

通過任務驅動的方式，對各類路面裂縫病害選擇合理的處治方案，并掌握工藝流程、操作方法。教學內容由易到難、由單一到綜合、由簡單到復雜，反復訓練病害識別和處治操作，逐步提高學生進行路面病害處治的能力。路面裂縫病害處治的虛擬仿真實訓系統(tǒng)包括橫向裂縫處治、縱向裂縫處治、龜裂處治、塊狀裂縫處治。學生可以登錄系統(tǒng)平臺完成各個裂縫病害處治內容的學習。整個教學活動中可以始終貫穿虛擬仿真技術，其主要由以下幾部分構成。

2.2.1 教學準備

首先，在虛擬仿真實訓前，需要必要的預習。學生將被分成小組，每個小組就是一個路面病害處治項目部，同學們需要分工協(xié)作，除了基礎性的相關理論知識的學習之外，學生還需要對虛擬實踐平臺本身有所了解甚至熟悉。因此，對于道路病害的表現形式，以及其產生原因和后續(xù)處治方案等一系列相關知識和工藝流程，學生應該提前把握。關于這些內容，可以憑借以往傳統(tǒng)的常規(guī)學習方式，通過圖片、視頻或網絡資源進行預習完成。然后，學生需要在老師的引導之下，認識虛擬仿真平臺，包括對于這一技術要有宏觀了解，以及知道如何登陸、如何進行仿真模擬等。教師應針對學生的預習情況及時予以檢查和反饋。

2.2.2 仿真操作講解

對虛擬仿真系統(tǒng)的交互和VR設備操作進行講解[3]，使學生能正確地操控。為了使教學能順利進行，對支持虛擬仿真系統(tǒng)的計算機和軟件進行運行檢查。在對仿真教學有一定了解之后，指導老師需要根據仿真操作手冊，向學生詳細介紹該系統(tǒng)的界面結構、操作步驟以及考核程序。認識完系統(tǒng)之后，教師需要在學生自主預習相關理論知識的基礎之上，借用仿真教學系統(tǒng)，對比介紹常規(guī)渠道的場景和仿真系統(tǒng)的區(qū)別，以此加深學生對于仿真教學系統(tǒng)的認知，保證操作規(guī)范。

2.2.3 發(fā)布仿真實訓任務

依據路面養(yǎng)護崗位要求和相關技術規(guī)范的要求，將瀝青路面裂縫病害處治任務分發(fā)給各個小組。每個項目小組接受任務后，需要運用前面預習的知識對裂縫病害進行分級，并依據分級來選擇病害處治的方式。每個小組進入到虛擬仿真系統(tǒng)將會呈現路面裂縫的處治任務，小組學生依據路面裂縫的病害情況自主選擇采用灌縫、貼縫和帶狀挖補這幾種常用的路面裂縫處治方式來進行路面裂縫病害的處治操作。操作之前，每個小組組員都需要學習每種病害處治方式的操作步驟，重點熟悉處治方式的操作要點和注意事項。

2.2.4 仿真實訓操作

教學中會涉及仿真實訓過程管理和考核。采用分小組展開虛擬仿真教學的方式，各組之間對虛擬仿真實操完成效果進行評價，提高學生的參與感和競爭氛圍感。對于指導教師而言，在明確了虛擬仿真訓練的考核標準之后，需要進入軟件后臺進行考核管理規(guī)劃，包括制定評分標準和細則。同時，針對仿真實訓本身的靈活性，對于不同考核內容和側重點，指導教師都要考慮進來，制定出考核標準。經過對于后臺的設置，軟件應能及時記錄學生的操作痕跡和各項操作信息，并迅速生成量化考核表，考核表中包括成績、失分點等信息，以方便后期教學管理。在進行仿真實訓的過程中，會安排給學生一定的任務，這樣帶著目的和方向去操作會讓學生印象更為深刻。在不同路面裂縫病害模擬的場景之下，學生通過前期的知識積累和教師的指導，能在安全環(huán)境中逼真地進行應對處理，從而鍛煉了處理問題的能力。

2.2.5 教學總結

在一整套環(huán)節(jié)結束之后，有必要對仿真實訓進行科學總結，以有效改進仿真實訓的教學模式和實訓方案。虛擬仿真教學將路面病害知識和實操結合起來，通過工作過程啟發(fā)學生主動學習和思考，提升學生解決問題的能力，最終達到提高教學效果的目的。指導教師應引導學生對于全過程進行總結，并提出建議和不足。在此基礎上，教師也應就學生的實習成績和表現進行后期分析，評價實訓效果，得出考核結論，以促進完善仿真教學實踐。

2.3 路面裂縫病害虛擬仿真應用效果和不足

虛擬仿真技術給學生帶來的非常有趣的學習方式，使得專業(yè)知識學習變得很有趣味性。學生能夠在模擬真實路面裂縫病害場景的仿真技術引導下，強化裂縫病害相關專業(yè)知識，并能通過交互操作訓練路面裂縫病害處治的操作技能，對不同裂縫病害處治方法的操作流程和操作要點進行深刻理解。路面裂縫病害虛擬仿真實訓的教學系統(tǒng)可以很好地輔助理論課堂教學，可以達到理實一體化教學效果，真正做到“學訓結合”。新的教學方法的應用促進了教學形式的改變，也改變了教師和學生在課堂上的身份，學生更像一名路面養(yǎng)護技術員，而教師則更多的是充當技術指導。教學中更好地實現了教師和學生的互動，增加了學生的學習動力，自主參與的模式也最大化地激發(fā)了學生的學習興趣，使他們獲取知識更加主動。并且，仿真模擬使得學生對知識的掌握更牢固，實操技能得到訓練，對知識運用得更好。通過改變虛擬仿真訓練場景內容，使得學生能正確運用不同的病害處治方法，并能掌握操作的關鍵流程，完成不同的處治操作，處理不同的病害情景。對病害識別、病害分析、病害處治的全部過程進行模擬，提升了學生對路面病害處治知識的掌握，將課本知識通過實踐操作加以強化，激發(fā)了學生的學習興趣。虛擬仿真技術改變了傳統(tǒng)實訓過程中只能依靠理論講解、作業(yè)練習和問題考核這樣的學習方式和低效的評價方式[4]，通過虛擬真實的路面病害場景和處治操作訓練提高了學習參與度，并以交互互動的方式促進了學生自主學習、反饋學習，取得了很好的教學效果。虛擬仿真實訓和理論學習過程在教學中相互融合、相互補充，極大地提高了教學質量。

虛擬仿真能夠很好地模擬現場路面裂縫病害處治的工藝流程，但現有仿真技術還存在一些不足。如在操作上不具備真實設備帶來的操作實感。通過頭盔、手柄等電子設備的按鍵或觸控板進行人機交互指令操作，與路面養(yǎng)護實際場景存在差距，沒有真實養(yǎng)護病害處治中多感官沖擊融合帶來的現實感體驗，實訓會缺少真實操作中的變化。同時，仿真技術無法模擬路面裂縫病害處治實際中的操作細節(jié)，如裂縫在清掃前后的變化、檢測裂縫寬度時的讀數、混合料整平前后的變化、松散混合料碾壓前后的密實變化等細節(jié)無法在虛擬仿真中完美體現。虛擬仿真的實踐操作也無法體現出現實路面病害處治時的操作嚴肅性。

3 結語

虛擬仿真技術路面病害處治教學是基于信息技術打造出的虛擬學習環(huán)境，采用人機互動、虛實結合的模式進行教學。在仿真的虛擬場景之下，學生能輕松地浸潤到工作環(huán)境中，體驗操作流程，熟悉動作規(guī)范和各類技術指標。這種靈活生動的教學模式，給了學生更輕松又深刻的認知環(huán)境，同時，有力地激發(fā)了他們的實踐能力和創(chuàng)新精神。隨著新技術的更新發(fā)展，虛擬仿真技術教學也需要與時俱進，這要求將學校教學改革、軟件公司技術支持和養(yǎng)護企業(yè)專業(yè)經驗等有機融合在一起，共同協(xié)作，推進虛擬仿真技術更好地應用在路面養(yǎng)護專業(yè)教學中。