虛擬仿真技術在高職院校實訓平臺應用探索研究
——以鐵道工程技術專業為例

張晉云

(廣州鐵路職業技術學院,廣東廣州，510000)

0 引言

高等職業教育的培養目標是培養高素質的技能型人才，主要強調知識的實踐應用，專業課程實訓教學質量的高低，在很大程度上決定了人才培養的質量。虛擬仿真教學技術是以現實為基礎創設虛擬環境，借助現代化傳感裝置，讓體驗者在虛擬和現實的交互中獲得真實環境的感受和體驗。在“雙一流”和“新工科”建設背景下，建設能夠滿足專業需求的虛擬仿真技術實訓平臺，就顯得尤為重要。

1 虛擬仿真技術在鐵道工程技術專業的應用

1.1 虛擬仿真技術實訓平臺對于鐵道工程技術專業實訓教學的優勢

鐵道工程技術專業緊貼鐵路行業，主要培養掌握鐵路線路工程專業技能，能從事高速線、橋隧工程的施工、維護保養工作的高素質高技術人才。專業核心課程和實際緊密聯系，傳統的課程實訓教學平臺已經不能滿足專業人才培養的需求。建設虛擬仿真實訓教學平臺，實現虛擬、理論和實際相結合的教學，可以解決很多問題：實訓儀器數量不足的培訓難問題，實訓過程的安全性問題，實訓設備操作的標準化問題，學生學習的積極性問題等〔1〕。平臺為學生創建了一個功能和諧的教學環境，使得教學效果最大化和最優化，促進了專業的可持續發展。

（1）構建了虛擬仿真實踐教學的“理、虛、實”一體化新模式。傳統實訓中，既耗時又耗力，同時又受到實訓課時、地點和天氣的限制，尤其新冠疫情也對實訓造成了很大影響，學生無法實訓或多次練習。而虛擬仿真技術平臺的建立，借助虛擬技術，合理選擇教學內容，將抽象的問題具體化，學生可以突破時空場景反復電腦操作練習，從而掌握測量儀器的操作和鐵路工務作業的標準化流程，是線下實訓教學的有效補充，達到了理論知識和實踐技能水平一體化提升的目標〔2〕。

（2）培養了學生自主學習的能力和學習興趣。借助虛擬仿真教學，可以提高課堂的教學效果和教學效率，教師操作演示虛擬仿真教學軟件相關動畫過程，比傳統課堂的圖片、文字和視頻更生動直觀，學生通過操作仿真教學動畫軟件，自主完成知識點的學習和理解，甚至可以自主選擇適合自己的學習資源和學習進度，提高了學生的求知意識和學習效率。

比如以施工現場布置為例，傳統的教學，教師會引用工程案例將現場布置中涉及的規范一一列舉，注意事項多，學生接受程度較差，在引入虛擬仿真技術的三維場布軟件后，項目源自真實的施工案例，學生可以依據施工工程所處的位置、道路環境和其他因素，借助軟件中的各種施工現場的模型，如建筑物、道路、臨時設施等，對施工現場進行搭建和布置，整個過程就是學習施工現場規范的過程，學生可以反復操作試驗和各種布置，來驗證對知識信息的理解是否正確，從而大大提高了學習的參與度與主動性，學生對授課的滿意度也大大提高〔3〕。

（3）加強了學生動手能力和創新能力的培養

傳統的實驗實訓教學過程中，內容比較單一，學生只需要按步驟完成任務，在虛擬仿真技術條件下，各種實訓內容可以靈活調整，學生可以根據實驗實訓要求，獨立設計各種施工組織方案，檢測分析結果，不僅鍛煉了學生的動手能力，更鍛煉了獨立思考和創新的能力。

（4）建立了校企合作的人才培養新模式

虛擬仿真實訓平臺建立了校企合作的新模式, 企業可以將市場中最新的虛擬仿真實訓項目帶入校園，學生可以在智慧教室內完成多元化的實踐操作任務，為專業教學內容開拓了思路，提高了教學的綜合質量。同時學校的專業機房也可以為企業提供了一個技能培養和技術服務的實訓平臺。2020年12月29日，由全國鐵道職業教育教學指導委員會主辦，南方高鐵協辦的首屆全國職業學校“南方高鐵杯”鐵路工務工程作業虛擬仿真技能競賽，通過讓老師對于鐵路工務具體操作虛擬仿真軟件的熟悉，感受線上的虛擬仿真競賽，能夠更好地將虛擬仿真平臺和教學相結合。

（5）降低了實訓成本，提高了實訓過程的安全性

在實訓教學中，許多昂貴的軌道和測量實訓設備，由于受價格限制和采購成本而無法普及使用，一些設備的后期使用和維護成本也比較高；另外學校的場地有限，不能完全照搬真實的場景設置來實訓教學，現有的企業實訓基地也不能完全滿足實訓需求。而虛擬仿真軟件可以讓學生身臨其境地操作，這種實訓既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，降低了學校購買實訓設備的成本費用。虛擬實訓教學還有一大優點就是安全性，不會因操作失誤或現場環境造成設備和人身事故，比如一次測量實訓中，學生不小心掉落了全站儀，導致損毀嚴重。在施工組織管理實訓教學中，有些實訓內容需要學生去施工現場實地觀摩學習，由于現場各種復雜的環境因素，會給學生的人身安全帶來一定的威脅，如果采用虛擬仿真技術，學生可以置身于室內，不受場地的安全因素限制，也可以達到學習的目的。

1.2 虛擬仿真實訓平臺的構建

（1）虛擬仿真課程實訓內容體系

通過對鐵道工程技術專業的核心課程進行調研分析，根據課程的實訓要求，以“虛實結合，以虛補實”為原則，確定需要進行虛擬仿真的模塊和使用的虛擬仿真技術類型，見表1。

表1 鐵道工程技術專業虛擬仿真實訓平臺體系

（2）虛擬仿真平臺結構

虛擬仿真平臺結構是通過打破傳統教室結構，建立新型現代化的虛擬仿真智慧教室，借助軟硬件平臺為師生提供內容豐富的虛擬仿真教學資源數據包，智慧教室可以滿足測繪虛擬仿真實訓、施工組織虛擬仿真實訓、鐵路軌道施工與維護等專業核心課程的實訓要求。

目前應用在教學中的虛擬仿真實訓平臺主要是由南方測繪開發的智能化實驗教學系統：水準測量虛擬仿真實訓系統、數字測圖仿真實訓系統、鐵路工務標準化作業仿真系統和高速鐵路精測三維仿真系統。

高鐵精調作業總共分了26個作業步驟，設計了42個考核點，主要包含了MEASLLEY小車上道組裝、架設全站儀、安插棱鏡、全站儀設站過程、小車校核和數據采集、導出等六大模塊，設計了5大精測場景。平臺包括了學習模式、練習模式、考試模式和比賽模式，學生通過平臺實訓，可以掌握精測標準化作業流程，先做哪一步，再做哪一步，每一步在什么位置進行相應的操作，學生實訓可以由淺入深，最終完全熟練掌握操作流程。

圖1 高速鐵路精測三維仿真平臺練習模式圖

工務標準化作業虛擬仿真平臺包含了鋼軌端軌應急處置流程、鋼軌打磨作業、更換鋼軌夾板教學、單開道岔檢查、鋼軌鋁熱焊接作業等八項作業，也設置了學練考模式，在學習模式，以每一步的動畫語音教學，告訴學生這些作業有哪些作業步驟，使用什么工具，在什么位置進行相應的操作，達到怎樣的技術標準。

圖2 鐵路工務標準化作業三維仿真培訓系統

2 虛擬仿真技術實訓教學不足和展望

2.1 存在的不足

虛擬仿真技術實訓平臺在具體的應用過程中也存在一些不足：第一，虛擬仿真技術雖然能夠實現專業課程的很多實訓項目，但是建設成本很高，比如模擬仿真全站儀測量各種不同地形，成本需要200多萬，同時隨著新技術、新工藝的不斷發展，虛擬仿真實訓內容也會隨之升級改造，后期的維護、更新換代需要持續的成本投入。第二，目前用于實際教學中的仿真教學軟件還遠遠不能滿足需求，很多課程實訓項目的虛擬仿真軟件還有待開發；現有虛擬仿真教學系統方面，需要在功能設置、細節方面也有待改進，以提升用戶體驗度。第三，虛擬仿真實訓課程雖然規避了施工現場的安全風險，但是也弱化了安全教育，比如虛擬的施工現場，學生置身于室內操作，忽略了很多安全因素，因此需要把虛擬仿真實訓和線下實訓有機結合，才能培養學生既掌握課程知識，又要樹立職業安全意識〔4〕。

圖3 鋼軌端軌應急處置流程截圖

2.2 展望

虛擬仿真技術在高職教育實訓教學方面的應用完善了鐵道工程技術專業的實訓體系，幫助學生在實訓中把理論知識轉化為實踐技能，提高了學生學習的參與度與主動性，提升了學習效果和課堂質量。在“雙一流”、“新工科”建設背景下和后疫情時代，需要有效結合軌道行業新技術和實際應用，更深層次地研究鐵道工程專業課程的教學體系設計、實踐環節、實踐場地建設和實訓方式，提出更為可行的方案，合理設計虛擬仿真教學內容，并在教學實驗中逐步應用、改進和完善。同時應從共建共享出發，降低成本，培養出具備實踐創新能力的軌道行業高素質高技能復合型人才，平臺的建設任重而道遠。