試論高職鐵工專業群虛擬仿真實訓體系的構建

袁媛 王大帥

摘 要：虛擬仿真技術是破解鐵道工程技術專業群實踐教學難題的重要途徑。本研究通過重點分析實踐教學中存在的問題，提出構建虛擬仿真實踐教學體系應當遵循的三個原則，并從教學體系、教學平臺、教學模式三個方面提出建設舉措，為相關專業開發和使用虛擬仿真實踐教學系統提供有益參考。

關鍵詞：鐵道工程技術專業群;虛擬仿真;實踐教學

習近平總書記在致國際教育信息化大會的賀信中強調，要因應信息技術的發展，推動教育變革和創新，構建網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系。利用現代信息技術推動人才培養模式改革，滿足學生的多樣化學習需求，大力推進“互聯網+”“智能+”教育新形態，是推動教育教學改革創新的重要途徑。培養高素質技術技能人才是高職教育的根本目標，虛擬仿真技術作為信息技術和教育教學相融合的重要載體，在實踐操作要求較高的高職專業中優勢顯著，頗受重視。2020年9月，教育部等九部門共同印發了《職業教育提質培優行動計劃》，提出要遴選100個左右示范性虛擬仿真實訓基地。2020年9月，教育部職業教育與成人教育司下發了《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設的通知》，進一步引領和推動了虛擬仿真實訓教學的發展。

鐵道工程技術專業群是支撐我國高鐵產業建設及運營維護的重要人才供給端。鐵路的特殊性質決定了其對安全性有著極高的要求，因此鐵道工程技術專業群現場實習準入門檻很高，專業實踐教學難以與實際生產“零距離”對接，而引入虛擬仿真技術是破解這一難題的重要途徑。

一、鐵道工程技術專業群實踐教學中存在的問題

鐵道工程技術專業群實踐教學以鐵路大型基礎設施為學習對象，主要采用“校內實訓+校外頂崗”的形式。與其他專業相比，鐵道工程技術專業群實踐教學過程中的“三高”（高難度、高危險、高成本）與“四難”（難看到、難動作、難進入、難再現）問題更為突出，其實踐訓練與生產一線脫節，教學效果大打折扣。具體問題包括三個方面：

（一）實踐教學模式單一且內容受限

鐵道工程項目具有體量大、工期長、技術復雜、隱蔽工程多等特點。校內實踐基地或是只還原固定節點，無法實現生產全過程訓練;或是限于場地和施工工藝水平，將實訓場地模型化、簡配化，實踐教學過程中仍以講解、參觀和體驗為主，模式較為單一。許多綜合性實訓項目受時間、空間和設備的限制無法開展，比如既有道岔的換鋪，要求在規定時間內（僅3個小時）完成，需要工務、電務、通信等多個生產部門協調作業，近百人、幾十臺設備同時在有限的場地內有序施工，涉及的工藝十分復雜，組織難度很大，在實踐教學中基本不可能開展。沒有實地實踐，學生對作業環境的緊張感、施工過程的復雜性就沒有直觀感受，對所涉及的專業知識和技能的理解和掌握也十分有限。

（二）實習硬件資源欠缺且成本高昂

鐵道工程技術專業群主要培養鐵路工務一線崗位作業人員，對鐵路工務設備的檢查、維修和養護是這些一線崗位作業人員的核心工作內容。由于鐵路運營的安全要求十分嚴格，鐵路生產現場禁止實習學生進入。盡管校內實訓基地可以購置、建造部分工務設施，但所需空間非常大，經濟成本非常高，鐵道運維過程中的軌道病害、多專業聯合的復雜作業環境在校內實訓基地中也無法呈現。此外，校內實訓基地一旦建好則難以更換或升級，許多工程實踐中的新技術、新工藝、新材料等產業先進元素無法同步更新，導致實踐教學內容受限，不斷拉大與生產一線的差距。

（三）專業技能訓練存在較大安全風險

鐵道工程技術專業群實踐技能的訓練內容涉及物理、化學、材料等多個學科，牽涉到重物、水、電、燃油等多個危險源。而開展相關實踐教學，必定給實訓室的安全管理和實訓過程中的設備安全操作帶來嚴峻挑戰。例如鋼軌的鋁熱焊接，其是《鐵路特有工種技能培訓規范》要求必備的技能，需要用到鋁熱焊劑、乙炔氣體等危險物，需要經歷高溫燃燒、處理熔渣等危險環節;再如鋼軌的換軌作業、機械搗固作業，實踐操作過程中曾多次發生硬物、重物擠傷壓傷事故，許多學校迫于無奈基本都已停止此類技能的實操訓練。

二、融合虛擬仿真技術的實踐教學體系的構建原則

（一）內容上基于生產與教學對接的融合性原則

鐵道工程技術專業群實訓教學的目的不僅是讓學生掌握正常情況下完成工作任務所需要的操作和流程，還要讓學生掌握非正常情況下病害問題的預防和處理，理解原理、掌握理論知識，因此僅僅根據生產項目作業指導書來設計實訓項目是不夠的。鐵道工程技術專業群實訓教學要結合典型工作任務、崗位技能要求，對標知識目標、素質目標和能力目標設計虛擬仿真實訓項目的內容;要基于高職鐵道工程技術專業群學生的基本學情合理化改進作業流程，突出培養訓練過程中的重點難點;要構建生產與教學有效結合的立體化教學情境，達到崗位操作技能與職業能力的協同培養。

（二）結構上基于虛擬與實操結合的互補性原則

虛擬仿真技術固然有其優勢，但目前應用到教學中也存在著一些問題。例如基于軟件平臺適應性考量的關卡模式，其對生產環節進行的游戲化改造，使學生過度沉浸于通關和游戲程序而忽略了實訓本身的原理和技能要求。因此，實訓項目在設計虛擬仿真實訓體系的結構時，要以項目的實際生產過程為基礎做減法，減去能實際操作訓練、手工計算、電子繪圖或質量檢核的環節，將難以實現的現場環境、抽象枯燥的流程以及復雜的操作具象化，對虛實兩種環節進行互補設計，構成各自相對獨立又有機結合的結構。同時在教學實施過程中，教師要重點強調原理、知識和操作注意事項，防止片面追求軟件操作效果，弱化教師的教學主體作用。

（三）機制上基于教學內容與新技術匹配的動態調整原則

隨著智能時代的到來，鐵道工程產業中的一體化智能建造技術、運維技術信息化不斷升級，產業鏈、創新鏈和人才鏈不斷變革與發展，這也給鐵道工程技術專業群人才培養帶來了新的機遇和挑戰。例如正在全路實施的“工電供一體化”作業，其作業過程中傳統的拉尺子手工檢測已被儀器自動化檢測取代，搗固、換軌等人工作業逐步進入機械化模式。因此，鐵道工程技術專業群實踐課程不僅要對傳統的課程內容、教學模式進行改革，積極融入產業先進元素，還要建立緊密對接產業新技術的動態調整機制，做到基本適應產業的人才培養需求，甚至向適度超前跨越。

三、虛擬仿真教學體系的建設舉措

（一）探索重構基于職業成長的實踐教學體系

目前，鐵道工程技術專業群的實訓體系主要基于職業活動的過程模式，強調以工作邏輯為課程內容的組織方式，存在著理論基礎相對薄弱、課程體系和結構缺乏統一標準等問題。基于職業成長和發展的課程體系符合人才成長規律，有利于培養學生的心智技能、策略能力、遷移能力和可持續發展能力。2019年，國鐵集團發文要求鐵路局集團公司與合作院校對所有招聘學生實施“2+1”定向培養，即在校期間完成2年學歷教育與1年崗前培訓，旨在推動落實學歷教育與崗位培訓有效結合，培養產業急需的高素質技術技能人才。隨著產業快速發展，處于人才需求側的鐵道工程用人單位對專業人才的要求有了重大變化，這也倒逼處于人才供給側的高職院校必須通過改革人才培養體系來加以適應。企業中的崗位培訓是以初級工、中級工、高級工、技師等崗位資格進行劃分的，而學歷教育的課程體系則是以公共基礎課、專業基礎課、專業核心課、專業拓展課進行劃分的。因此，在育訓結合導向下，基于職業成長的需求對課程體系進行重構是兩者較好的結合點。院校應當通過總結畢業生由新手到骨干的成長過程，分析對應的典型崗位、職位和職務，將其劃分為新手階段、勝任階段、熟練階段，提煉職業知識與技能、方法與能力、職業素養等要求，遵循職業能力發展規律，按照從基礎到綜合、從單一到復雜的原則，設計學習訓練項目，重構基于職業成長的實訓教學體系。

（二）因“課”制宜打造虛擬仿真實踐教學平臺

在重構實踐教學體系的基礎上構建仿真實踐教學平臺，核心目的是通過平臺實現三個“貫通”，即貫通教學過程與生產過程、貫通理論教學和實踐教學、貫通復雜環節與單項環節。針對鐵道工程技術專業群實踐教學中難以實現的復雜結構、復雜技術等，院校應開發設計專業程度高、人機交互深的虛擬仿真實訓系統，形成一套覆蓋工程關鍵節點的整體解決方案，實現施工場景復原、傷損病害隨機組建、訓練結果自動化考核等功能，打通工程現場與教學現場的壁壘。為此，院校要深入對接產業，從職業成長中核心能力的升級躍遷出發，依托鐵道工程技術專業群課程體系，系統設計仿真軟件資源框架，做到邏輯清晰、主線明確、覆蓋廣泛;要按照基礎課程、專業課程、能力提升課程的層次結構，依據課程的性質和特點，選用多種信息化平臺，包括在線課程平臺、VR平臺、PC平臺、移動平臺等，因“課”制宜地開發不同的虛擬資源;要基于育訓結合尋找共同利益點，校企合作共同組建優質研發團隊。平臺的內容和結構鼓勵自主開發，發揮雙方優勢使生產過程與教學過程緊密對接;要預留仿真軟件的動態調整渠道。因為規范標準和技術應用會有升級或變動，所以實驗實訓內容要有升級和調整的通道，比如在合同中規定后續服務年限，并且在開發過程中采用可兼容和開源的軟硬件設備和平臺，以便后期進行二次開發。

（三）運用信息技術打造“地網合一”的實踐教學模式

充分應用互聯網教學平臺、云技術、VR技術等信息工具，賦能升級傳統教學模式，使仿真教學與實踐教學相結合、基地訓練與在線學習相結合，打破傳統實踐教學在時間和空間上的局限。改造過的棄用鐵路軌道、橋隧等工程設施以及大量流動性頂崗實習基地，對于教學單位來說都是優質的實訓資源。充分運用信息技術，使校內實訓基地、校外足尺寸或原型實訓基地、企業頂崗實訓基地之間實現互聯互通，探索校企交互式遠程教學模式，可以打造出互聯網教學課堂、無線互動課堂、VR虛擬課堂等多種形式的“強交互、高智能”的智慧課堂。在技術技能的學習訓練中，學生以線路工、橋隧工等典型崗位的身份進行模擬作業。訓練過程嚴格依照標準化作業流程要求，履行運統46登記、入網三清點一確認、出網檢查確認等企業安全和管理程序，同時，教學應當融入鐵路嚴謹務實的職業素養培育。對于難以開展實踐的難點和重點內容，學生結合虛擬仿真實訓系統，通過人機交互、VR虛擬仿真的形式，沉浸式參與工程施工和養護過程，掌握崗位所需的知識和技能，系統后臺實現數據記錄、報表生成、自動化考核評分等操作。教學活動中，教師應當充分發揮主體作用，更好地利用信息化教學資源和線上教學平臺，實施線上線下混合式教學;學生可通過手機、個人電腦等工具在線學習實踐教學的各類資源，通過多平臺的綜合運用共同打造泛在化的智慧學習環境，促進教與學模式的變革。

虛擬仿真技術不僅是教授知識內容的新手段和新模式，也是有利于教學交流的新平臺和新載體，應用于高職教學領域大有可為，可賦能傳統教學尤其是專業實踐教學，為培養產業急需的技術技能人才發揮積極作用。鐵道工程技術專業群對虛擬仿真教學資源需求很大，而相關的虛擬仿真實訓基地的建設還處于起步階段，在開發設計過程中缺乏統一布局，標準性和規范性也有待加強，在應用過程中仍存在一些問題，包括虛實未能有效結合導致教學內容割裂，軟件泛游戲化導致學習偏離預期目標，教師主體作用未能充分發揮導致教學效果不理想等。如何解決建設和應用中存在的問題，更好地發揮虛擬仿真技術的優勢，打造對接產業、虛實結合的實踐教學體系，仍需要教育、開發、應用等多方共同努力。

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責編：文 墨

基金項目：河南省教育科學“十四五”規劃2021年度一般課題“高職軌道類專業群‘育訓結合人才培養模式研究”（編號：2021YB0616）

作者簡介：袁媛（1980— ），女，鄭州鐵路職業技術學院副教授，研究方向為鐵道工程技術;王大帥（1985— ），男，鄭州鐵路職業技術學院講師，研究方向為鐵道工程技術。