基于虛擬工廠技術的職業(yè)教育教學模式探析

伍佳 朱山立

摘 要：針對目前職業(yè)教育學生實訓時間短、實訓條件有限等客觀問題及企業(yè)不滿足培養(yǎng)人才的質量等主觀問題，本文在對虛擬工廠實訓內涵及類型深入分析的基礎上，探討了基于虛擬工廠技術的職業(yè)教育教學模式的構建。通過充分利用現(xiàn)代虛擬技術，將職業(yè)教育的專業(yè)理論知識、虛擬模擬實訓、企業(yè)崗位實踐相互融合，使學生能及時將理論知識應用于實踐，有效提高職業(yè)教育人才培養(yǎng)質量，增強學校與企業(yè)雙方利益。

關鍵詞：虛擬工廠，職業(yè)教育，產教融合，教學模式

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.02.040

Analysis of Vocational Education Teaching Mode Based on Virtual Factory Technology

WU Jia ZHU Shan-li

（College of Education， Hunan Agricultural University）

Abstract： In view of the objective problems such as short training time， limited training conditions and subjective problems such as enterprises do not meet the quality of training talents， based on the in-depth analysis of the connotation and types of virtual factory training， this paper discusses the construction of the vocational education teaching model based on virtual factory technology. By making full use of modern virtual technology， the professional theoretical knowledge， virtual simulation training and enterprise post practice of vocational education are integrated， so that students can timely apply theoretical knowledge in practice， effectively improve the quality of vocational education talent training， and enhance the interests of both schools and enterprises.

Keywords： virtual factory， vocational education， industry-education integration， teaching mode

我國職業(yè)教育的培養(yǎng)目標就是培養(yǎng)生產服務第一線工作的高素質勞動者和實用人才，這類人才的主要作用就是將技術技能和管理規(guī)范轉換成現(xiàn)實的生產和服務，面對日新月異的時代產業(yè)技術變革，技術知識的“專精特新”充分體現(xiàn)在企業(yè)行業(yè)工作崗位對人才的需求上，典型職業(yè)教育教學模式中，最突出的挑戰(zhàn)就是校企互動不足，而如何彌補不足，強化校企互動，首當其沖的就是提高職業(yè)教育人才培養(yǎng)質量，滿足企業(yè)行業(yè)對人才技術技能的需求。職業(yè)院校調整教育教學模式，改進人才培養(yǎng)方法，充分利用現(xiàn)代化技術手段，搭建起學校教育與企業(yè)實踐溝通的橋梁。職業(yè)教育虛擬工廠實訓教學模式，正式進入我們的視野。

1 職業(yè)教育現(xiàn)狀分析與發(fā)展需要

1.1 職業(yè)教育現(xiàn)狀分析

職業(yè)教育是我國國民教育體系中的重要組成部分，回顧我國職業(yè)教育體系發(fā)展進程，建國至今，在國家政策的大力支持下，職業(yè)教育事業(yè)日趨完善。從1986年至2021年期間，我國先后召開了八次全國職業(yè)教育工作會議，從1985年《中共中央關于教育體制改革的決定》開始到2019年《國家職業(yè)教育改革實施方案》，職業(yè)教育的類型地位得到了確立，指明了職業(yè)教育對促進社會經濟發(fā)展、提升人才培養(yǎng)質量、強化國家技術技能水平的重要戰(zhàn)略意義。職業(yè)教育是培養(yǎng)技術技能人才、促進就業(yè)創(chuàng)業(yè)、推動中國制造和服務水平的重要基礎。為了指引新時期職業(yè)教育更好地發(fā)展，2014年，教育部、國家發(fā)展改革委等部門聯(lián)合印發(fā)《現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設規(guī)劃（2014-2020年）》，要求完善職業(yè)人才銜接培養(yǎng)體系，加速職業(yè)教育數(shù)字化、信息化，建設開放型職業(yè)教育體系。2020年，教育部等九部門印發(fā)的《職業(yè)教育提質培優(yōu)行動計劃（2020—2023年）》，聚焦提升質量，深化產教融合和高素質人才培養(yǎng)模式改革。這一系列重磅政策的出臺，把職業(yè)教育擺在我國教育體系中更突出的位置，立足于頂層設計，借助數(shù)字化、信息化思維和方法，推動職業(yè)教育朝產教融合方向前進。

1.2 職業(yè)教育發(fā)展需要

職業(yè)教育承擔著為社會培養(yǎng)技術人才的使命，在職業(yè)教育幾十年的發(fā)展進程中，“實踐教學”一直是職業(yè)教育領域所密切關注的焦點。實踐教學的目的在于培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新精神，使學生獲得感性知識，掌握技術技能，從而轉變成具有高技能和高素養(yǎng)的勞動者。職業(yè)院校在教學過程中需要創(chuàng)設有利的實踐教學條件，產與教得到有效融合，確保學生的專業(yè)技能實訓得到有效開展。但在實際教學改革探索過程中，仍存有問題，如企業(yè)綜合性實踐時間短、實訓設備老套陳舊、實訓過程具有危險性等，制約著職業(yè)教育實踐教學的困難。所以，需要尋找到一種新的教學模式來解決職業(yè)教育中實踐教學的突出的矛盾，信息技術的快速發(fā)展和廣泛應用為職業(yè)教育教學模式改革提供了一條新的路徑。2022年6月，教育部職業(yè)教育與成人教育司司長陳子季在中國教育報發(fā)布《依托數(shù)字化重塑職業(yè)教育新生態(tài)》一文，提出職業(yè)教育是在數(shù)字化時代受到沖擊最大、收益最明顯的教育，應以數(shù)字化轉型的新成效重塑職業(yè)教育的新生態(tài)。而職業(yè)教育虛擬工廠技術是不斷發(fā)展的數(shù)字化信息技術與職業(yè)教育相融合的產物，職業(yè)教育虛擬仿真實訓正是數(shù)字化在職業(yè)教育領域最好的踐行。

2 虛擬工廠實訓模式內涵分析

職業(yè)教育適應產業(yè)結構的轉型與升級，需依據(jù)國家經濟建設和社會產業(yè)結構的發(fā)展而做出教學調整，即人才培養(yǎng)要與產業(yè)需求相適應。數(shù)字化技術不斷滲入到職業(yè)教育領域，職業(yè)教育可以充分利用現(xiàn)代信息技術，推動職業(yè)教育的發(fā)展。利用虛擬現(xiàn)實技術，構建虛擬工廠實訓中心，將企業(yè)生產要求復刻到職業(yè)教育人才培養(yǎng)過程之中，打破時間和空間的限制，實現(xiàn)人才與產業(yè)之間的深度互動。

2.1 虛擬工廠實訓模式簡述

虛擬工廠從廣義上理解，即采用計算機虛擬仿真技術和網絡技術，參照現(xiàn)實工廠的運行狀況，在虛擬空間內實現(xiàn)生產過程的全部行為[1]。而從狹義上理解虛擬工廠，可認為其利用虛擬工廠運作軟件對學習者進行仿真模擬實訓，讓學習者能夠熟悉與掌握在虛擬工廠中的運作流程，并對其進行動手實踐[2]。虛擬現(xiàn)實技術、計算機網絡技術和教育技術的應用，使得資源整合變得簡單與方便，虛擬工廠實訓教學模式就是把企業(yè)生產環(huán)境和生產要求通過虛擬現(xiàn)實技術整合成一個跨時空的仿真虛擬環(huán)境，并融入到職業(yè)教育課程體系中來，形成學生專業(yè)課程與企業(yè)崗位實踐的聯(lián)通橋梁，學生在虛擬工廠中進行的生產活動以企業(yè)生產標準和規(guī)范對其進行訓練與培養(yǎng)，學生在學習中進行訓練，在操練中進行學習，使得職業(yè)教育人才培養(yǎng)技能目標與企業(yè)需求相匹配。虛擬工廠實訓結合了職業(yè)教育教學特色和專業(yè)實訓的教學目的和要求，在學校教育和企業(yè)實踐中形成連接的橋梁，該實訓模式的特點在于“工廠”是虛擬的，但“崗位角色”是真實的，學生的“沉浸式操作”是真實的。

2.2 虛擬工廠技術在職業(yè)教育中的應用類型

虛擬現(xiàn)實技術和設備經過幾十年的發(fā)展和積累，已經從娛樂消費逐漸擴展到教育教學領域，虛擬工廠技術也有被應用到實訓教學上。根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術交互程度的高低，可劃分為四種典型類型：桌面型、沉浸式、增強現(xiàn)實型、分布式。虛擬現(xiàn)實技術作為教學輔助工具時，通常采用低級的桌面虛擬現(xiàn)實技術和沉浸式虛擬現(xiàn)實技術。

桌面型虛擬現(xiàn)實技術，基于個人計算機平臺或中低端圖形工作站及立體顯示器，將計算機屏幕作為使用者觀察虛擬世界的窗口，將鼠標等計算機輸入設備作為使用者與虛擬世界的交互工具。桌面型虛擬工廠建設案例如：四川大學國家生物學人才培養(yǎng)基地，啟動了生物科學與技術虛擬仿真實驗教學中心。在該實訓平臺教學模式中，學生利用手機電腦等設備，使用個人賬號進入到虛擬工廠實訓平臺，進行為期2周的自主學習。其教學資源分為基礎實驗技能學習模塊、綜合實驗技能學習模塊和虛擬工廠實訓模塊。其教學評價權重將課前預習占比20%、虛擬工廠實訓平臺占比40%、企業(yè)綜合實訓占比40%[3]。

沉浸式虛擬技術，需利用傳感工具，封閉使用者的視覺、聽覺等部分感知系統(tǒng)，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，令使用者產生身臨其境的感覺。沉浸式虛擬工廠建設案例如：寧夏工商職業(yè)技術學院利用寧夏現(xiàn)代煤化工職業(yè)技能實訓中心進行學崗直通現(xiàn)代化工實訓教學。該教學模式實施條件由仿真實訓室及在線虛擬仿真實訓中心支持進行，半實物仿真工廠模擬合作企業(yè)按照實際生產裝置8：1或10：1比列縮小，具備定制開發(fā)智慧型工廠裝置和通訊互動的新型實物微縮工廠裝置，其實訓中心3D仿真項目包括原理實驗實訓、認識實習、生產實習等3D虛擬現(xiàn)實仿真生產實習。該校利用實訓中心，作為專業(yè)實訓教學的環(huán)節(jié)開始，提供為期2周的實訓，依次進行實訓動員、安全教育、認識實習仿真、模擬生產設備拆裝實訓、半實物全流程仿真合成實訓、進廠參觀。其教學效果評價主要由教師、學生、企業(yè)進行實時、連續(xù)的評價[4]。

2.3 虛擬工廠實訓在職業(yè)教育中應用的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術為職業(yè)教育增加了一種嶄新的教學模式，虛擬工廠實訓教學模式在教學形式、教學方法和教學效果等方面都可為職業(yè)教育帶來不同程度上的影響。有效使用虛擬工廠實訓教學，在職業(yè)教育中主要有以下幾方面優(yōu)勢：

2.3.1 解決學生企業(yè)實訓周期短的需求

職業(yè)教育課程安排往往是“先理論后實踐”，需要根據(jù)固定的教學計劃來進行，學生企業(yè)實踐往往只會安排在畢業(yè)前夕，而企業(yè)由于生產要求和經營狀況等不確定因素，很難為培養(yǎng)學生提供長時間的深入學習空間，導致學生深入企業(yè)實踐時間短，實踐深度不夠。通過虛擬現(xiàn)實技術，為學生營造與企業(yè)實踐盡可能相似的實訓條件，學生可以隨時隨地展開虛擬實訓，及時地將學校理論教學在虛擬環(huán)境中進行實踐并檢驗。虛擬工廠實訓可以在校內為學生提供更多深入了解企業(yè)實踐的機會，滿足學生邊學邊練的需求，解決學生企業(yè)實訓周期短的問題。

2.3.2 解決實訓“高精密”“高耗材”“高毒性”等條件限制

例如：職業(yè)教育藥品與醫(yī)療機械類高難度的精密儀器條件限制、生物與化工類的高毒性生產實踐、裝備制造類的高耗材專業(yè)實踐、電子信息類的大型綜合應用實踐等職業(yè)教育專業(yè)產教融合中，學生實訓的機會是有限的。“虛擬工廠”實訓所展示的形象逼真的實驗場景和互動情景，在降低實驗成本的同時，還保證了實驗的安全性及可靠性，并且能及時激發(fā)學生的學習興趣，磨練學生的動手技能，促進理論學習與實踐操作結合，為學生在企業(yè)實踐打下堅實的基礎。

2.3.3 全面鍛煉學生的綜合能力

技能知識的掌握需要反復操練，循序漸進地強化技能知識熟練度，虛擬工廠模擬的企業(yè)生產環(huán)境，可以使學生多次重復的進行訓練，并且可以仿真模擬不同的生產情景，營造非經典案例或突發(fā)事故。滿足學生單項訓練的同時，允許學生反復訓練，并能對整個生產流程或特殊情況有一定的了解和磨練，強化學生技能熟練度和突發(fā)事故處理能力，將抽象理論轉換為現(xiàn)實生產。

3 職業(yè)教育虛擬工廠實訓教學模式構建策略

貼合職業(yè)教育與虛擬實訓深度融合的虛擬工廠實訓教學模式應運而生，構建虛擬工廠實訓教學模式的關鍵，就是打破學習與工作二元割裂狀況。

3.1 構建原則

3.1.1 對應性

虛擬工廠的資源構建，需要學校與企業(yè)、行業(yè)聯(lián)合開發(fā)，依據(jù)行業(yè)標準，搭建出符合行業(yè)規(guī)范要求的教學環(huán)境，并根據(jù)企業(yè)用人的需求和標準，校企雙方共同制定教學目標及教學方案。以“虛擬工廠”為學校與企業(yè)之間的溝通橋梁，破解教育鏈與產業(yè)鏈脫節(jié)的問題。

3.1.2 層級性

虛擬工廠的運作方式，需要針對不同行業(yè)和領域的生產特點，依據(jù)實訓目標，在崗位層級中設置不同難度的級別，根據(jù)學習者已有經驗，為學習者匹配相適應的崗位，學習者在虛擬工廠中可通過學習和完成任務來達到“升職”目的，在提升學習競爭性的同時，使學習者明確自己技能層次。

3.1.3 沉浸性

職業(yè)教育中不同的專業(yè)針對的領域有所不同，在設備類型、生產崗位、工作流程和原料來源等方面也各不相同，但其設計內容存在著一定的規(guī)律和特征。故以教學為目標的一般性虛擬工廠設計中，其設計內容應滿足學習者沉浸體驗主要來源的兩個方面，分別是生理體驗和心理體驗。生理體驗需要通過虛擬現(xiàn)實技術對用戶的感官進行刺激，虛擬場景的呈現(xiàn)、觸發(fā)控制與交互反饋等；心理體驗是學生在虛擬實訓中專注于實訓過程，完全融合實訓過程中所產生的心理狀態(tài)。因此，虛擬工廠設計中，要根據(jù)人類的認知規(guī)律和生理特點，結合虛擬工廠的設計內容與仿真技術，有效地應用沉浸理論，以達到使用戶角色盡快進入并維護沉浸狀態(tài)的目標。

3.2 總體架構

虛擬工廠實訓教學模式是現(xiàn)代教育理論與信息技術變革而形成的一種教學模式。從實際出發(fā)促進職業(yè)教育產教深度融合，以培養(yǎng)各行各業(yè)一線技術性人才為目的，該教學模式由專業(yè)課程體系、虛擬模擬實訓課程體系、企業(yè)崗位實踐體系構成。專業(yè)課程體系以學習基礎知識和基本處理方法的理論教學為主，通過引入國家、行業(yè)等統(tǒng)一標準，制定人才培養(yǎng)課程標準。虛擬模擬實訓課程體系是促進專業(yè)課程與崗位實踐有效融合的關鍵，構建這一體系的關鍵是建立與產業(yè)運作相對應的虛擬實訓平臺，通過營造與一線崗位相一致的模擬實踐教學環(huán)境，使學生在校也能進行生產訓練和崗位實踐。企業(yè)崗位實踐體系是對學生專業(yè)能力的綜合檢驗，是職業(yè)教育中最不可或缺的環(huán)節(jié)，是評價與鑒定學習效果的主要依據(jù)。

3.3 實施流程

虛擬工廠實訓教學模式在實施流程中，以我國學者茅以升先生提出的“習而學”教育程序為基礎，堅持做到“學校與工廠配合，基本與工具配合，理論與實習配合，理論與工具配合”[5]。專業(yè)課程、虛擬模擬實訓、企業(yè)崗位實踐相互融合、相互促進，教育中的學習水平與生產中的業(yè)務水平相適應，培養(yǎng)出來的人才，更能適應工作崗位的要求。

按照“由淺入深、由基礎到綜合”的原則實施教學流程，把整個學校職業(yè)教育分為三個階段，即學生每階段學習的東西都是成套的，均可以在虛擬平臺上得到檢驗，學生每完成一個階段都能獲得某種工作經驗。

階段一：確定專業(yè)學習目標，選定工作角色，學生在學習專業(yè)基礎知識的同時，邊學邊做。在課堂學習到的知識，可以及時擔任虛擬工廠系統(tǒng)中最基礎的崗位，通過團隊合作的形式完成工作任務，獲取人際交互信息和積累工作經驗。

階段二：學生通過在虛擬工廠中積累工作經驗，達到獨立工作標準，進行獨立工作或進入到管理崗位，模擬實踐生產全過程，熟悉產品生產全過程或企業(yè)管理機制，養(yǎng)成安全生產規(guī)范的習慣，樹立起自學的質量意識。

階段三：從學校理論學習和虛擬實訓，轉入到企業(yè)實踐，培養(yǎng)達到企業(yè)要求的用人標準，大幅度提升職業(yè)教育人才培養(yǎng)的質量在社會上的認可。

4 結 論

虛擬工廠實訓教學模式是基于現(xiàn)代信息技術的虛擬實訓技術，學校將實際的企業(yè)環(huán)境通過虛擬技術引入教學環(huán)境之中。理論知識按照“由淺入深、由基礎到綜合”的原則進行設計；實訓層級按照“單一生產到綜合項目”循序漸進的升遷原則。教學過程中，理論學習與實訓同步進行，虛擬工廠實訓教學模式的應用使學生在學校中就掌握產業(yè)的工作狀態(tài)，解決學生企業(yè)實訓周期短的需求，增加了實習安全性，降低了生產實習成本，改善了生產實訓的教學效果，讓學生在進入企業(yè)工作崗位時能快速的轉換角色，迅速地適應企業(yè)生產工作。

參考文獻

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作者簡介

伍佳，碩士研究生，研究方向為職業(yè)教育。

朱山立，副教授，碩士生導師，研究方向為教育信息化、職業(yè)技術教育。

（責任編輯：張瑞洋）