基于虛擬仿真技術的計算機智能應用技術專業群實訓模式研究

摘要：近年來，隨著計算機智能領域專業設備的快速更新與發展，專業實訓教學正面臨著信息技術設備更新發展速度快、產品成本高、實訓教學環境難及企業技術的快速發展、師生技術能力無法及時更新等問題。如何有效解決計算機及人工智能類相關專業及專業群的實訓設備及教學，是所有院校和專業都面臨的問題。本文以計算機智能應用技術專業群為例，通過虛擬仿真與遠程共享模式，將設備部署地點與使用地點分離，支持人人、處處、時時可學、可訓，使得產教融合中企業設備資源得到充分利用和推廣應用，也有效降低了實訓教師的工作量，創新了專業群實訓模式。

關鍵詞：虛擬仿真；實訓教學；應用技術專業群

一、引言

教學模式通常被定義為一種教學活動結構框架或活動程序的結果，它是在教學思想及理論指導下建立起來的相對靜態的模式。它一般會涵蓋理論依據、教學目標、操作程序、實現條件、教學評價五個部分，這五個部分之間具有依次順序及規律關聯。因此，人們通常把實訓教學歸納為職業技能訓練的范疇，它是學校對學生進行職業技能人才培養、職業技能目標實現、職業素質能力訓練的教學實施全過程的統稱[1]，也是職業院校進行高素質、高技術技能人才培養的關鍵環節。筆者所在學校計算機智能應用技術專業群包括計算機應用技術（移動互聯軟件開發）、人工智能技術應用、計算機網絡技術等專業。該專業群采用圍繞基礎知識共享、核心技術連通、應用拓展技能分層共治的模式，借助企業開放創新平臺實現底層能力共享（如5G網絡組建能力、智能應用開發能力、智能互聯測試維護能力）、核心技能各自夯實互聯互通、上層應用拓展技能各自平行發展的格局。該專業群緊密對接產業鏈、創新鏈和能力群體系，實現拓展能力、雙創實踐、“1+X”職業技能、技能實訓包、職業素養、人文素養的360°立體化的π型技能人才培養。

二、實訓教學模式

傳統實訓模式主要手段是采用原始的傳授方式，通過“講—聽—讀—記—練”的過程，依次完成學生的能力培訓。然而，這種模式不重視學生在學習中的能動性和主體性，片面強調灌輸方式，壓抑和阻礙了學生的個性發展。與此相對應的是以“做中學”為基礎的實用主義教學模式。實用主義教學模式的特點是采用創設情境環節、確定問題環節，然后利用資料，接著提出假設條件，最后通過檢驗假設完成結果驗證。其優點是重視活動過程教學，讓學生自我發現、探索和實踐技能，最終獲得解決問題的思路、方法和拓展的能力。其缺點是只重視實踐直接經驗的重要性，但沒有重視知識的體系化學習，從而導致教學質量受到影響。

隨著新技術的發展，出現了更多新的教學模式。教學模式也呈現出從單一模式向多樣化模式發展、由歸納型向演繹型發展、由以“教”為主向以“學”為主發展的趨勢。在此基礎上，實訓教學模式也出現了兩個分支。一是對實訓教學中“學校、社會（企業）、政府”多元主體的“校-政-企-行”模式，對實訓教學中“學校—社會（企業）—政府”多元主體關系進行協同實踐；二是對實訓教學活動內部結構框架開展的深層次動態透視，如實訓教學設計、實訓教學實施、實訓效果反饋等。同樣，在國外也有許多成功的實訓教學實踐模式。例如，德國的“雙元制”實訓模式，涉及學校、企業、行業協會多個主體，學生在企業和校內實訓基地協同學習，而實踐教學由企業、學校、協會多元主體進行，企業進行主導，輔助以學校主體和校內實訓基地完成；澳大利亞的TAEE技術與繼續教育實訓模式，類似于我國的“1+X”證書制度，由學校完成培養學生的職業技能，企業進行投入評估的產學研合作范式，英國的“三明治”實訓模式，通過采用理論學習到實踐培訓，然后再進行理論學習的循環迭代實訓模式。

在上述基礎上，也出現了“工學結合”的實訓教學模式，盡管“工學結合”的高職教育實訓教學模式已有許多應用，但在實踐中仍面臨著高昂的設備購買費用、線上和線下實訓教學無法結合、實訓模式可復制性差等困難和問題。

三、基于虛擬仿真的實訓教學模式

職業教育在實踐中往往會受到學校的教學環境、教學實施條件以及不同專業教學模式的限制。事實上，大多數實訓教學的形式依舊相對單一、內容簡單、教學效率低下，其主要表現為新技術、新設備更新迭代快，現有的職業技能實訓基地并不能實時滿足專業實訓教學需要。同時，受限于辦學經費，現有實訓教學設備通常費用昂貴，難以實現大規模的重復購置。此外，校內建設的實訓環境與企業真實的工作環境存在較大差異，并不能完全復制企業生產場景，也無法達到企業的場地和環境規模要求。另外，傳統實訓教學方式存在一些問題，如不能實時記錄學生的實訓操作過程、發現問題與解決過程，以及教師操作示范受場地限制無法清晰還原呈現，老師專業教學檢查、教學實施過程都無法保存等問題。另外，企業的資源和校內實訓基地的資源，在沒有實訓任務安排的情況下，無法做到學生隨時可用。學生也無法在宿舍、家里或圖書館等不同場所隨時隨地學習利用，共享性差。受限于實訓基地場所、實訓學生人數、實訓設備數量等諸多因素的影響，同時也受限于教學模式的影響，無法開展線上教學活動，更無法滿足線上教學和線下教學的混合模式聯動應用，其可復制性差，還沒有形成體系化的虛擬仿真實訓模式可借鑒應用。因此提出了線上、線下虛擬協同的共享開放的虛擬仿真實訓教學模式，以更好地滿足學生職業技能全天候的培養和訓練需求。

（一）線上線下協同的通用專業能力訓練

針對人工智能、計算機應用技術（移動互聯軟件開發）專業群專業人才培養的需要，從通用專業能力協同培養出發，面對專業技術、設備更新快的情況，考慮構建系統所需的軟硬件復雜性，傳統實訓室存在生產設備與新型設備不可見、不可操作，課上時間有限、課下無法使用，設備難以管理且無法共享、利用率低等問題。為了滿足專業群實訓教學需要，解決公共實訓基地建設受距離、成本等限制，定位于專業群中職業崗位通過專業能力培養，通過校企合作共同研發的虛擬仿真教學平臺，創新探索線上線下、混合、開放等實訓教學模式[2，3，4]。

虛擬仿真平臺以虛擬驗證為核心技術，面向老師和學生，同時開展線上虛擬仿真實驗，對常用的嵌入式硬件實驗進行1：1時序級仿真，提供實驗環境軟件定制與用戶代碼全閉環虛擬執行、調試。針對專業群的職業崗位通用能力[5]，通過實訓3D場景仿真，完成線上實訓教學模式和線下實訓教學的雙通道融合。學生可以在老師指導下，快速上手，輕松模擬。芯片級、SOC級虛仿實驗目標環境自主搭建，簡單易用，只需拖拽虛擬元器件即可輕松組裝、在線編輯、仿真調試。

此外，平臺還支持學生在云端配置實訓開發環境，進行編碼、編譯、運行、調試。1：1時序仿真運行，通過虛擬元器件查看運行情況；進行代碼調試，過程數據實時跟蹤，圖形化反饋。

（二）虛實結合的遠程開放共享的核心專業能力動態融合

專業群核心專業能力的實訓，采用虛實結合的設計理念，通過虛擬仿真系統將真實設備虛擬化成設備節點，使各種設備可以開放地加入系統，并可以和虛擬設備一起工作，方便學生在網上搭建企業工作場景。系統架構如圖1所示。

在通用專業能力的虛擬仿真平臺中，虛擬仿真與遠程共享平臺是虛擬仿真實訓教學模式的關鍵內容。該平臺由共享設備交易管理平臺、運行設備管理環境、虛擬仿真平臺三部分組成。共享設備交易管理平臺主要功能包括用戶管理、設備管理（虛擬設備注冊、真實設備注冊、設備申請、設備使用計劃等）、應用案例管理等。該平臺為設備應用、推廣和共享提供支持，用戶類型包括真實設備廠商、虛擬設備開發者和設備用戶等。運行設備管理環境從共享設備交易管理平臺獲取可用設備信息，在本地建立設備代理，為虛擬設備運行提供支持，并為真實設備使用提供與現場應用一致的接口。這意味著學生可以在自己熟悉的開發環境中編程調用設備，快速構建智能計算機系統，并進行應用開發和實踐。

虛擬仿真與遠程共享平臺提供必要的API接口，允許教師通過接口獲取虛擬設備和真實設備（通過設備代理）的狀態數據。實訓任務的本質是在教師預先設置的環境中，學生通過一系列操作，將目標設備調整至預期的狀態。教師在準備實訓任務時，可以同時提供一個日志采集腳本和一個檢測評估腳本。日志采集腳本在學生完成實訓任務時觸發，通過調用平臺API接口，將設備數據采集并存儲到指定文件，形成實訓日志文件。平臺自動匯集實訓日志文件，并調用檢測評估腳本對日志文件進行分析，最終生成實訓報告和成績。為確保實訓日志的完整性和真實性，平臺應控制學生權限，使其無法查看或修改實訓日志和實訓報告內容。這種實訓教學評價通過API接口類型、實訓日志結構和實訓報告結構，使教師設計采集、檢測腳本的靈活度最大、難度最低。

虛擬仿真與遠程共享結合，通過控制翻轉，將封閉的虛擬仿真教學平臺轉變為開放的設備資源庫，以統一的方式管理虛擬、真實設備，使設備的物理實現對用戶透明。學生可以在自己熟悉的開發環境或者企業實際的開發環境中進行實訓，無需改變其使用習慣。通過虛擬仿真與遠程共享將設備部署地點與使用地點分離，支持人人、處處、時時可學、可訓。這種遠程共享方式不僅使學生能夠充分利用企業的設備進行學習和創新應用，同時也使企業設備資源得到充分利用和推廣應用，豐富了產教融合體實訓教學模式中校企合作的形式和內容。

虛擬仿真與遠程共享開放的實訓教學模式，是以學生為主體，教師引導作為輔助，根據任務驅動原則管理，通過實時監控實訓過程的方式，使學生能夠從自身學習興趣出發，選擇感興趣的實訓課程和實訓時間。在老師的實訓任務指導要求下，學生可以獨立設計個性化的實訓任務方案，網上預約所需要的實訓任務設備，獨立或者采用小組合作的方式進行新型實訓過程。平臺在不增加管理人員和指導教師負擔的前提下支持多個層次、多個維度的開放共享。一是專業通用能力實訓開放，讓所有專業群里的在校學生可以直接實現開放實訓教學，隨時隨地學習和實訓，使學生根據自己的興趣選擇實訓內容，幫助學生更好地完成專業通用能力學習目標；二是專業核心能力實訓定向開發，根據不同專業學生的不同屬性，定向推送核心能力實訓內容，以提升學生的綜合職業技能，同時也能最大化提高實訓設備的利用率；三是拓展能力培養開發，利用虛擬仿真平臺，協同培養學生的大賽、科研等綜合能力。

最后，通過虛擬仿真協同平臺實現實訓效果智能評價。合理劃分平臺與教師責任，采用策略模式將評價所需的通用功能由平臺實現，與實訓任務邏輯相關的具體實現延后由教師實現。平臺為教師、企業導師、學生自評互評提供評價所需的API工具，教師根據實訓任務設計評價腳本。這種方式的優點在于既保留了教師獨立設計實訓任務的自由，又可以根據需要擴展實訓資源庫，將教師的工作量降到最低。

四、結束語

虛擬仿真為產教融合共同體的校企深度融合實訓模式提供了有效的解決路徑，使得產教融合中企業設備資源得到充分利用和推廣應用，也有效降低了實訓教師的工作量，創新了專業群實訓模式。同時，遠程共享模式也實現了設備部署地點與使用地點分離，支持人人、處處、時時可學、可訓，解決了計算機及人工智能類相關專業及專業群的實訓設備及教育面臨的難題。因此，通過細化專業通用能力和專業核心能力的職業素養結構，結合虛擬仿真中的學生實訓數據進行實訓效果及職業能力評價，將是下一步研究的重點。

上述基于虛擬仿真的實訓教學模式及路徑探索，并不能覆蓋計算機智能應用技術專業群之外的體系，但與其他專業，如消防、建筑、安防等，在專業能力實訓教學方面具有互通性，這些經驗為這些專業提供了有益的實踐參考和借鑒。

作者單位：毋建軍 北京政法職業學院

參考文獻

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[2]余越凡，周曉云，楊現民.職業教育線上線下混合式實訓教學模式設計與實踐[J].中國職業技術教育，2022（2）：49-54．

[3]王月芬.線上線下融合教學：內涵、實施與建議[J].教育發展研究，2021（6）：19-25.

[4]黃晨，胡優敏，劉燕等.虛擬仿真項目助力實驗教學的實踐與探索[J].實驗室研究與探索，2023（10）：225-227.

[5]胡雪麗，李自雙，馬旭攀.基于崗位勝任力的軍士人才培養模式[J].計算機教育，2023（11）：170-175.