AI+數(shù)字化虛擬技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與研究

" 一、引言

2020年9月，教育部職成司發(fā)布《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的通知》中提出：建設(shè)職業(yè)教育虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，既是改革傳統(tǒng)教學(xué)育人手段，推進(jìn)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的迫切需要，也是強(qiáng)化教學(xué)、學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)相融合的教育教學(xué)活動(dòng)，有效彌補(bǔ)職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)中看不到、進(jìn)不去、成本高、危險(xiǎn)性大等特殊困難的重要措施。以社會(huì)和市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，用新思路、新機(jī)制、新模式設(shè)計(jì)基地建設(shè)實(shí)施方案，融合多方資源，探索建立院校主導(dǎo)、企業(yè)協(xié)同、各具特色的實(shí)訓(xùn)基地創(chuàng)新建設(shè)模式，搭建校企合作橋梁。

2021年9月，教育部科技發(fā)展中心研究制定并發(fā)布的《職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)指南》，指導(dǎo)職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地培育項(xiàng)目單位高效率、高質(zhì)量開展建設(shè)工作，切實(shí)推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與職業(yè)教育教學(xué)的深度融合。

圍繞“數(shù)字時(shí)代技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革對(duì)于人才需求的多元化和復(fù)雜性”，以深化產(chǎn)教融合機(jī)制，以創(chuàng)新實(shí)踐為路徑，建設(shè)新型專業(yè)，構(gòu)建“專業(yè)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和商業(yè)能力”跨領(lǐng)域的人才培養(yǎng)體系，探索高素質(zhì)復(fù)合型數(shù)字人才的新模式新范式。在持續(xù)深入開展現(xiàn)代人才培養(yǎng)研究和實(shí)施過程中，學(xué)校充分感受到培養(yǎng)“復(fù)合型數(shù)字人才”對(duì)于專業(yè)需要系統(tǒng)性重構(gòu)對(duì)接產(chǎn)業(yè)的體系、不斷升級(jí)教育教學(xué)要素的重要性和緊迫感以及傳統(tǒng)專業(yè)育人方式的差異化，同時(shí)在實(shí)際工作中也遇到新的困難和問題。

" 二、實(shí)訓(xùn)教學(xué)建設(shè)中的問題

" 1.“三高三難”問題突出

①高投入：部分實(shí)訓(xùn)設(shè)施設(shè)備的購置和維護(hù)成本高昂，院校需要投入大量的資金。②高風(fēng)險(xiǎn)：某些實(shí)訓(xùn)操作存在一定的危險(xiǎn)性。③高難度：一些專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)訓(xùn)教學(xué)對(duì)教師的專業(yè)水平和教學(xué)能力要求極高。④難理解：部分實(shí)訓(xùn)內(nèi)容涉及復(fù)雜的理論知識(shí)和專業(yè)技能，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往難以快速理解和掌握。⑤難實(shí)施：受環(huán)境、場(chǎng)地等因素的限制，許多實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)難以順利開展。⑥難再現(xiàn)：對(duì)于一些不可及、不可達(dá)、不可逆、不可復(fù)現(xiàn)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)方法束手無策。

" 2.實(shí)訓(xùn)設(shè)備更新?lián)Q代慢

企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，而院校的實(shí)訓(xùn)設(shè)備由于資金有限等原因，更新?lián)Q代速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上企業(yè)的步伐。這就導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)校所學(xué)的技能與企業(yè)實(shí)際需求之間存在較大差距，畢業(yè)后難以快速適應(yīng)工作崗位。

" 3.學(xué)生實(shí)踐操作時(shí)間不足

由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量有限，學(xué)生人數(shù)眾多，分配到每個(gè)學(xué)生操作實(shí)踐的時(shí)間非常有限。

圍繞上述問題，擬計(jì)劃采用人工智能前沿技術(shù)以及其在數(shù)據(jù)大模型、元宇宙和數(shù)字孿生等領(lǐng)域的典型應(yīng)用，通過開展教育教學(xué)全域全景數(shù)字化的創(chuàng)新實(shí)踐，從而有效改善了學(xué)校專業(yè)本體和行業(yè)企業(yè)群體在協(xié)同育人的配合舒適度，在專業(yè)對(duì)接產(chǎn)業(yè)的效率以及復(fù)合型人才聯(lián)合培養(yǎng)的順暢度方面得到了極大的改進(jìn)提升。

" 三、建設(shè)AI+數(shù)字化技術(shù)的虛擬仿真基地創(chuàng)新模式

通過構(gòu)建數(shù)字化與智能化技術(shù)融合的技術(shù)平臺(tái)，構(gòu)建老師和學(xué)生的數(shù)字分身，解決全時(shí)段課程答疑與測(cè)評(píng)，提升真人老師數(shù)字教學(xué)能力，傳承積累學(xué)校優(yōu)質(zhì)課程資產(chǎn)，通過開發(fā)并持續(xù)優(yōu)化數(shù)字課程、打造沉浸式數(shù)字課堂和數(shù)字工程實(shí)踐場(chǎng)景，推行虛擬交互式現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)和工程實(shí)踐，使得人才培養(yǎng)可以打破固有的限制，實(shí)現(xiàn)時(shí)間與空間的無限延伸。

具體的建設(shè)內(nèi)容：

" 1.應(yīng)用“聰明的數(shù)字導(dǎo)師”

運(yùn)用人工智能建模、語音識(shí)別與動(dòng)畫合成技術(shù)，使用數(shù)字人編輯工具創(chuàng)作學(xué)校教師、企業(yè)講師的虛擬形象，實(shí)現(xiàn)逼真且獨(dú)特的數(shù)字分身。具體以照片或以軟件拍照形式提供原始素材進(jìn)行數(shù)字人建模，并進(jìn)行面部特征、妝容、發(fā)型和服裝的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)人臉相似度高達(dá)70%以上的逼真效果，然后通過聲音的合成以及根據(jù)需求搭建背景場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)高度個(gè)性化的虛擬形象呈現(xiàn)。同時(shí)運(yùn)用AIGC+數(shù)據(jù)大模型的技術(shù)，圍繞學(xué)校教學(xué)和企業(yè)實(shí)踐的資源以及常見的考評(píng)、答疑題庫進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，支持AI智能交互，使得“數(shù)字人聰明起來”，從而為學(xué)生提供智能導(dǎo)師、智能助教全時(shí)段輔導(dǎo)服務(wù)。

" 2.構(gòu)建“全流程的數(shù)字場(chǎng)景”

以內(nèi)容和形式全面創(chuàng)新的優(yōu)質(zhì)教材與課程資源、構(gòu)建云網(wǎng)智聯(lián)全譜系的學(xué)習(xí)資源矩陣；同時(shí)通過開發(fā)教師和學(xué)生的數(shù)字分身，生產(chǎn)沉浸式交互式數(shù)字課程，逐步建設(shè)復(fù)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)典型工程項(xiàng)目和場(chǎng)景的數(shù)字空間，構(gòu)建“人、課、場(chǎng)”三元結(jié)構(gòu)的數(shù)字資產(chǎn)體系和資源庫，從而促進(jìn)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量升級(jí)，提升教育工作效率效能，為實(shí)現(xiàn)全時(shí)段、定制化學(xué)習(xí)和推進(jìn)終身教育服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

在解決方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，圍繞智慧工廠、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧文旅等各類產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級(jí)改造的典型場(chǎng)景，提供系統(tǒng)集成工程設(shè)計(jì)、方案編制等方面的技術(shù)服務(wù)、項(xiàng)目訓(xùn)練或創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的平臺(tái)環(huán)境，可以圍繞項(xiàng)目實(shí)際要求，進(jìn)行分析需求，設(shè)備選型配置、系統(tǒng)仿真集成設(shè)計(jì)等各方面崗位能力訓(xùn)練，讓學(xué)習(xí)者將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)、技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目關(guān)聯(lián)，深入掌握產(chǎn)業(yè)數(shù)字化應(yīng)用設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。

數(shù)字場(chǎng)景的開發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于產(chǎn)業(yè)數(shù)字化各類系統(tǒng)集成和技術(shù)服務(wù)工程的復(fù)現(xiàn)，能夠圍繞項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目場(chǎng)景體驗(yàn)、應(yīng)用便捷開發(fā)的實(shí)際工作，開展方案編寫、設(shè)備選型、售前支持、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等全流程、綜合性的創(chuàng)新實(shí)踐，能夠全面提升學(xué)習(xí)者的數(shù)字化素養(yǎng)和技能以及解決復(fù)雜工程問題的數(shù)字工作能力。

結(jié)合智能巡檢機(jī)器人，通過智能組織管理、組織機(jī)器人、機(jī)器人檢測(cè)項(xiàng)、路徑管理、巡檢點(diǎn)管理、關(guān)鍵設(shè)備、用戶管理、機(jī)器人告警、機(jī)器人控制等功能，完成對(duì)數(shù)字孿生現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

" 3.實(shí)現(xiàn)“新形態(tài)的教育教學(xué)”

通過AI技術(shù)和工具的運(yùn)用，能夠有效發(fā)揮專業(yè)群協(xié)同發(fā)展優(yōu)勢(shì)，將數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展中技術(shù)融合、服務(wù)融合的新內(nèi)容進(jìn)行快速引入和轉(zhuǎn)化，依托數(shù)字人、數(shù)字場(chǎng)景等的制作與應(yīng)用，構(gòu)建完整的數(shù)字資產(chǎn)體系和資源庫，同時(shí)通過智能便捷的AI教學(xué)工具平臺(tái)，可以快速開發(fā)數(shù)字課程，全面提升制作數(shù)字精品資源的效率和質(zhì)量，同時(shí)基于數(shù)字虛擬的交互式教學(xué)，現(xiàn)場(chǎng)感的沉浸式的數(shù)字場(chǎng)景，打造全新的“數(shù)字課堂”，實(shí)現(xiàn)新形態(tài)的教育教學(xué)。

" 四、預(yù)計(jì)成效

教育教學(xué)改革創(chuàng)新一定需要以人工智能為代表的數(shù)字化技術(shù)的支撐，首先要通過深入扎實(shí)的工作找到實(shí)際難點(diǎn)和問題，然后以創(chuàng)新的工作思維、技術(shù)手段探索解決方案，以先進(jìn)技術(shù)和核心能力作為重點(diǎn)，同時(shí)以深化機(jī)制建設(shè)奠定體系建設(shè)。

AI數(shù)字化應(yīng)用預(yù)計(jì)在復(fù)合型數(shù)字人才培養(yǎng)、新型課程體系建設(shè)以及服務(wù)職業(yè)教育數(shù)字化及數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面取得了一定成效成果，具體介紹如下：

" 1.復(fù)合型數(shù)字人才培養(yǎng)成效

真正將企業(yè)的生產(chǎn)工藝、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用內(nèi)容和業(yè)務(wù)流程落實(shí)到學(xué)生培養(yǎng)進(jìn)程中，使學(xué)生能夠早進(jìn)項(xiàng)目、早進(jìn)崗位、早進(jìn)工作，從而提高復(fù)合型數(shù)字工作能力培養(yǎng)的質(zhì)量。最終使得學(xué)生在獲得行業(yè)認(rèn)證、新職業(yè)證書等方面全面提升，并通過行業(yè)的高度認(rèn)可充分證明該培養(yǎng)模式和效果。

" 2.新型課程體系建設(shè)成果

按照“國(guó)家級(jí)專業(yè)教學(xué)資源庫工作手冊(cè)”和“職業(yè)教育國(guó)家級(jí)精品在線開放課程”的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)內(nèi)容和形式全面創(chuàng)新的數(shù)字課程資源，形成了高素質(zhì)復(fù)合型“數(shù)字技術(shù)工程師”的課程體系，其中包括“培養(yǎng)數(shù)字化生產(chǎn)能力和數(shù)字化創(chuàng)新能力”的數(shù)字化職業(yè)技能訓(xùn)練體系以及“強(qiáng)化數(shù)字化經(jīng)營(yíng)管理，數(shù)字安全保護(hù)及數(shù)字社會(huì)法治道德規(guī)范認(rèn)知和能力”的數(shù)字化職業(yè)素養(yǎng)訓(xùn)練體系，最終形成國(guó)家及省級(jí)專業(yè)教學(xué)資源庫、規(guī)劃教材和在線課程項(xiàng)目等建設(shè)成果。

" 五、結(jié)語

在復(fù)合型數(shù)字人才培養(yǎng)、新型課程體系建設(shè)以及服務(wù)職業(yè)教育數(shù)字化及數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面，依托AI+數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)的應(yīng)用，基于復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，進(jìn)行人才培養(yǎng)創(chuàng)新。面向地方區(qū)域的企業(yè)員工，開展產(chǎn)業(yè)班、數(shù)字化課程、職業(yè)資格認(rèn)證、職業(yè)培訓(xùn)、技能鑒定等服務(wù)，開發(fā)滿足崗位要求的數(shù)字化培訓(xùn)資源包，以滿足企業(yè)用人需求和職工數(shù)字化能力提升的需求。

未來將基于數(shù)字化體系性建設(shè)，充分發(fā)揮職業(yè)教育引領(lǐng)示范建設(shè)成果，為其他高校、行業(yè)和社會(huì)提供數(shù)字形象開發(fā)、數(shù)字資源和虛擬場(chǎng)景共享的數(shù)字化賦能服務(wù)。

基金項(xiàng)目：2023年江蘇省高等教育教改研究立項(xiàng)課題（項(xiàng)目標(biāo)號(hào)：2023JSJG705）。

（作者單位：南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院）