探究基于虛擬仿真的軌道交通實訓教學對提升學習效果的作用

摘"要：本研究旨在探討虛擬仿真在軌道交通實訓教學中的應用，以提升學習效果。通過對高速鐵路動車組檢修專業學生的虛擬仿真實訓教學與傳統實訓教學進行對比分析，研究采用了課前、課中和課后三個階段的教學設計，且對教學內容重構，并以學生學習動機、學習興趣等方面的問卷調查和課業成績考核作為評價指標。研究顯示，虛擬仿真實訓教學能夠有效提高學生的實訓技能水平。然而，在學習興趣和操作熟練度等方面，虛擬仿真實訓教學并沒有顯著優勢。這表明學生的學習興趣和技能水平的提高需要綜合考慮虛擬仿真實訓和傳統實訓的優勢。此外，虛擬仿真系統的教學評價也為教師教學設計提供了新的思路。

關鍵詞：虛擬仿真；軌道交通；實訓教學；學習效果

一、概述

虛擬仿真實訓是指利用計算機技術和虛擬現實技術，通過創建虛擬環境和場景，模擬真實世界的操作和流程，使學習者能夠在虛擬環境中進行實踐操作、演練技能、測試想法和研究等活動。與傳統實訓方式相比，虛擬仿真實訓具有成本低、靈活性高、安全性好、數據可追溯等優點，為實訓教學“三高三難”問題（高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現）提供了解決思路［1］。2023年7月11日，《教育部辦公廳關于加快推進現代職業教育體系建設改革重點任務的通知》要求結合院校自身實際，建設職業教育虛擬仿真實訓基地，推動職業院校技術技能人才實訓教學模式創新。國家對于職業教育教學的重視，特別是體現在職業教育崗課賽證教學模式及虛擬仿真教學方面。

軌道交通類行業是一門實踐導向的學科，在人才能力的培養中極其注重應用實踐能力的培養。以高速動車檢修專業為例，動車組地勤機械師作為典型的軌道交通行業崗位，其工作環境特殊。這類工作情景通常涉及高風險操作（例如供電），具備不可逆的風險特征；同時也伴隨著高成本（需專業控制系統和設備）以及高資源消耗（例如設備測試），并且工作環境屬于復雜的綜合場景，難以進行真實地教學和研究。如果只依靠傳統的現場觀摩、書本授課等教學方式，學生很難在短時間內掌握復雜的動車組檢修工藝［2］。顯然采用虛擬仿真技術去解決動車組檢修實訓教學中的任務，則會更方便安全，也能節約成本。

二、文獻綜述

近年來關于虛擬仿真實訓教學的研究中，可以按照以下幾個方面進行分類：一是系統開發與應用研究。在虛擬仿真實訓系統的開發與應用方面，研究者主要關注系統的構建和優化。虛擬仿真實訓系統應強調對資源的開放性和共享性，以滿足教育教學的多元化需求，通過構建虛擬仿真實訓室，成功解決了學生數量多而實訓設備不足的矛盾，提高了實訓教學效率。二是教學應用與模式研究。在教學應用與模式方面，虛擬仿真實訓教學能夠為學生提供一個安全、可控的實踐環境，有助于培養學生的實踐能力和創新精神。基于虛擬仿真的教學模式，模擬真實的職業場景和任務，使學生在虛擬環境中進行實踐操作，從而有效提升學生的職業能力［3］。三是教學效果與影響。研究在教學效果與影響方面，對比傳統教學與虛擬仿真實訓教學的效果，虛擬仿真實訓教學能夠顯著提高學生的學習興趣和積極性，同時也有助于改善學生的學習態度。此外，虛擬仿真實訓教學還能有效促進學生對于知識原理和操作過程的掌握，從而提高其學習效果和成就感。

綜上所述，虛擬仿真實訓教學的研究涵蓋了系統開發、教學應用與模式以及教學效果與影響等多個方面。通過不斷優化虛擬仿真實訓系統、探索新的教學模式和評估教學效果，可以進一步推動虛擬仿真實訓教學的應用和發展。

三、虛擬仿真實訓結合動車組機械設備檢修的教學設計

高職實訓課堂在教學過程中占據50%以上的比重，目前虛擬仿真實訓平臺在軌道交通專業中得到廣泛使用。如何充分利用虛擬仿真實訓平臺資源提升學生綜合能力，筆者在實際教學工作中總結了高速動車組虛擬仿真實訓任務，形成了一套有機聯合的教學模式體系，如下圖所示。本著以學生為中心、教師為主導、崗位為主體的教學理念，本教學模式以學生、虛擬仿真平臺實訓流程、教師為主要環節，分別在教學三階段——課前、課中、課后設立具體的步驟，根據具體教學階段，結合專業特點，能夠充分發揮虛擬仿真實訓平臺功能的同時，激發學生的學習興趣，進而將課堂教學與虛擬仿真實訓平臺有機聯合。

虛擬仿真教學模式體系圖

四、動車組機械裝置檢修虛擬仿真實訓教學效果調查與評價

（一）虛擬仿真實訓教學效果調查與評價方法

本實驗在研究前，選取重慶工信職業學院2022級高速鐵路動車組檢修專業的學生作為研究對象。本次研究對象隨機選取了3班與5班，其中3班總人數44人，5班總人數50人，并隨機選取3班作為實驗組，5班作為對照組，由于本專業女生較少（全年級10名女生），進而在實訓中可以忽略性別影響。但隨著實驗的進行，少部分同學并未完成實驗，另外排除一些無效數據，最終選取3班有效樣本30份，5班有效樣本30份。結合上述分析中制訂的教學方案，分別以課前、課中、課后三個階段實施教學，教學效果評價采取匿名的方式。一方面，對學生學習動機、學習興趣等方面進行問卷調查；另一方面，統計課業成績考核，以及虛擬仿真實訓成績與傳統實訓教學成績，再通過數據對比分析在動車組機械部件檢修中傳統教學成效與虛擬仿真實訓教學效果差異。

問卷收集目的主要是分析班級間的差異性和學生理論基礎知識水平，問卷采用李克特5級問卷（A完全符合=5，B基本符合=4，C符合=3，D基本不符合=2，E完全不符合=1）測量學生在動車組檢修技術專業的學習興趣、學習動機、學習能力等評價。

技能水平最能體現高職學生的學習效果。本次研究的關于動車組機械設備檢修的虛擬仿真實訓設備具備技能實訓評價功能，評價檢修標準與國家技能比賽檢修標準一致。動車組虛擬仿真機械部件檢修劃分為四個模塊：A模塊動車組受電弓檢修、B模塊動車組客室車門檢修、C模塊動車組轉向架檢修、D模塊整車車體檢修。四個模塊都采用100分制，最后總的實訓成績為四個模塊加權。傳統實訓的學生的技能評價也采用了同樣的評價標準，該部分的評分由教師進行打分。

（二）數據處理與分析

本次分析數據收集主要根據課程三階段來完成。課前，通過問卷調查的形式收集對照組與實驗組學習興趣、學習動機、學習能力的數據；課中，數據收集主要是對照組采用傳統教學形式的技能成績；課后，測量作為實驗組按照新的教學形式完成虛擬仿真實訓后的技能成績。本次實驗數據采用SPSS27.0軟件對數據進行處理，根據統計學處理原理，本次分析數據屬于獨立樣本。因此，先要對實驗數據進行方差齊性檢驗，然后根據樣本是否具備方差齊性檢驗，對獨立樣本數據進行t檢驗和異方差t檢驗，再根據t檢驗數據判斷兩組數據是否存在顯著性差異［4］。

采用傳統動車組機械部件檢修實訓方式與采用虛擬仿真系統對動車組機械部件檢修的學習方式，是否在課前的學習動機、學習興趣、學習能力方面存在顯著性差異。

本次實驗組與對照組有效樣本數量為30份，實驗組與對照組課前學習能力前測如表1所示。

通過數據分析可知，實驗組A與對照組B學習動機、學習興趣、學習能力課前測數據平均值分別為72.13和7260，標準差分別為17.087和20.132。在顯著性差異指標中，顯著性Sig.的值為0.353＞0.05，說明原假定方差成立，進而得到相應的異方差均值t檢驗顯著性水平Sig.的值為0.923＞0.05。由此可知，實驗組A與對照組B沒有差異，即采用傳統動車組機械部件檢修實訓方式與采用虛擬仿真系統對動車組機械部件檢修的學習方式，在課前的學習動機、學習興趣、學習能力方面不存在顯著性差異，滿足實驗要求。

采用傳統實訓教學與引入虛擬仿真的實訓教學，學生是否在實訓技能成績方面存在顯著性差異。

通過數據統計結果表2可知，采用虛擬仿真進行動車組機械裝置檢修的實驗組A的技能成績平均分為8057，采用傳統方式進行實訓的對照組B技能成績平均分為7063，并且P=0.005＜0.05，說明具有顯著性差異。因此，動車組機械裝置實訓課中引入虛擬仿真實訓能夠提高學生技能成績和教學效果。

采用傳統實訓教學與引入虛擬仿真的實訓教學，學生是否在實訓理論知識成績方面存在顯著性差異。

通過數據統計結果表3可知，采用虛擬仿真進行動車組機械裝置檢修的實驗組A的期末理論成績平均分為88.97，采用傳動方式進行實訓的對照組B的期末理論成績平均分為88.27，并且P=0.468＞0.05，數據顯示不具備顯著差異。通過對比發現，實驗組與對照組在學習興趣等方面也不存在顯著差異，一方面，說明選取的實驗組與對照組具備獨立樣本特性，樣本選擇不具備差異。另一方面，說明動車組機械裝置檢修虛擬仿真實訓對于學生理論知識提高有限，對技能成績提高明顯。

在研究結束后，對實驗組A與對照組B進行了調查問卷，采用傳統實訓教學與虛擬仿真實訓教學是否在學習興趣、提高動手能力、提高操作熟練度方面有顯著差異。

通過數據統計結果表4可知，實驗組A的學習興趣平均值為1.40，對照組B為1.43，P=0.820＞0.05，不具備顯著性差異；實驗組A提高動手能力平均值為1.43，對照組B為1.43，P=1＞0.05，不具備顯著性差異；實驗組提高了操作熟練度平均值為1.33，對照組B為1.30，P=0.786＞005，也不具備顯著性。通過以上數據顯示，經過一學期的實驗之后，采用虛擬仿真實訓教學雖然能夠在技能成績方面取得一定的優勢，但從長時間來看，優勢并不能持久。因此，學生的學習興趣、技能水平的提高需要綜合多種因素，并不能簡單依靠單一的技術提升來提高學習興趣，還需要結合教師教學設計的改進、實訓設備優化等多種環境。總的來說，虛擬仿真雖然能夠提升學生技能成績，但依然不能完全替代傳統實物實訓教學的直觀感受。

五、研究總結

動車組設備檢修的虛擬仿真實訓項目分為四個模塊，采取了任務驅動式的教學方式，通過虛擬仿真技術，模擬了真實的檢修環境與檢修任務，復刻了崗位真實情景，從而拉近了學生與真實崗位的距離，拓寬了學生的認知與視野。同時，與傳統實訓方式相比，虛擬仿真實訓具有成本低、靈活性高、安全性好、數據可追溯等優點，也解決了軌道交通類實訓教學“三高三難”問題［4］。學生綜合水平得到了提高，特別是技能成績提升顯著，然而通過上述研究發現，虛擬仿真實訓在動車組機械設備檢修教學的實際運用中，并沒有充分地挖掘其能力，雖然短時間內學生的技能成績提升明顯，但是學生學習能力、學習興趣如何長期提高，還需要結合多種因素考慮。總的來說，虛擬仿真技術在軌道類專業群的實訓中的確具備提高學習效果的能力，但還需要與能激發學生興趣的教學設計相結合才能更好發揮其優勢。

參考文獻：

［1］李艷，陳琳，朱福根.國內虛擬仿真實訓：現狀、研究及啟示［J］.現代遠距離教育，2023（06）：1224.

［2］張嘉鷺，李曉鵬，張林.“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗構建與學習指標評價體系研究［J］.科技風，2023（28）：5052.

［3］朱佩煜.“雙減”政策下高職院校學前教育專業音樂審美教育高質量發展的探索［J］.琴童，2023（09）：120122.

［4］段祝庚，陳豐田，岳雄，等.虛實結合無人機攝影測量實驗教學改革與效果評價［J］.實驗室研究與探索，2021，40（10）：201205.

作者簡介：萬馳（1991—"），男，漢族，甘肅天水人，研究方向：電氣化鐵道供電。