張晉云

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州，510000)

0 引言

高等職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)高素質(zhì)的技能型人才，主要強(qiáng)調(diào)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，專(zhuān)業(yè)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量的高低，在很大程度上決定了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。虛擬仿真教學(xué)技術(shù)是以現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境，借助現(xiàn)代化傳感裝置，讓體驗(yàn)者在虛擬和現(xiàn)實(shí)的交互中獲得真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。在“雙一流”和“新工科”建設(shè)背景下，建設(shè)能夠滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)需求的虛擬仿真技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，就顯得尤為重要。

1 虛擬仿真技術(shù)在鐵道工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用

1.1 虛擬仿真技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)對(duì)于鐵道工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

鐵道工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)緊貼鐵路行業(yè)，主要培養(yǎng)掌握鐵路線(xiàn)路工程專(zhuān)業(yè)技能，能從事高速線(xiàn)、橋隧工程的施工、維護(hù)保養(yǎng)工作的高素質(zhì)高技術(shù)人才。專(zhuān)業(yè)核心課程和實(shí)際緊密聯(lián)系，傳統(tǒng)的課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)不能滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的需求。建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)虛擬、理論和實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)，可以解決很多問(wèn)題：實(shí)訓(xùn)儀器數(shù)量不足的培訓(xùn)難問(wèn)題，實(shí)訓(xùn)過(guò)程的安全性問(wèn)題，實(shí)訓(xùn)設(shè)備操作的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性問(wèn)題等〔1〕。平臺(tái)為學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)功能和諧的教學(xué)環(huán)境，使得教學(xué)效果最大化和最優(yōu)化，促進(jìn)了專(zhuān)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

（1）構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的“理、虛、實(shí)”一體化新模式。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中，既耗時(shí)又耗力，同時(shí)又受到實(shí)訓(xùn)課時(shí)、地點(diǎn)和天氣的限制，尤其新冠疫情也對(duì)實(shí)訓(xùn)造成了很大影響，學(xué)生無(wú)法實(shí)訓(xùn)或多次練習(xí)。而虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)的建立，借助虛擬技術(shù)，合理選擇教學(xué)內(nèi)容，將抽象的問(wèn)題具體化，學(xué)生可以突破時(shí)空?qǐng)鼍胺磸?fù)電腦操作練習(xí)，從而掌握測(cè)量?jī)x器的操作和鐵路工務(wù)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化流程，是線(xiàn)下實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，達(dá)到了理論知識(shí)和實(shí)踐技能水平一體化提升的目標(biāo)〔2〕。

（2）培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和學(xué)習(xí)興趣。借助虛擬仿真教學(xué)，可以提高課堂的教學(xué)效果和教學(xué)效率，教師操作演示虛擬仿真教學(xué)軟件相關(guān)動(dòng)畫(huà)過(guò)程，比傳統(tǒng)課堂的圖片、文字和視頻更生動(dòng)直觀(guān)，學(xué)生通過(guò)操作仿真教學(xué)動(dòng)畫(huà)軟件，自主完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和理解，甚至可以自主選擇適合自己的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)進(jìn)度，提高了學(xué)生的求知意識(shí)和學(xué)習(xí)效率。

比如以施工現(xiàn)場(chǎng)布置為例，傳統(tǒng)的教學(xué)，教師會(huì)引用工程案例將現(xiàn)場(chǎng)布置中涉及的規(guī)范一一列舉，注意事項(xiàng)多，學(xué)生接受程度較差，在引入虛擬仿真技術(shù)的三維場(chǎng)布軟件后，項(xiàng)目源自真實(shí)的施工案例，學(xué)生可以依據(jù)施工工程所處的位置、道路環(huán)境和其他因素，借助軟件中的各種施工現(xiàn)場(chǎng)的模型，如建筑物、道路、臨時(shí)設(shè)施等，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搭建和布置，整個(gè)過(guò)程就是學(xué)習(xí)施工現(xiàn)場(chǎng)規(guī)范的過(guò)程，學(xué)生可以反復(fù)操作試驗(yàn)和各種布置，來(lái)驗(yàn)證對(duì)知識(shí)信息的理解是否正確，從而大大提高了學(xué)習(xí)的參與度與主動(dòng)性，學(xué)生對(duì)授課的滿(mǎn)意度也大大提高〔3〕。

（3）加強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，內(nèi)容比較單一，學(xué)生只需要按步驟完成任務(wù)，在虛擬仿真技術(shù)條件下，各種實(shí)訓(xùn)內(nèi)容可以靈活調(diào)整，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)各種施工組織方案，檢測(cè)分析結(jié)果，不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，更鍛煉了獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。

（4）建立了校企合作的人才培養(yǎng)新模式

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建立了校企合作的新模式, 企業(yè)可以將市場(chǎng)中最新的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目帶入校園，學(xué)生可以在智慧教室內(nèi)完成多元化的實(shí)踐操作任務(wù)，為專(zhuān)業(yè)教學(xué)內(nèi)容開(kāi)拓了思路，提高了教學(xué)的綜合質(zhì)量。同時(shí)學(xué)校的專(zhuān)業(yè)機(jī)房也可以為企業(yè)提供了一個(gè)技能培養(yǎng)和技術(shù)服務(wù)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。2020年12月29日，由全國(guó)鐵道職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦，南方高鐵協(xié)辦的首屆全國(guó)職業(yè)學(xué)?！澳戏礁哞F杯”鐵路工務(wù)工程作業(yè)虛擬仿真技能競(jìng)賽，通過(guò)讓老師對(duì)于鐵路工務(wù)具體操作虛擬仿真軟件的熟悉，感受線(xiàn)上的虛擬仿真競(jìng)賽，能夠更好地將虛擬仿真平臺(tái)和教學(xué)相結(jié)合。

（5）降低了實(shí)訓(xùn)成本，提高了實(shí)訓(xùn)過(guò)程的安全性

在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，許多昂貴的軌道和測(cè)量實(shí)訓(xùn)設(shè)備，由于受價(jià)格限制和采購(gòu)成本而無(wú)法普及使用，一些設(shè)備的后期使用和維護(hù)成本也比較高；另外學(xué)校的場(chǎng)地有限，不能完全照搬真實(shí)的場(chǎng)景設(shè)置來(lái)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，現(xiàn)有的企業(yè)實(shí)訓(xùn)基地也不能完全滿(mǎn)足實(shí)訓(xùn)需求。而虛擬仿真軟件可以讓學(xué)生身臨其境地操作，這種實(shí)訓(xùn)既不消耗器材，也不受場(chǎng)地等外界條件限制，降低了學(xué)校購(gòu)買(mǎi)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的成本費(fèi)用。虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)還有一大優(yōu)點(diǎn)就是安全性，不會(huì)因操作失誤或現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境造成設(shè)備和人身事故，比如一次測(cè)量實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生不小心掉落了全站儀，導(dǎo)致?lián)p毀嚴(yán)重。在施工組織管理實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，有些實(shí)訓(xùn)內(nèi)容需要學(xué)生去施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀(guān)摩學(xué)習(xí)，由于現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜的環(huán)境因素，會(huì)給學(xué)生的人身安全帶來(lái)一定的威脅，如果采用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以置身于室內(nèi)，不受場(chǎng)地的安全因素限制，也可以達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。

1.2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建

（1）虛擬仿真課程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容體系

通過(guò)對(duì)鐵道工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)的核心課程進(jìn)行調(diào)研分析，根據(jù)課程的實(shí)訓(xùn)要求，以“虛實(shí)結(jié)合，以虛補(bǔ)實(shí)”為原則，確定需要進(jìn)行虛擬仿真的模塊和使用的虛擬仿真技術(shù)類(lèi)型，見(jiàn)表1。

表1 鐵道工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)體系

（2）虛擬仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

虛擬仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)是通過(guò)打破傳統(tǒng)教室結(jié)構(gòu)，建立新型現(xiàn)代化的虛擬仿真智慧教室，借助軟硬件平臺(tái)為師生提供內(nèi)容豐富的虛擬仿真教學(xué)資源數(shù)據(jù)包，智慧教室可以滿(mǎn)足測(cè)繪虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、施工組織虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、鐵路軌道施工與維護(hù)等專(zhuān)業(yè)核心課程的實(shí)訓(xùn)要求。

目前應(yīng)用在教學(xué)中的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要是由南方測(cè)繪開(kāi)發(fā)的智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)：水準(zhǔn)測(cè)量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、數(shù)字測(cè)圖仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、鐵路工務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)仿真系統(tǒng)和高速鐵路精測(cè)三維仿真系統(tǒng)。

高鐵精調(diào)作業(yè)總共分了26個(gè)作業(yè)步驟，設(shè)計(jì)了42個(gè)考核點(diǎn)，主要包含了MEASLLEY小車(chē)上道組裝、架設(shè)全站儀、安插棱鏡、全站儀設(shè)站過(guò)程、小車(chē)校核和數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)出等六大模塊，設(shè)計(jì)了5大精測(cè)場(chǎng)景。平臺(tái)包括了學(xué)習(xí)模式、練習(xí)模式、考試模式和比賽模式，學(xué)生通過(guò)平臺(tái)實(shí)訓(xùn)，可以掌握精測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，先做哪一步，再做哪一步，每一步在什么位置進(jìn)行相應(yīng)的操作，學(xué)生實(shí)訓(xùn)可以由淺入深，最終完全熟練掌握操作流程。

圖1 高速鐵路精測(cè)三維仿真平臺(tái)練習(xí)模式圖

工務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)虛擬仿真平臺(tái)包含了鋼軌端軌應(yīng)急處置流程、鋼軌打磨作業(yè)、更換鋼軌夾板教學(xué)、單開(kāi)道岔檢查、鋼軌鋁熱焊接作業(yè)等八項(xiàng)作業(yè)，也設(shè)置了學(xué)練考模式，在學(xué)習(xí)模式，以每一步的動(dòng)畫(huà)語(yǔ)音教學(xué)，告訴學(xué)生這些作業(yè)有哪些作業(yè)步驟，使用什么工具，在什么位置進(jìn)行相應(yīng)的操作，達(dá)到怎樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 鐵路工務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

2 虛擬仿真技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)不足和展望

2.1 存在的不足

虛擬仿真技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在具體的應(yīng)用過(guò)程中也存在一些不足：第一，虛擬仿真技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)專(zhuān)業(yè)課程的很多實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，但是建設(shè)成本很高，比如模擬仿真全站儀測(cè)量各種不同地形，成本需要200多萬(wàn)，同時(shí)隨著新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)內(nèi)容也會(huì)隨之升級(jí)改造，后期的維護(hù)、更新?lián)Q代需要持續(xù)的成本投入。第二，目前用于實(shí)際教學(xué)中的仿真教學(xué)軟件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求，很多課程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的虛擬仿真軟件還有待開(kāi)發(fā)；現(xiàn)有虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)方面，需要在功能設(shè)置、細(xì)節(jié)方面也有待改進(jìn)，以提升用戶(hù)體驗(yàn)度。第三，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程雖然規(guī)避了施工現(xiàn)場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，但是也弱化了安全教育，比如虛擬的施工現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生置身于室內(nèi)操作，忽略了很多安全因素，因此需要把虛擬仿真實(shí)訓(xùn)和線(xiàn)下實(shí)訓(xùn)有機(jī)結(jié)合，才能培養(yǎng)學(xué)生既掌握課程知識(shí)，又要樹(shù)立職業(yè)安全意識(shí)〔4〕。

圖3 鋼軌端軌應(yīng)急處置流程截圖

2.2 展望

虛擬仿真技術(shù)在高職教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面的應(yīng)用完善了鐵道工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)體系，幫助學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中把理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度與主動(dòng)性，提升了學(xué)習(xí)效果和課堂質(zhì)量。在“雙一流”、“新工科”建設(shè)背景下和后疫情時(shí)代，需要有效結(jié)合軌道行業(yè)新技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用，更深層次地研究鐵道工程專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)體系設(shè)計(jì)、實(shí)踐環(huán)節(jié)、實(shí)踐場(chǎng)地建設(shè)和實(shí)訓(xùn)方式，提出更為可行的方案，合理設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，并在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中逐步應(yīng)用、改進(jìn)和完善。同時(shí)應(yīng)從共建共享出發(fā)，降低成本，培養(yǎng)出具備實(shí)踐創(chuàng)新能力的軌道行業(yè)高素質(zhì)高技能復(fù)合型人才，平臺(tái)的建設(shè)任重而道遠(yuǎn)。