袁媛 王大帥

摘 要：虛擬仿真技術(shù)是破解鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)踐教學(xué)難題的重要途徑。本研究通過重點(diǎn)分析實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，提出構(gòu)建虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系應(yīng)當(dāng)遵循的三個(gè)原則，并從教學(xué)體系、教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)模式三個(gè)方面提出建設(shè)舉措，為相關(guān)專業(yè)開發(fā)和使用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)提供有益參考。

關(guān)鍵詞：鐵道工程技術(shù)專業(yè)群;虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué)

習(xí)近平總書記在致國際教育信息化大會(huì)的賀信中強(qiáng)調(diào)，要因應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)教育變革和創(chuàng)新，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個(gè)性化、終身化的教育體系。利用現(xiàn)代信息技術(shù)推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革，滿足學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)需求，大力推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”“智能+”教育新形態(tài)，是推動(dòng)教育教學(xué)改革創(chuàng)新的重要途徑。培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能人才是高職教育的根本目標(biāo)，虛擬仿真技術(shù)作為信息技術(shù)和教育教學(xué)相融合的重要載體，在實(shí)踐操作要求較高的高職專業(yè)中優(yōu)勢顯著，頗受重視。2020年9月，教育部等九部門共同印發(fā)了《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動(dòng)計(jì)劃》，提出要遴選100個(gè)左右示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地。2020年9月，教育部職業(yè)教育與成人教育司下發(fā)了《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》，進(jìn)一步引領(lǐng)和推動(dòng)了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的發(fā)展。

鐵道工程技術(shù)專業(yè)群是支撐我國高鐵產(chǎn)業(yè)建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)的重要人才供給端。鐵路的特殊性質(zhì)決定了其對(duì)安全性有著極高的要求，因此鐵道工程技術(shù)專業(yè)群現(xiàn)場實(shí)習(xí)準(zhǔn)入門檻很高，專業(yè)實(shí)踐教學(xué)難以與實(shí)際生產(chǎn)“零距離”對(duì)接，而引入虛擬仿真技術(shù)是破解這一難題的重要途徑。

一、鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)踐教學(xué)以鐵路大型基礎(chǔ)設(shè)施為學(xué)習(xí)對(duì)象，主要采用“校內(nèi)實(shí)訓(xùn)+校外頂崗”的形式。與其他專業(yè)相比，鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)踐教學(xué)過程中的“三高”（高難度、高危險(xiǎn)、高成本）與“四難”（難看到、難動(dòng)作、難進(jìn)入、難再現(xiàn)）問題更為突出，其實(shí)踐訓(xùn)練與生產(chǎn)一線脫節(jié)，教學(xué)效果大打折扣。具體問題包括三個(gè)方面：

（一）實(shí)踐教學(xué)模式單一且內(nèi)容受限

鐵道工程項(xiàng)目具有體量大、工期長、技術(shù)復(fù)雜、隱蔽工程多等特點(diǎn)。校內(nèi)實(shí)踐基地或是只還原固定節(jié)點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程訓(xùn)練;或是限于場地和施工工藝水平，將實(shí)訓(xùn)場地模型化、簡配化，實(shí)踐教學(xué)過程中仍以講解、參觀和體驗(yàn)為主，模式較為單一。許多綜合性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目受時(shí)間、空間和設(shè)備的限制無法開展，比如既有道岔的換鋪，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（僅3個(gè)小時(shí)）完成，需要工務(wù)、電務(wù)、通信等多個(gè)生產(chǎn)部門協(xié)調(diào)作業(yè)，近百人、幾十臺(tái)設(shè)備同時(shí)在有限的場地內(nèi)有序施工，涉及的工藝十分復(fù)雜，組織難度很大，在實(shí)踐教學(xué)中基本不可能開展。沒有實(shí)地實(shí)踐，學(xué)生對(duì)作業(yè)環(huán)境的緊張感、施工過程的復(fù)雜性就沒有直觀感受，對(duì)所涉及的專業(yè)知識(shí)和技能的理解和掌握也十分有限。

（二）實(shí)習(xí)硬件資源欠缺且成本高昂

鐵道工程技術(shù)專業(yè)群主要培養(yǎng)鐵路工務(wù)一線崗位作業(yè)人員，對(duì)鐵路工務(wù)設(shè)備的檢查、維修和養(yǎng)護(hù)是這些一線崗位作業(yè)人員的核心工作內(nèi)容。由于鐵路運(yùn)營的安全要求十分嚴(yán)格，鐵路生產(chǎn)現(xiàn)場禁止實(shí)習(xí)學(xué)生進(jìn)入。盡管校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地可以購置、建造部分工務(wù)設(shè)施，但所需空間非常大，經(jīng)濟(jì)成本非常高，鐵道運(yùn)維過程中的軌道病害、多專業(yè)聯(lián)合的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境在校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地中也無法呈現(xiàn)。此外，校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地一旦建好則難以更換或升級(jí)，許多工程實(shí)踐中的新技術(shù)、新工藝、新材料等產(chǎn)業(yè)先進(jìn)元素?zé)o法同步更新，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容受限，不斷拉大與生產(chǎn)一線的差距。

（三）專業(yè)技能訓(xùn)練存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)

鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)踐技能的訓(xùn)練內(nèi)容涉及物理、化學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科，牽涉到重物、水、電、燃油等多個(gè)危險(xiǎn)源。而開展相關(guān)實(shí)踐教學(xué)，必定給實(shí)訓(xùn)室的安全管理和實(shí)訓(xùn)過程中的設(shè)備安全操作帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。例如鋼軌的鋁熱焊接，其是《鐵路特有工種技能培訓(xùn)規(guī)范》要求必備的技能，需要用到鋁熱焊劑、乙炔氣體等危險(xiǎn)物，需要經(jīng)歷高溫燃燒、處理熔渣等危險(xiǎn)環(huán)節(jié);再如鋼軌的換軌作業(yè)、機(jī)械搗固作業(yè)，實(shí)踐操作過程中曾多次發(fā)生硬物、重物擠傷壓傷事故，許多學(xué)校迫于無奈基本都已停止此類技能的實(shí)操訓(xùn)練。

二、融合虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建原則

（一）內(nèi)容上基于生產(chǎn)與教學(xué)對(duì)接的融合性原則

鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)的目的不僅是讓學(xué)生掌握正常情況下完成工作任務(wù)所需要的操作和流程，還要讓學(xué)生掌握非正常情況下病害問題的預(yù)防和處理，理解原理、掌握理論知識(shí)，因此僅僅根據(jù)生產(chǎn)項(xiàng)目作業(yè)指導(dǎo)書來設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目是不夠的。鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)要結(jié)合典型工作任務(wù)、崗位技能要求，對(duì)標(biāo)知識(shí)目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)和能力目標(biāo)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的內(nèi)容;要基于高職鐵道工程技術(shù)專業(yè)群學(xué)生的基本學(xué)情合理化改進(jìn)作業(yè)流程，突出培養(yǎng)訓(xùn)練過程中的重點(diǎn)難點(diǎn);要構(gòu)建生產(chǎn)與教學(xué)有效結(jié)合的立體化教學(xué)情境，達(dá)到崗位操作技能與職業(yè)能力的協(xié)同培養(yǎng)。

（二）結(jié)構(gòu)上基于虛擬與實(shí)操結(jié)合的互補(bǔ)性原則

虛擬仿真技術(shù)固然有其優(yōu)勢，但目前應(yīng)用到教學(xué)中也存在著一些問題。例如基于軟件平臺(tái)適應(yīng)性考量的關(guān)卡模式，其對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行的游戲化改造，使學(xué)生過度沉浸于通關(guān)和游戲程序而忽略了實(shí)訓(xùn)本身的原理和技能要求。因此，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)體系的結(jié)構(gòu)時(shí)，要以項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)過程為基礎(chǔ)做減法，減去能實(shí)際操作訓(xùn)練、手工計(jì)算、電子繪圖或質(zhì)量檢核的環(huán)節(jié)，將難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場環(huán)境、抽象枯燥的流程以及復(fù)雜的操作具象化，對(duì)虛實(shí)兩種環(huán)節(jié)進(jìn)行互補(bǔ)設(shè)計(jì)，構(gòu)成各自相對(duì)獨(dú)立又有機(jī)結(jié)合的結(jié)構(gòu)。同時(shí)在教學(xué)實(shí)施過程中，教師要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)原理、知識(shí)和操作注意事項(xiàng)，防止片面追求軟件操作效果，弱化教師的教學(xué)主體作用。

（三）機(jī)制上基于教學(xué)內(nèi)容與新技術(shù)匹配的動(dòng)態(tài)調(diào)整原則

隨著智能時(shí)代的到來，鐵道工程產(chǎn)業(yè)中的一體化智能建造技術(shù)、運(yùn)維技術(shù)信息化不斷升級(jí)，產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈和人才鏈不斷變革與發(fā)展，這也給鐵道工程技術(shù)專業(yè)群人才培養(yǎng)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。例如正在全路實(shí)施的“工電供一體化”作業(yè)，其作業(yè)過程中傳統(tǒng)的拉尺子手工檢測已被儀器自動(dòng)化檢測取代，搗固、換軌等人工作業(yè)逐步進(jìn)入機(jī)械化模式。因此，鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)踐課程不僅要對(duì)傳統(tǒng)的課程內(nèi)容、教學(xué)模式進(jìn)行改革，積極融入產(chǎn)業(yè)先進(jìn)元素，還要建立緊密對(duì)接產(chǎn)業(yè)新技術(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，做到基本適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)需求，甚至向適度超前跨越。

三、虛擬仿真教學(xué)體系的建設(shè)舉措

（一）探索重構(gòu)基于職業(yè)成長的實(shí)踐教學(xué)體系

目前，鐵道工程技術(shù)專業(yè)群的實(shí)訓(xùn)體系主要基于職業(yè)活動(dòng)的過程模式，強(qiáng)調(diào)以工作邏輯為課程內(nèi)容的組織方式，存在著理論基礎(chǔ)相對(duì)薄弱、課程體系和結(jié)構(gòu)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問題?；诼殬I(yè)成長和發(fā)展的課程體系符合人才成長規(guī)律，有利于培養(yǎng)學(xué)生的心智技能、策略能力、遷移能力和可持續(xù)發(fā)展能力。2019年，國鐵集團(tuán)發(fā)文要求鐵路局集團(tuán)公司與合作院校對(duì)所有招聘學(xué)生實(shí)施“2+1”定向培養(yǎng)，即在校期間完成2年學(xué)歷教育與1年崗前培訓(xùn)，旨在推動(dòng)落實(shí)學(xué)歷教育與崗位培訓(xùn)有效結(jié)合，培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)急需的高素質(zhì)技術(shù)技能人才。隨著產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，處于人才需求側(cè)的鐵道工程用人單位對(duì)專業(yè)人才的要求有了重大變化，這也倒逼處于人才供給側(cè)的高職院校必須通過改革人才培養(yǎng)體系來加以適應(yīng)。企業(yè)中的崗位培訓(xùn)是以初級(jí)工、中級(jí)工、高級(jí)工、技師等崗位資格進(jìn)行劃分的，而學(xué)歷教育的課程體系則是以公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課、專業(yè)拓展課進(jìn)行劃分的。因此，在育訓(xùn)結(jié)合導(dǎo)向下，基于職業(yè)成長的需求對(duì)課程體系進(jìn)行重構(gòu)是兩者較好的結(jié)合點(diǎn)。院校應(yīng)當(dāng)通過總結(jié)畢業(yè)生由新手到骨干的成長過程，分析對(duì)應(yīng)的典型崗位、職位和職務(wù)，將其劃分為新手階段、勝任階段、熟練階段，提煉職業(yè)知識(shí)與技能、方法與能力、職業(yè)素養(yǎng)等要求，遵循職業(yè)能力發(fā)展規(guī)律，按照從基礎(chǔ)到綜合、從單一到復(fù)雜的原則，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)訓(xùn)練項(xiàng)目，重構(gòu)基于職業(yè)成長的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系。

（二）因“課”制宜打造虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

在重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)體系的基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，核心目的是通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)“貫通”，即貫通教學(xué)過程與生產(chǎn)過程、貫通理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)、貫通復(fù)雜環(huán)節(jié)與單項(xiàng)環(huán)節(jié)。針對(duì)鐵道工程技術(shù)專業(yè)群實(shí)踐教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜技術(shù)等，院校應(yīng)開發(fā)設(shè)計(jì)專業(yè)程度高、人機(jī)交互深的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，形成一套覆蓋工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的整體解決方案，實(shí)現(xiàn)施工場景復(fù)原、傷損病害隨機(jī)組建、訓(xùn)練結(jié)果自動(dòng)化考核等功能，打通工程現(xiàn)場與教學(xué)現(xiàn)場的壁壘。為此，院校要深入對(duì)接產(chǎn)業(yè)，從職業(yè)成長中核心能力的升級(jí)躍遷出發(fā)，依托鐵道工程技術(shù)專業(yè)群課程體系，系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件資源框架，做到邏輯清晰、主線明確、覆蓋廣泛;要按照基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程、能力提升課程的層次結(jié)構(gòu)，依據(jù)課程的性質(zhì)和特點(diǎn)，選用多種信息化平臺(tái)，包括在線課程平臺(tái)、VR平臺(tái)、PC平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)等，因“課”制宜地開發(fā)不同的虛擬資源;要基于育訓(xùn)結(jié)合尋找共同利益點(diǎn)，校企合作共同組建優(yōu)質(zhì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。平臺(tái)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)鼓勵(lì)自主開發(fā)，發(fā)揮雙方優(yōu)勢使生產(chǎn)過程與教學(xué)過程緊密對(duì)接;要預(yù)留仿真軟件的動(dòng)態(tài)調(diào)整渠道。因?yàn)橐?guī)范標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)應(yīng)用會(huì)有升級(jí)或變動(dòng)，所以實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容要有升級(jí)和調(diào)整的通道，比如在合同中規(guī)定后續(xù)服務(wù)年限，并且在開發(fā)過程中采用可兼容和開源的軟硬件設(shè)備和平臺(tái)，以便后期進(jìn)行二次開發(fā)。

（三）運(yùn)用信息技術(shù)打造“地網(wǎng)合一”的實(shí)踐教學(xué)模式

充分應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺(tái)、云技術(shù)、VR技術(shù)等信息工具，賦能升級(jí)傳統(tǒng)教學(xué)模式，使仿真教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合、基地訓(xùn)練與在線學(xué)習(xí)相結(jié)合，打破傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)在時(shí)間和空間上的局限。改造過的棄用鐵路軌道、橋隧等工程設(shè)施以及大量流動(dòng)性頂崗實(shí)習(xí)基地，對(duì)于教學(xué)單位來說都是優(yōu)質(zhì)的實(shí)訓(xùn)資源。充分運(yùn)用信息技術(shù)，使校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地、校外足尺寸或原型實(shí)訓(xùn)基地、企業(yè)頂崗實(shí)訓(xùn)基地之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，探索校企交互式遠(yuǎn)程教學(xué)模式，可以打造出互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)課堂、無線互動(dòng)課堂、VR虛擬課堂等多種形式的“強(qiáng)交互、高智能”的智慧課堂。在技術(shù)技能的學(xué)習(xí)訓(xùn)練中，學(xué)生以線路工、橋隧工等典型崗位的身份進(jìn)行模擬作業(yè)。訓(xùn)練過程嚴(yán)格依照標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程要求，履行運(yùn)統(tǒng)46登記、入網(wǎng)三清點(diǎn)一確認(rèn)、出網(wǎng)檢查確認(rèn)等企業(yè)安全和管理程序，同時(shí)，教學(xué)應(yīng)當(dāng)融入鐵路嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的職業(yè)素養(yǎng)培育。對(duì)于難以開展實(shí)踐的難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生結(jié)合虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，通過人機(jī)交互、VR虛擬仿真的形式，沉浸式參與工程施工和養(yǎng)護(hù)過程，掌握崗位所需的知識(shí)和技能，系統(tǒng)后臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表生成、自動(dòng)化考核評(píng)分等操作。教學(xué)活動(dòng)中，教師應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮主體作用，更好地利用信息化教學(xué)資源和線上教學(xué)平臺(tái)，實(shí)施線上線下混合式教學(xué);學(xué)生可通過手機(jī)、個(gè)人電腦等工具在線學(xué)習(xí)實(shí)踐教學(xué)的各類資源，通過多平臺(tái)的綜合運(yùn)用共同打造泛在化的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)教與學(xué)模式的變革。

虛擬仿真技術(shù)不僅是教授知識(shí)內(nèi)容的新手段和新模式，也是有利于教學(xué)交流的新平臺(tái)和新載體，應(yīng)用于高職教學(xué)領(lǐng)域大有可為，可賦能傳統(tǒng)教學(xué)尤其是專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，為培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)急需的技術(shù)技能人才發(fā)揮積極作用。鐵道工程技術(shù)專業(yè)群對(duì)虛擬仿真教學(xué)資源需求很大，而相關(guān)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)還處于起步階段，在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中缺乏統(tǒng)一布局，標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性也有待加強(qiáng)，在應(yīng)用過程中仍存在一些問題，包括虛實(shí)未能有效結(jié)合導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容割裂，軟件泛游戲化導(dǎo)致學(xué)習(xí)偏離預(yù)期目標(biāo)，教師主體作用未能充分發(fā)揮導(dǎo)致教學(xué)效果不理想等。如何解決建設(shè)和應(yīng)用中存在的問題，更好地發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，打造對(duì)接產(chǎn)業(yè)、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，仍需要教育、開發(fā)、應(yīng)用等多方共同努力。

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責(zé)編：文 墨

基金項(xiàng)目：河南省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度一般課題“高職軌道類專業(yè)群‘育訓(xùn)結(jié)合人才培養(yǎng)模式研究”（編號(hào)：2021YB0616）

作者簡介：袁媛（1980— ），女，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殍F道工程技術(shù);王大帥（1985— ），男，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)殍F道工程技術(shù)。