5G前景下工程管理虚拟仿真实践教学应用探索

叶 松,陈 颖

(铜陵学院 a建筑工程学院; b会计学院 ， 安徽 铜陵 244061)

1 虚拟仿真高等教育建设背景

近些年来信息化技术发展日新月异，其应用于教育教学中的广度与深度也不断拓展，各类智慧课堂和智慧实验平台等新型信息化教学模式大力推进了教学方法改革。

2012年底教育部发布了《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》，其中明确列出了“虚拟实训软件数量和应用满意度及专业覆盖面”和“虚拟仿真实训教学软件、实训基地与国家重点产业和战略性新兴产业的对接情况”作为职业教育实践教学水平是否显著提升的考察维度主要指标，在此背景下，教育部于2013年正式启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作[1]。

教育部于2016年6月发布的《教育信息化“十三五”规划》中明确提出信息化已成为国家战略，应加快并深入实施教育信息化[2]。

2018年教育部发布了《教育部办公厅关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，要求以“高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车，助力高等教育强国建设”[3]。

当前虚拟仿真实验教学已成为高校实践教学改革实践的热点，改善了在以往实践教学中无法开展、效果不好等一系列难点问题，为各专业学生提供了实习实践和创新创业的信息化平台和各类优质教学资源。

2 当前工程管理类虚拟仿真实践教学现状

虚拟仿真技术又称虚拟现实(Virtual Reality，简称“VR”)，是依托于计算机模拟系统，将自然客观的对象实现具体可视化的动态模拟。虚拟仿真教学就是借助于虚拟仿真技术，营造虚拟环境构建可视化的仿真教学平台，实现虚拟系统中的演示教学、交流互动，增强了实践教学的体验和感受，有利于激发学生的学习兴趣和创新意识[4]。

从2013 年起教育部启动了国家级虚拟仿真实验教学中心申报工作，至2017年的五年内每年有100个国家级虚拟仿真实验教学中心批准立项，2018年更是有260个国家级虚拟仿真实验教学中心立项建设，此外还有大量省级和高校自行立项建设的虚拟仿真实验项目，其中有不少土木工程类虚拟仿真实验项目，尤其是高职高专院校，建设了大量虚拟仿真和实体仿真实验实训项目，为工程管理专业实验实训提供了重要的教学平台。

多年来经批准建设的国家级虚拟仿真实验教学中心，主要分布集中在东部地区，归属于中央部属高校，这种分布情况与高校建设理念、经费投入状况和教学水平层次基本是相符的。而地方高校因为建设经费不足、实验教学软硬件基础条件较差、学科专业特色优势不突出等多方面原因难以建设高标准高质量的虚拟仿真实验教学，或者建设后并没有充分发挥虚拟仿真实验教学的实际应用价值[5]。

工程管理专业因其综合性和实践性强的特征，实践教学的覆盖度和实效性对于专业培养质量非常重要。虚拟仿真实践教学有着经济性高、安全度高、共享度高、体验性高等优势，因此大力发展虚拟仿真实践教学为提升我国工程管理专业整体办学质量提供了良好的机遇。

2.1 工程管理类虚拟仿真实践教学的优点

我国自1998年设立工程管理本科专业后，目前有近五百家高等院校开设了该专业。工程管理专业是横跨管理与工程的交叉学科，人才培养要求综合具备工程技术、经济、管理、法律四大知识平台的理论知识与实践技能，注重宽口径厚基础，实践教学一直是人才培养中的重点。其知识结构和素质结构要求全面，因学制有限，无法在各知识平台深入学习和实践，但在实习实践和实际工作中又要求学生具备工程技术、经济管理的系统认知与实践能力。一直以来因各种现实原因造成工程管理专业的课堂教学与实践教学存在脱节现象，教学效果无法保障，虚拟仿真实践教学的开展以其全过程、体验性、案例法的特征，大力提高了专业的实践效果，促进了理论教学与实践教学的融合贯通，从而提升学生的专业理论素质和工程实践能力。

2.1.1 经济性好

工程管理专业实验与实践对象为土木工程项目，一般来说体量巨大，实验实践耗材价格较高，大多无法重复利用，校内外实训基地中的实体仿真系统不论是占地还是造价都要求很高，且无法覆盖各种类型项目，难以更新。对比之下虚拟仿真系统占地少，重复性高，经济性能和实用性能明显大大提高。

2.1.2 安全性高

工程管理专业的实验与实践环境相对恶劣，施工技术类实验实践大多在室外开展，施工现场相对复杂，施工人员多、机械多，总体危险性高，学生因缺乏实际经验和判别能力、自我约束能力，很多施工单位不愿积极接受和安排实习实践活动，使得学生难以获得较多的深入实践参与[4]。虚拟仿真实践教学平台模拟了施工技术实景和经济管理案例，创造了安全的实验实践环境，保障了实践教学的顺利开展。

2.1.3 全过程覆盖

土木工程的建设周期普遍较长，且具有不可逆性，施工受季节、天气等因素影响大，与教学周期难以同步。且项目施工中参与方众多，有投资方、建设方、设计方、监理方和政府主管部门等，传统实验实习中学生只能从其中某一方的视角体验，难以掌握施工的全景和全过程。而传统沙盘模拟教学方式占地多，与其他媒体功能配合度差；视频教学方式只能用于演示，学生被动接受，参与度和接受度有限[6]。虚拟仿真实践教学体系可以不受空间和时间的约束，完整模拟各类项目的全过程施工场景，并突出技术要点，体验项目参与各方在不同环节的工作任务，具有良好的情景重现和实际操作性，便于师生全天候反复开展实践教学，适用性强，推广性高。

2.1.4 沉浸性明显

传统的工程管理实践教学环节中，学生实际介入性不高，对于工程技术实践环节很少上手操作，工程管理类实验实训大多是纸上谈兵，难以深入感受和理解。虚拟仿真实践教学借助于多媒体技术、虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术构建了高度虚拟现实的仿真实验教学环境。其中漫游功能通过角色扮演帮助学习者在三维虚拟仿真项目环境中里行走观测、认知学习、任务实践，观察和熟悉岗位工作环境及设施设备等，通过身临其境的VR演示功能体验工程技术操作方式和步骤；模拟安全教育可通过模拟项目实景中以往安全事故高发场地及发生过程的三维动态仿真场景，让学生亲身体验安全隐患部位和安全事故现场，为安全教育提供有力的技术支撑；项目管理模拟功能可以将项目管理效果快速的通过数据分析直接展现出来，让学生真实体验到管理技术产生的经济效果，有利于工程管理人才培养的实效性检验；人机交互教学以及在线习题、考评功能可以实现互动实验教学，能提升学习专注度，激发学生的主动性和积极性，有助于发展学生的构建思维，培养学生的创新意识，良好地实现实践教学效果[7]。

2.1.5 便于更新升级

传统实践教学体系中的实验室和实训基地会随着工程技术和工艺的革新面临落伍甚至淘汰，难以改造或者重复利用。实践教学的教材更新周期性明显，内容相对滞后于现行规范和实务。受资金、政策等因素所限，一些新工艺新技术新材料在欠发达地区推广应用往往明显滞后。从教学效果出发要求实践教学中的软件和硬件不断更新，应领先或跟踪现实应用的先进水平，虚拟仿真系统具有易扩充和易改进的优势，以软件升级更新，提升实训项目技术水平，充实实训内容，便于实践教学体系的及时更新升级，有力地保障了实践教学效果。

综合以上优势，虚拟仿真实践教学系统能够大力改善以往工程管理实践教学中“投入高、危险高、操作难、重现难”的教学困境，提供了经济、安全、有效的实践教学环境[8]，实现了工程管理实践教学培养学生综合实践能力和创新能力的目的。

2.2 当前工程管理类虚拟仿真实践教学的缺点

因为虚拟仿真实践教学体系在我国高校中发展应用时间有限，限于各类高校实际经费、师资力量、教学水平和平台技术的制约，目前工程管理类虚拟仿真实践教学还存在以下问题：

2.2.1 覆盖面不足

不论是国家级虚拟仿真实验教学中心还是各地高校自行建设的虚拟仿真教学平台。从应用领域来看主要集中于物理、化学、航空航天和军事领域的学科较多，工程管理教育领域相对较少，总体数量不足以满足现有四百多家开设工程管理专业的高校办学需要；覆盖课程主要集中于工程技术类实践课程，对于工程项目管理、工程经济等方向课程的模拟较单一，难以满足工程管理专业复合专业素质培养的复杂性和宽口径。

2.2.2 技术层次不高

目前的工程管理虚拟仿真教学软件中主要侧重于实现简单的3D动画漫游功能，体验感欠缺，全程模拟效果不明显，软件各模块功能较为单一，系统交错性和兼容性不强。软件设计体现了较强的软件开发技术思维特征，较少从教师角度实现教学设计和交互体验，实际应用中大多停留在演示教学层次，仅仅是实体实验教学项目的信息化再现，不能充分发挥虚拟仿真实践效果。

2.2.3 网络化应用差

各高校的虚拟仿真教学平台大多是学校独立规划和建设，缺少平台间的合作和支持，因建设资源有限和教学水平参差不齐，教学效果不能保障。受限于网络技术支持力度不足，实际教学中主要为单机版工程管理虚拟仿真或者局域网内部教学，难以实现虚拟仿真教学资源共享，网络化功能没有合理实现，造成重复建设和使用功能受限。

3 5G前景下工程管理虚拟仿真实践教学应用的探索思路

5G网络是第五代移动通信网络的缩写，具有带宽更大、速率更快、延时更低等特征，理论上5G技术可以提供最大每秒20Gb的数据速率，是4G技术的10倍。网络延迟最低为1毫秒，仅仅为现有4G技术延迟的几十分之一，基本实现了无延迟准实时。且5G技术具有广联接特征，物联网终端可连接数量最高达百万级，并可实现数据终端直接传输功能。

在5G技术应用支持下，车联网、物联网、智慧城市、虚拟现实、远程控制等应用将摆脱网络资源限制，将应用于工业、医疗、安全等各个领域，因此5G技术的发展和应用不仅仅是技术的提升，更会引发生产方式和社会生活的变革。5G技术应用下现有虚拟仿真实践教学也将从单机教学实现网络系统，并将在多方面推动虚拟仿真实践教学体系的发展。

3.1 基于物联网的实体仿真实训教学的虚拟仿真强化

部分土木工程类院校尤其是高职院校建设了实体仿真实训基地，这些实体仿真系统占地大，造价高，且难以更新。随着工程技术及工艺、材料的不断发展提升，实体仿真系统功能逐渐滞后，难以独立实现教学效果。5G技术的高带宽高速率可以实现将实体仿真系统中的重要节点配置无线终端，无线终端通过5G无线网络支持接入虚拟仿真平台。当无线终端感知到实体设备的操作运动或外部手机、笔记本等设备信号连接，可以作为虚拟仿真系统的无线接入节点，从而将原有实体仿真系统与虚拟仿真系统相结合，将虚拟操作与实体操作同步进行，利用了原有实体仿真资源，增强了实践教学体验，真正实现“虚实结合，虚实互动”的基于物联网的虚拟仿真教学平台。

图1 基于物联网的实体仿真实训教学的虚拟仿真强化

3.2 开放远程服务的虚拟仿真实践教学平台

5G技术条件下虚拟现实应用更加广阔，建立在高速率低延迟的通信网络基础上，虚拟仿真教学平台可以开放远程服务，允许远程控制和操作，随时随地通过授权下载客观端，进入虚拟仿真实践系统，真正意义实现了全天候开放。以往因网络下载速度慢、网络延迟造成的远程客户端难以使用的情况将随着5G技术的应用大大改善，虚拟仿真实践教学不再受时间和空间的约束，随时随地远程接入平台，利用虚拟仿真教学资源进行实践教学，为自主化学习提供了技术保障[9]。

此外基于网络技术支持，学校可以与实习就业基地开展虚拟仿真实践教学平台的共建合作，空间距离不再是合作的障碍，也有利于远程继续教育的实施。在理论教学完成后，学生在实习实训中经常出现无法将理论知识与实际操作有机结合，只能寻求老师和技术人员指导，但因时间或者空间原因难以及时解惑。在开放远程服务的虚拟仿真实践教学平台建成后，可以自行远程接入平台，提前熟悉场地和工序操作，也可以重复练习以深入理解，缩短现场操作适应期。

3.3 创新创业训练项目的演练平台

虚拟仿真实践教学平台不仅可以用于实践教学，还可以用以专业学科竞赛训练和创新创业实践活动。在5G信息技术支持下，虚拟仿真实践教学平台可以从多方面促进创新创业训练。一是高速信息技术支持复杂网络配置的可视化交互运用，有助于创造更加便捷的训练和研究环境，并以较低成本实现工程项目的经济、管理创新效果验证[10]。二是高速度低延迟的更高信息通道有助于高校与企业建立更高效的产学研合作渠道，建立科研团队和创新创业团队解决企业的技术难题，推进教学与科研协同，促进学生开展科技创新，以虚拟仿真平台实践检验，并通过创新创业将科研成果转化为企业应用[11]。

虚拟仿真实践教学平台训练项目体系表

通过虚拟仿真项目的训练，可以加深工程管理学生对工程技术、工程经济、项目管理知识结构和实践操作的理解和认识，自主性的模块练习和创造性的实践探索可以让学生系统地锻炼和提升知识运用能力、创新能力和团队协作精神，有利于创新性的工程管理专业人才培养[12]。

3.4 云平台的虚拟仿真实践教学共享

5G前景下云计算发展和应用突飞猛进，高带宽低延迟广链接的特点将促进云VR成为现实。现有高校建设的虚拟仿真实践教学平台因建设经费紧张、硬件条件不足、办学特色不突出、配套资源有限等各类原因无法充分发挥应有的作用。5G技术的应用，可以达成不同层次院校合作共建虚拟仿真合作共享。基于资源与服务相结合的原则，多个高校共同建设具有网络化、开放性、兼容性的虚拟仿真实践教学共享平台，展示不同院校的特色专业资源，避免重复建设，形成优势互补，优化资源合理配置，并促进中西部高校和地方院校人才培养质量提升。

虚拟仿真实践教学云平台利用5G技术，不仅可以面向同类工程管理专业院校开放共享，还可以开展异地多用户共同协作、系统动态实验，共同进行实践教学和科研创新。同时可以面向企业共享开放，促进校企产学研合作和资源共享，实现校内外、高校间、校企之间跨地域的更广阔的合作系统，构建新型高效的虚拟仿真实践教学体系。