虚拟仿真在路面裂缝病害处治教学中的应用*

李洪军

（湖北交通职业技术学院公路与轨道学院，湖北 武汉430079）

随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真技术在高等职业教育人才培养的课程教学中也得到了广泛的应用。教育部于2013年8月发文启动建设国家级虚拟仿真实验中心，每年认定一批国家级虚拟仿真实验中心，使得虚拟仿真实验在现代化教学中发挥了很好的作用，取得了许多虚拟仿真教学成果。教育部2020年9月发布了《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》，提出为推进互联网和信息技术在职业教育中的应用，在职业院校开展示范性虚拟仿真实训基地建设。对于难以实现、成本高、具有危险性[1]的专业实训内容，通过虚拟仿真技术完成实训教学，提高学生的专业实操技能，并推动职业教育教学和实训更好融合的教学改革，提高人才培养质量。传统教学方式在先进计算机技术的冲击下正面临着新的机遇与挑战，利用虚拟仿真技术进行专业的实训教学将成为一种新的教学手段，并改变现有的专业知识教学模式，这种新的教学手段符合国家对职业教育人才培养的新要求。

1 虚拟仿真技术教学的必要性

在道路养护与管理专业的专业课程教学中需要让学生掌握路面养护的知识和技能，而对路面裂缝的处治就是必须要熟练掌握的路面养护核心技能之一。目前，路面裂缝病害处治的教学环节，依然停留在传统的在课堂中穿插图片、视频和不定期的实习实践操作。学生无法真实深刻地体会课堂教学中提到的知识点，操作技能的学习效果也大打折扣。然而，通过三维立体仿真技术[2]、数字化虚拟技术和计算机识别技术，形象地还原了沥青路面裂缝病害相关真实情况，学生能深度浸润到交互式的体验模式中。对于路面裂缝病害的识别和其成因分析，包括对有针对性地灵活处治不同病害会有更系统和科学的认知，从而提高了学生的学习效果，增强学生的应用实践能力。

虚拟仿真技术是一种融合计算机网络信息技术和传感技术构建的与现实状况高度相似的虚拟模型。该技术运用于教学，能让学生更直观更真实地进行学习实践，这种身临其境的教学方式，将抽象概念具体化，理论知识直观化。这种交互性强、能调动学生各种感官功能的沉浸式学习方式是对传统交通类高职院校教学方法的有效补充。

理论知识需要通过实践教学才能得以吸收和巩固。尤其对于高职教育而言，为培养技术过硬的工匠型高级技术人才，教学手段更要不断更新，突出实用功能。路面病害处治涉及各个基础环节的材料损耗，在实际操作中，其危险性高、操作复杂，尤其很多现场会发生的路面病害项目无法理想地挪移到教室进行教学。就高职路面养护教学而言，传统的教学方式已凸显出其实践环节的弊端，即便组织学生进行实习实践活动，也只能在短期内体验部分的操作环节，不能全面地训练路面病害处治技能。因此，亟需能将“学”和“做”自然衔接的一体化教学模式。虚拟仿真训练应运而生。

在路面养护的教学中，应用虚拟仿真技术可以让学生更好地学习相关专业知识和技能。如在路面裂缝病害处治教学中应用虚拟仿真技术，能做到逼真、直观、形象地还原整个工艺操作流程，同时保证实践过程中的安全性、交互性和有效性。在虚拟仿真技术的使用过程中，运用到了计算机图形学、人工智能、光电成像以及传感技术等。通过综合多种技术手段，虚拟仿真技术除了能营造出真实的三维路面裂缝病害场景外，对于设备结构和工艺流程，也能让学生清晰直观地体验到。同时，通过过程控制，学生在不断的仿真实习实训环节、接近真实的环境中可以反复通过操控界面对相关知识技能进行熟悉和适应，以达到巩固操作技术知识的目的。

高职院校的培养目标是打造工匠型高级技能型人才。除了理论知识和相关基础知识的铺垫外，尤其强调培养学生的实践能力和动手能力。对于路基路面病害处治而言，在课程实训环节利用虚拟仿真模拟实验，所有可能的相关操作均可在实验室预演排练完成。学生熟悉工艺流程和操作规范之后，再进入真实环境，其适应程度会大大提升。虚拟仿真技术的出现，为我国职业教育领域和相关突出技术化的专业教学注入强大的活力。这一技术不仅让学生直观地接收到了相关信息，更让教与学情景化、生动化，操作性能提升。

2 虚拟仿真的路面裂缝病害处治教学

2.1 虚拟仿真教学优势

路面养护是一种实践性强的专业技能，通常也会存在安全、时效和过程管理等方面的棘手问题。路面裂缝病害处治过程往往具有过程繁杂、设备庞大且工作场景具有危险等特点，学生不能亲身操作病害处治设备，也无法掌握完整的病害处治流程以及设备使用和处治要点等知识。一些教师在授课时往往通过各种常规手段，比如图文、视频等方式引导学生的实践认知环节，但收效甚微。学生对于设备使用和完整的病害处治流程等知识要点掌握依然不牢。

随着信息技术的高速发展和大数据支撑的网络技术的进步，计算机模拟仿真技术的强大基础和后盾已然形成。该技术的不断壮大，将日益推动相关产业和行业包括交通类道路病害处治教学的发展。

将虚拟仿真技术应用到实践教学中，最大的优势在于能打破各种常规限制，安全地呈现真实的现场环境。对于路面裂缝病害的现场模拟，能让学生近乎真实地加深对路面裂缝病害的认知，深刻认识裂缝病害处治方法和操作流程，在巩固了理论与实践知识之外，还能极大地激发学生的学习热情和主动积极性。同时，这一技术可以实现教学形式的最大灵活化。真实直观地认识实践裂缝、裂缝处治材料和设备，这些在传统课程教学中无法实现的环节，可以在虚拟仿真的病害处治系统中得以实现。虚拟仿真技术的应用可以实现自主学习和个性化的学习需求。比如，为方便学生深入学习不熟悉的知识点或操作程序，可以设置单项循环模式，强化学生的认知。对于不同裂缝病害处治场景或工艺流程，也可以依据不同学生的不同层次水平，进行科学合理的组装定制。

2.2 虚拟仿真教学应用实践

通过任务驱动的方式，对各类路面裂缝病害选择合理的处治方案，并掌握工艺流程、操作方法。教学内容由易到难、由单一到综合、由简单到复杂，反复训练病害识别和处治操作，逐步提高学生进行路面病害处治的能力。路面裂缝病害处治的虚拟仿真实训系统包括横向裂缝处治、纵向裂缝处治、龟裂处治、块状裂缝处治。学生可以登录系统平台完成各个裂缝病害处治内容的学习。整个教学活动中可以始终贯穿虚拟仿真技术，其主要由以下几部分构成。

2.2.1 教学准备

首先，在虚拟仿真实训前，需要必要的预习。学生将被分成小组，每个小组就是一个路面病害处治项目部，同学们需要分工协作，除了基础性的相关理论知识的学习之外，学生还需要对虚拟实践平台本身有所了解甚至熟悉。因此，对于道路病害的表现形式，以及其产生原因和后续处治方案等一系列相关知识和工艺流程，学生应该提前把握。关于这些内容，可以凭借以往传统的常规学习方式，通过图片、视频或网络资源进行预习完成。然后，学生需要在老师的引导之下，认识虚拟仿真平台，包括对于这一技术要有宏观了解，以及知道如何登陆、如何进行仿真模拟等。教师应针对学生的预习情况及时予以检查和反馈。

2.2.2 仿真操作讲解

对虚拟仿真系统的交互和VR设备操作进行讲解[3]，使学生能正确地操控。为了使教学能顺利进行，对支持虚拟仿真系统的计算机和软件进行运行检查。在对仿真教学有一定了解之后，指导老师需要根据仿真操作手册，向学生详细介绍该系统的界面结构、操作步骤以及考核程序。认识完系统之后，教师需要在学生自主预习相关理论知识的基础之上，借用仿真教学系统，对比介绍常规渠道的场景和仿真系统的区别，以此加深学生对于仿真教学系统的认知，保证操作规范。

2.2.3 发布仿真实训任务

依据路面养护岗位要求和相关技术规范的要求，将沥青路面裂缝病害处治任务分发给各个小组。每个项目小组接受任务后，需要运用前面预习的知识对裂缝病害进行分级，并依据分级来选择病害处治的方式。每个小组进入到虚拟仿真系统将会呈现路面裂缝的处治任务，小组学生依据路面裂缝的病害情况自主选择采用灌缝、贴缝和带状挖补这几种常用的路面裂缝处治方式来进行路面裂缝病害的处治操作。操作之前，每个小组组员都需要学习每种病害处治方式的操作步骤，重点熟悉处治方式的操作要点和注意事项。

2.2.4 仿真实训操作

教学中会涉及仿真实训过程管理和考核。采用分小组展开虚拟仿真教学的方式，各组之间对虚拟仿真实操完成效果进行评价，提高学生的参与感和竞争氛围感。对于指导教师而言，在明确了虚拟仿真训练的考核标准之后，需要进入软件后台进行考核管理规划，包括制定评分标准和细则。同时，针对仿真实训本身的灵活性，对于不同考核内容和侧重点，指导教师都要考虑进来，制定出考核标准。经过对于后台的设置，软件应能及时记录学生的操作痕迹和各项操作信息，并迅速生成量化考核表，考核表中包括成绩、失分点等信息，以方便后期教学管理。在进行仿真实训的过程中，会安排给学生一定的任务，这样带着目的和方向去操作会让学生印象更为深刻。在不同路面裂缝病害模拟的场景之下，学生通过前期的知识积累和教师的指导，能在安全环境中逼真地进行应对处理，从而锻炼了处理问题的能力。

2.2.5 教学总结

在一整套环节结束之后，有必要对仿真实训进行科学总结，以有效改进仿真实训的教学模式和实训方案。虚拟仿真教学将路面病害知识和实操结合起来，通过工作过程启发学生主动学习和思考，提升学生解决问题的能力，最终达到提高教学效果的目的。指导教师应引导学生对于全过程进行总结，并提出建议和不足。在此基础上，教师也应就学生的实习成绩和表现进行后期分析，评价实训效果，得出考核结论，以促进完善仿真教学实践。

2.3 路面裂缝病害虚拟仿真应用效果和不足

虚拟仿真技术给学生带来的非常有趣的学习方式，使得专业知识学习变得很有趣味性。学生能够在模拟真实路面裂缝病害场景的仿真技术引导下，强化裂缝病害相关专业知识，并能通过交互操作训练路面裂缝病害处治的操作技能，对不同裂缝病害处治方法的操作流程和操作要点进行深刻理解。路面裂缝病害虚拟仿真实训的教学系统可以很好地辅助理论课堂教学，可以达到理实一体化教学效果，真正做到“学训结合”。新的教学方法的应用促进了教学形式的改变，也改变了教师和学生在课堂上的身份，学生更像一名路面养护技术员，而教师则更多的是充当技术指导。教学中更好地实现了教师和学生的互动，增加了学生的学习动力，自主参与的模式也最大化地激发了学生的学习兴趣，使他们获取知识更加主动。并且，仿真模拟使得学生对知识的掌握更牢固，实操技能得到训练，对知识运用得更好。通过改变虚拟仿真训练场景内容，使得学生能正确运用不同的病害处治方法，并能掌握操作的关键流程，完成不同的处治操作，处理不同的病害情景。对病害识别、病害分析、病害处治的全部过程进行模拟，提升了学生对路面病害处治知识的掌握，将课本知识通过实践操作加以强化，激发了学生的学习兴趣。虚拟仿真技术改变了传统实训过程中只能依靠理论讲解、作业练习和问题考核这样的学习方式和低效的评价方式[4]，通过虚拟真实的路面病害场景和处治操作训练提高了学习参与度，并以交互互动的方式促进了学生自主学习、反馈学习，取得了很好的教学效果。虚拟仿真实训和理论学习过程在教学中相互融合、相互补充，极大地提高了教学质量。

虚拟仿真能够很好地模拟现场路面裂缝病害处治的工艺流程，但现有仿真技术还存在一些不足。如在操作上不具备真实设备带来的操作实感。通过头盔、手柄等电子设备的按键或触控板进行人机交互指令操作，与路面养护实际场景存在差距，没有真实养护病害处治中多感官冲击融合带来的现实感体验，实训会缺少真实操作中的变化。同时，仿真技术无法模拟路面裂缝病害处治实际中的操作细节，如裂缝在清扫前后的变化、检测裂缝宽度时的读数、混合料整平前后的变化、松散混合料碾压前后的密实变化等细节无法在虚拟仿真中完美体现。虚拟仿真的实践操作也无法体现出现实路面病害处治时的操作严肃性。

3 结语

虚拟仿真技术路面病害处治教学是基于信息技术打造出的虚拟学习环境，采用人机互动、虚实结合的模式进行教学。在仿真的虚拟场景之下，学生能轻松地浸润到工作环境中，体验操作流程，熟悉动作规范和各类技术指标。这种灵活生动的教学模式，给了学生更轻松又深刻的认知环境，同时，有力地激发了他们的实践能力和创新精神。随着新技术的更新发展，虚拟仿真技术教学也需要与时俱进，这要求将学校教学改革、软件公司技术支持和养护企业专业经验等有机融合在一起，共同协作，推进虚拟仿真技术更好地应用在路面养护专业教学中。