虚拟仿真技术在高职院校实训平台应用探索研究——以铁道工程技术专业为例

张晋云

(广州铁路职业技术学院,广东广州，510000)

0 引言

高等职业教育的培养目标是培养高素质的技能型人才，主要强调知识的实践应用，专业课程实训教学质量的高低，在很大程度上决定了人才培养的质量。虚拟仿真教学技术是以现实为基础创设虚拟环境，借助现代化传感装置，让体验者在虚拟和现实的交互中获得真实环境的感受和体验。在“双一流”和“新工科”建设背景下，建设能够满足专业需求的虚拟仿真技术实训平台，就显得尤为重要。

1 虚拟仿真技术在铁道工程技术专业的应用

1.1 虚拟仿真技术实训平台对于铁道工程技术专业实训教学的优势

铁道工程技术专业紧贴铁路行业，主要培养掌握铁路线路工程专业技能，能从事高速线、桥隧工程的施工、维护保养工作的高素质高技术人才。专业核心课程和实际紧密联系，传统的课程实训教学平台已经不能满足专业人才培养的需求。建设虚拟仿真实训教学平台，实现虚拟、理论和实际相结合的教学，可以解决很多问题：实训仪器数量不足的培训难问题，实训过程的安全性问题，实训设备操作的标准化问题，学生学习的积极性问题等〔1〕。平台为学生创建了一个功能和谐的教学环境，使得教学效果最大化和最优化，促进了专业的可持续发展。

（1）构建了虚拟仿真实践教学的“理、虚、实”一体化新模式。传统实训中，既耗时又耗力，同时又受到实训课时、地点和天气的限制，尤其新冠疫情也对实训造成了很大影响，学生无法实训或多次练习。而虚拟仿真技术平台的建立，借助虚拟技术，合理选择教学内容，将抽象的问题具体化，学生可以突破时空场景反复电脑操作练习，从而掌握测量仪器的操作和铁路工务作业的标准化流程，是线下实训教学的有效补充，达到了理论知识和实践技能水平一体化提升的目标〔2〕。

（2）培养了学生自主学习的能力和学习兴趣。借助虚拟仿真教学，可以提高课堂的教学效果和教学效率，教师操作演示虚拟仿真教学软件相关动画过程，比传统课堂的图片、文字和视频更生动直观，学生通过操作仿真教学动画软件，自主完成知识点的学习和理解，甚至可以自主选择适合自己的学习资源和学习进度，提高了学生的求知意识和学习效率。

比如以施工现场布置为例，传统的教学，教师会引用工程案例将现场布置中涉及的规范一一列举，注意事项多，学生接受程度较差，在引入虚拟仿真技术的三维场布软件后，项目源自真实的施工案例，学生可以依据施工工程所处的位置、道路环境和其他因素，借助软件中的各种施工现场的模型，如建筑物、道路、临时设施等，对施工现场进行搭建和布置，整个过程就是学习施工现场规范的过程，学生可以反复操作试验和各种布置，来验证对知识信息的理解是否正确，从而大大提高了学习的参与度与主动性，学生对授课的满意度也大大提高〔3〕。

（3）加强了学生动手能力和创新能力的培养

传统的实验实训教学过程中，内容比较单一，学生只需要按步骤完成任务，在虚拟仿真技术条件下，各种实训内容可以灵活调整，学生可以根据实验实训要求，独立设计各种施工组织方案，检测分析结果，不仅锻炼了学生的动手能力，更锻炼了独立思考和创新的能力。

（4）建立了校企合作的人才培养新模式

虚拟仿真实训平台建立了校企合作的新模式, 企业可以将市场中最新的虚拟仿真实训项目带入校园，学生可以在智慧教室内完成多元化的实践操作任务，为专业教学内容开拓了思路，提高了教学的综合质量。同时学校的专业机房也可以为企业提供了一个技能培养和技术服务的实训平台。2020年12月29日，由全国铁道职业教育教学指导委员会主办，南方高铁协办的首届全国职业学校“南方高铁杯”铁路工务工程作业虚拟仿真技能竞赛，通过让老师对于铁路工务具体操作虚拟仿真软件的熟悉，感受线上的虚拟仿真竞赛，能够更好地将虚拟仿真平台和教学相结合。

（5）降低了实训成本，提高了实训过程的安全性

在实训教学中，许多昂贵的轨道和测量实训设备，由于受价格限制和采购成本而无法普及使用，一些设备的后期使用和维护成本也比较高；另外学校的场地有限，不能完全照搬真实的场景设置来实训教学，现有的企业实训基地也不能完全满足实训需求。而虚拟仿真软件可以让学生身临其境地操作，这种实训既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，降低了学校购买实训设备的成本费用。虚拟实训教学还有一大优点就是安全性，不会因操作失误或现场环境造成设备和人身事故，比如一次测量实训中，学生不小心掉落了全站仪，导致损毁严重。在施工组织管理实训教学中，有些实训内容需要学生去施工现场实地观摩学习，由于现场各种复杂的环境因素，会给学生的人身安全带来一定的威胁，如果采用虚拟仿真技术，学生可以置身于室内，不受场地的安全因素限制，也可以达到学习的目的。

1.2 虚拟仿真实训平台的构建

（1）虚拟仿真课程实训内容体系

通过对铁道工程技术专业的核心课程进行调研分析，根据课程的实训要求，以“虚实结合，以虚补实”为原则，确定需要进行虚拟仿真的模块和使用的虚拟仿真技术类型，见表1。

表1 铁道工程技术专业虚拟仿真实训平台体系

（2）虚拟仿真平台结构

虚拟仿真平台结构是通过打破传统教室结构，建立新型现代化的虚拟仿真智慧教室，借助软硬件平台为师生提供内容丰富的虚拟仿真教学资源数据包，智慧教室可以满足测绘虚拟仿真实训、施工组织虚拟仿真实训、铁路轨道施工与维护等专业核心课程的实训要求。

目前应用在教学中的虚拟仿真实训平台主要是由南方测绘开发的智能化实验教学系统：水准测量虚拟仿真实训系统、数字测图仿真实训系统、铁路工务标准化作业仿真系统和高速铁路精测三维仿真系统。

高铁精调作业总共分了26个作业步骤，设计了42个考核点，主要包含了MEASLLEY小车上道组装、架设全站仪、安插棱镜、全站仪设站过程、小车校核和数据采集、导出等六大模块，设计了5大精测场景。平台包括了学习模式、练习模式、考试模式和比赛模式，学生通过平台实训，可以掌握精测标准化作业流程，先做哪一步，再做哪一步，每一步在什么位置进行相应的操作，学生实训可以由浅入深，最终完全熟练掌握操作流程。

图1 高速铁路精测三维仿真平台练习模式图

工务标准化作业虚拟仿真平台包含了钢轨端轨应急处置流程、钢轨打磨作业、更换钢轨夹板教学、单开道岔检查、钢轨铝热焊接作业等八项作业，也设置了学练考模式，在学习模式，以每一步的动画语音教学，告诉学生这些作业有哪些作业步骤，使用什么工具，在什么位置进行相应的操作，达到怎样的技术标准。

图2 铁路工务标准化作业三维仿真培训系统

2 虚拟仿真技术实训教学不足和展望

2.1 存在的不足

虚拟仿真技术实训平台在具体的应用过程中也存在一些不足：第一，虚拟仿真技术虽然能够实现专业课程的很多实训项目，但是建设成本很高，比如模拟仿真全站仪测量各种不同地形，成本需要200多万，同时随着新技术、新工艺的不断发展，虚拟仿真实训内容也会随之升级改造，后期的维护、更新换代需要持续的成本投入。第二，目前用于实际教学中的仿真教学软件还远远不能满足需求，很多课程实训项目的虚拟仿真软件还有待开发；现有虚拟仿真教学系统方面，需要在功能设置、细节方面也有待改进，以提升用户体验度。第三，虚拟仿真实训课程虽然规避了施工现场的安全风险，但是也弱化了安全教育，比如虚拟的施工现场，学生置身于室内操作，忽略了很多安全因素，因此需要把虚拟仿真实训和线下实训有机结合，才能培养学生既掌握课程知识，又要树立职业安全意识〔4〕。

图3 钢轨端轨应急处置流程截图

2.2 展望

虚拟仿真技术在高职教育实训教学方面的应用完善了铁道工程技术专业的实训体系，帮助学生在实训中把理论知识转化为实践技能，提高了学生学习的参与度与主动性，提升了学习效果和课堂质量。在“双一流”、“新工科”建设背景下和后疫情时代，需要有效结合轨道行业新技术和实际应用，更深层次地研究铁道工程专业课程的教学体系设计、实践环节、实践场地建设和实训方式，提出更为可行的方案，合理设计虚拟仿真教学内容，并在教学实验中逐步应用、改进和完善。同时应从共建共享出发，降低成本，培养出具备实践创新能力的轨道行业高素质高技能复合型人才，平台的建设任重而道远。