试论高职铁工专业群虚拟仿真实训体系的构建

袁媛 王大帅

摘 要：虚拟仿真技术是破解铁道工程技术专业群实践教学难题的重要途径。本研究通过重点分析实践教学中存在的问题，提出构建虚拟仿真实践教学体系应当遵循的三个原则，并从教学体系、教学平台、教学模式三个方面提出建设举措，为相关专业开发和使用虚拟仿真实践教学系统提供有益参考。

关键词：铁道工程技术专业群;虚拟仿真;实践教学

习近平总书记在致国际教育信息化大会的贺信中强调，要因应信息技术的发展，推动教育变革和创新，构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系。利用现代信息技术推动人才培养模式改革，满足学生的多样化学习需求，大力推进“互联网+”“智能+”教育新形态，是推动教育教学改革创新的重要途径。培养高素质技术技能人才是高职教育的根本目标，虚拟仿真技术作为信息技术和教育教学相融合的重要载体，在实践操作要求较高的高职专业中优势显著，颇受重视。2020年9月，教育部等九部门共同印发了《职业教育提质培优行动计划》，提出要遴选100个左右示范性虚拟仿真实训基地。2020年9月，教育部职业教育与成人教育司下发了《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设的通知》，进一步引领和推动了虚拟仿真实训教学的发展。

铁道工程技术专业群是支撑我国高铁产业建设及运营维护的重要人才供给端。铁路的特殊性质决定了其对安全性有着极高的要求，因此铁道工程技术专业群现场实习准入门槛很高，专业实践教学难以与实际生产“零距离”对接，而引入虚拟仿真技术是破解这一难题的重要途径。

一、铁道工程技术专业群实践教学中存在的问题

铁道工程技术专业群实践教学以铁路大型基础设施为学习对象，主要采用“校内实训+校外顶岗”的形式。与其他专业相比，铁道工程技术专业群实践教学过程中的“三高”（高难度、高危险、高成本）与“四难”（难看到、难动作、难进入、难再现）问题更为突出，其实践训练与生产一线脱节，教学效果大打折扣。具体问题包括三个方面：

（一）实践教学模式单一且内容受限

铁道工程项目具有体量大、工期长、技术复杂、隐蔽工程多等特点。校内实践基地或是只还原固定节点，无法实现生产全过程训练;或是限于场地和施工工艺水平，将实训场地模型化、简配化，实践教学过程中仍以讲解、参观和体验为主，模式较为单一。许多综合性实训项目受时间、空间和设备的限制无法开展，比如既有道岔的换铺，要求在规定时间内（仅3个小时）完成，需要工务、电务、通信等多个生产部门协调作业，近百人、几十台设备同时在有限的场地内有序施工，涉及的工艺十分复杂，组织难度很大，在实践教学中基本不可能开展。没有实地实践，学生对作业环境的紧张感、施工过程的复杂性就没有直观感受，对所涉及的专业知识和技能的理解和掌握也十分有限。

（二）实习硬件资源欠缺且成本高昂

铁道工程技术专业群主要培养铁路工务一线岗位作业人员，对铁路工务设备的检查、维修和养护是这些一线岗位作业人员的核心工作内容。由于铁路运营的安全要求十分严格，铁路生产现场禁止实习学生进入。尽管校内实训基地可以购置、建造部分工务设施，但所需空间非常大，经济成本非常高，铁道运维过程中的轨道病害、多专业联合的复杂作业环境在校内实训基地中也无法呈现。此外，校内实训基地一旦建好则难以更换或升级，许多工程实践中的新技术、新工艺、新材料等产业先进元素无法同步更新，导致实践教学内容受限，不断拉大与生产一线的差距。

（三）专业技能训练存在较大安全风险

铁道工程技术专业群实践技能的训练内容涉及物理、化学、材料等多个学科，牵涉到重物、水、电、燃油等多个危险源。而开展相关实践教学，必定给实训室的安全管理和实训过程中的设备安全操作带来严峻挑战。例如钢轨的铝热焊接，其是《铁路特有工种技能培训规范》要求必备的技能，需要用到铝热焊剂、乙炔气体等危险物，需要经历高温燃烧、处理熔渣等危险环节;再如钢轨的换轨作业、机械捣固作业，实践操作过程中曾多次发生硬物、重物挤伤压伤事故，许多学校迫于无奈基本都已停止此类技能的实操训练。

二、融合虚拟仿真技术的实践教学体系的构建原则

（一）内容上基于生产与教学对接的融合性原则

铁道工程技术专业群实训教学的目的不仅是让学生掌握正常情况下完成工作任务所需要的操作和流程，还要让学生掌握非正常情况下病害问题的预防和处理，理解原理、掌握理论知识，因此仅仅根据生产项目作业指导书来设计实训项目是不够的。铁道工程技术专业群实训教学要结合典型工作任务、岗位技能要求，对标知识目标、素质目标和能力目标设计虚拟仿真实训项目的内容;要基于高职铁道工程技术专业群学生的基本学情合理化改进作业流程，突出培养训练过程中的重点难点;要构建生产与教学有效结合的立体化教学情境，达到岗位操作技能与职业能力的协同培养。

（二）结构上基于虚拟与实操结合的互补性原则

虚拟仿真技术固然有其优势，但目前应用到教学中也存在着一些问题。例如基于软件平台适应性考量的关卡模式，其对生产环节进行的游戏化改造，使学生过度沉浸于通关和游戏程序而忽略了实训本身的原理和技能要求。因此，实训项目在设计虚拟仿真实训体系的结构时，要以项目的实际生产过程为基础做减法，减去能实际操作训练、手工计算、电子绘图或质量检核的环节，将难以实现的现场环境、抽象枯燥的流程以及复杂的操作具象化，对虚实两种环节进行互补设计，构成各自相对独立又有机结合的结构。同时在教学实施过程中，教师要重点强调原理、知识和操作注意事项，防止片面追求软件操作效果，弱化教师的教学主体作用。

（三）机制上基于教学内容与新技术匹配的动态调整原则

隨着智能时代的到来，铁道工程产业中的一体化智能建造技术、运维技术信息化不断升级，产业链、创新链和人才链不断变革与发展，这也给铁道工程技术专业群人才培养带来了新的机遇和挑战。例如正在全路实施的“工电供一体化”作业，其作业过程中传统的拉尺子手工检测已被仪器自动化检测取代，捣固、换轨等人工作业逐步进入机械化模式。因此，铁道工程技术专业群实践课程不仅要对传统的课程内容、教学模式进行改革，积极融入产业先进元素，还要建立紧密对接产业新技术的动态调整机制，做到基本适应产业的人才培养需求，甚至向适度超前跨越。

三、虚拟仿真教学体系的建设举措

（一）探索重构基于职业成长的实践教学体系

目前，铁道工程技术专业群的实训体系主要基于职业活动的过程模式，强调以工作逻辑为课程内容的组织方式，存在着理论基础相对薄弱、课程体系和结构缺乏统一标准等问题。基于职业成长和发展的课程体系符合人才成长规律，有利于培养学生的心智技能、策略能力、迁移能力和可持续发展能力。2019年，国铁集团发文要求铁路局集团公司与合作院校对所有招聘学生实施“2+1”定向培养，即在校期间完成2年学历教育与1年岗前培训，旨在推动落实学历教育与岗位培训有效结合，培养产业急需的高素质技术技能人才。随着产业快速发展，处于人才需求侧的铁道工程用人单位对专业人才的要求有了重大变化，这也倒逼处于人才供给侧的高职院校必须通过改革人才培养体系来加以适应。企业中的岗位培训是以初级工、中级工、高级工、技师等岗位资格进行划分的，而学历教育的课程体系则是以公共基础课、专业基础课、专业核心课、专业拓展课进行划分的。因此，在育训结合导向下，基于职业成长的需求对课程体系进行重构是两者较好的结合点。院校应当通过总结毕业生由新手到骨干的成长过程，分析对应的典型岗位、职位和职务，将其划分为新手阶段、胜任阶段、熟练阶段，提炼职业知识与技能、方法与能力、职业素养等要求，遵循职业能力发展规律，按照从基础到综合、从单一到复杂的原则，设计学习训练项目，重构基于职业成长的实训教学体系。

（二）因“课”制宜打造虚拟仿真实践教学平台

在重构实践教学体系的基础上构建仿真实践教学平台，核心目的是通过平臺实现三个“贯通”，即贯通教学过程与生产过程、贯通理论教学和实践教学、贯通复杂环节与单项环节。针对铁道工程技术专业群实践教学中难以实现的复杂结构、复杂技术等，院校应开发设计专业程度高、人机交互深的虚拟仿真实训系统，形成一套覆盖工程关键节点的整体解决方案，实现施工场景复原、伤损病害随机组建、训练结果自动化考核等功能，打通工程现场与教学现场的壁垒。为此，院校要深入对接产业，从职业成长中核心能力的升级跃迁出发，依托铁道工程技术专业群课程体系，系统设计仿真软件资源框架，做到逻辑清晰、主线明确、覆盖广泛;要按照基础课程、专业课程、能力提升课程的层次结构，依据课程的性质和特点，选用多种信息化平台，包括在线课程平台、VR平台、PC平台、移动平台等，因“课”制宜地开发不同的虚拟资源;要基于育训结合寻找共同利益点，校企合作共同组建优质研发团队。平台的内容和结构鼓励自主开发，发挥双方优势使生产过程与教学过程紧密对接;要预留仿真软件的动态调整渠道。因为规范标准和技术应用会有升级或变动，所以实验实训内容要有升级和调整的通道，比如在合同中规定后续服务年限，并且在开发过程中采用可兼容和开源的软硬件设备和平台，以便后期进行二次开发。

（三）运用信息技术打造“地网合一”的实践教学模式

充分应用互联网教学平台、云技术、VR技术等信息工具，赋能升级传统教学模式，使仿真教学与实践教学相结合、基地训练与在线学习相结合，打破传统实践教学在时间和空间上的局限。改造过的弃用铁路轨道、桥隧等工程设施以及大量流动性顶岗实习基地，对于教学单位来说都是优质的实训资源。充分运用信息技术，使校内实训基地、校外足尺寸或原型实训基地、企业顶岗实训基地之间实现互联互通，探索校企交互式远程教学模式，可以打造出互联网教学课堂、无线互动课堂、VR虚拟课堂等多种形式的“强交互、高智能”的智慧课堂。在技术技能的学习训练中，学生以线路工、桥隧工等典型岗位的身份进行模拟作业。训练过程严格依照标准化作业流程要求，履行运统46登记、入网三清点一确认、出网检查确认等企业安全和管理程序，同时，教学应当融入铁路严谨务实的职业素养培育。对于难以开展实践的难点和重点内容，学生结合虚拟仿真实训系统，通过人机交互、VR虚拟仿真的形式，沉浸式参与工程施工和养护过程，掌握岗位所需的知识和技能，系统后台实现数据记录、报表生成、自动化考核评分等操作。教学活动中，教师应当充分发挥主体作用，更好地利用信息化教学资源和线上教学平台，实施线上线下混合式教学;学生可通过手机、个人电脑等工具在线学习实践教学的各类资源，通过多平台的综合运用共同打造泛在化的智慧学习环境，促进教与学模式的变革。

虚拟仿真技术不仅是教授知识内容的新手段和新模式，也是有利于教学交流的新平台和新载体，应用于高职教学领域大有可为，可赋能传统教学尤其是专业实践教学，为培养产业急需的技术技能人才发挥积极作用。铁道工程技术专业群对虚拟仿真教学资源需求很大，而相关的虚拟仿真实训基地的建设还处于起步阶段，在开发设计过程中缺乏统一布局，标准性和规范性也有待加强，在应用过程中仍存在一些问题，包括虚实未能有效结合导致教学内容割裂，软件泛游戏化导致学习偏离预期目标，教师主体作用未能充分发挥导致教学效果不理想等。如何解决建设和应用中存在的问题，更好地发挥虚拟仿真技术的优势，打造对接产业、虚实结合的实践教学体系，仍需要教育、开发、应用等多方共同努力。

参考文献：

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[2]谢琪，丁金昌.基于“双高”建设的高职教育校企“双元”育人体系构建[J].教育与职业，2019（24）.

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[5]刘海峰，庞在祥，王晓东，等.新工科背景下智能制造虚拟仿真实训教学平台建设与应用[J].实验技术与管理，2020（10）.

责编：文 墨

基金项目：河南省教育科学“十四五”规划2021年度一般课题“高职轨道类专业群‘育训结合人才培养模式研究”（编号：2021YB0616）

作者简介：袁媛（1980— ），女，郑州铁路职业技术学院副教授，研究方向为铁道工程技术;王大帅（1985— ），男，郑州铁路职业技术学院讲师，研究方向为铁道工程技术。