高职云端可视化实训教学模式的构建与探索——以《机电一体化技术》课程为例

梅文涛

(天津渤海职业技术学院，天津 300402)

一、引言

突如其来的新冠肺炎疫情让中国措手不及，随后的发展更是打乱了整个世界的秩序。疫情发展到如今，小范围、多点面、不确定的疫情让全国范围大中小学生的学习都在随时调整，线上线下学习的随时切换已经成为一种常态。对于高职院校而言，各个学校在进行线上线下教学切换的同时也开展了不同形式的线上教学方式方法的探索，以期能够实现高职院校高素质技术技能人才的培养目标，也进一步践行停课不停学的教学部署。但是高职院校的人才培养目标是高素质技术技能人才，因此实训课程在教学计划中占有非常大的比例，在线上线下随时切换的教学环境下如何实现停课不停学、如何有效落实实训课程的教学计划成为一个无法回避的问题，而且是较为关键的一个问题，这也是疫情期间决定高职教学质量的一项重要内容。各高职院校在疫情期间针对实训教学开展了多种形式的探索，并将之付诸教学实践，如信息化教学、虚拟仿真实训教学等，这些实训教学模式的探索从各个方面进一步夯实了前些年的理论探索并应用于实践，但是其弊端也逐渐暴露出来。

当前随着国内疫情形势进一步好转，部分省份的高职院校学生陆续返校学习，实训室的现场教学可以更加灵活。但是疫情的反复让相当多的学生并未能实现返校学习。如何更进一步改革高职院校实训教学模式，使学生能够在一定程度上进行真实的设备实训，而不仅仅是虚拟仿真，实现当前疫情下高职实训教学质量的进一步改善呢?针对这一诉求，本文提出并实践了一种高职远程可视化的实训教学模式，将其应用在机电一体化技术专业《机电一体化技术》课程的实训教学中，取得了良好的教学效果，并获得了学生的高度认可。

二、疫情期间高职实训教学模式分析

高职实训课程是为了实现培养目标中“技能”的掌握，以学生对技术知识的实践运用为主，不同于以技术知识为授课内容的专业基础课程，其教学模式中学生对技能的操作练习不可或缺。针对高职实训教学模式的探索在疫情前已经取得了较大的成果，不论德国的双元制还是美国的CBE(能力本位)均在国内进行过有益探索，并且提出了适合我国国情的工学结合、现代学徒制等教学模式，疫情期间，虚拟仿真的实训教学也蓬勃发展。

(一)信息化教学方式在高职实训教学中的探索

信息化实训教学是随着信息技术的快速发展，将图片、视频、动画等信息技术融入高职实训课程中，学生通过互联网等手段获取学习资源。这种教学模式刚好切合了当前疫情下学生无法在实训场所通过实训设备进行实训这一情况。而且这一教学模式可较为方便地获取学习资源，学生在课外也可以进行信息技术的学习和编辑，提高信息分析和处理能力。高职院校这些年建立的在线课程中有相当多的信息资源库，为这一模式的开展奠定了一定的基础。

相较于传统实训教学，信息化教学方式的教学改革增加了实训课程的信息化内容，借助于互联网实训平台、手机APP等，在一定程度上提高了学生的学习兴趣；但是相较于传统的实训场(区)的现场实训，无法真正实现以学生为中心、教学做合一。学生对真实的实训设备没有切身的体会，无法感知真实设备运行调试以及组装中的问题，其教学效果以及教学质量比之虚拟教学要更差一些，因此部分高职院校在信息化实训教学的基础上进一步进行了虚拟仿真的实训教学探索。

(二)虚拟仿真的实训教学

疫情发生前已经有相当多的高职院校建设并开展了一系列虚拟仿真、VR以及虚实一体的实训教学的探索，如邓岐杏提到的机床拆装实训的可视化虚拟实训，王欣羽提到的虚拟仿真工厂，笔者所在的学院也曾探究并践行过沉浸式虚拟现实技术应用于高职院校机械专业的部分课程实训教学的研究。疫情发生后，在教育部停课不停学的部署下，相当一部分高职院校建设的虚拟仿真资源实现了网络连接开放，供学生进行远程虚拟仿真实训，如天津渤海职业技术学院机电工程学院的《工程制图与CAD》课程的VR仿真资源，在学院的教学中起到了积极的作用。

但是基于虚拟技术，特别是沉浸式虚拟技术的特殊要求，这些技术很少能够脱开专用设备进行普及型、网络化、远程性的应用。而且因为模型构建、课程设计等问题，部分虚拟资源在应用时的“虚实不一”的问题也非常普遍，这使远程实训教学很难达到相应的教学质量要求。

(三)实训室现场教学

疫情的不确定性让教师在开展现场教学的同时必须花费更多的精力进行风险防控，教学开展的效果和质量在很大程度上大打折扣，而且因为是部分学生在校，教师在保证实训室现场教学的同时还要满足在线学生的实训教学效果，这极大地增加了教师在实训教学中的教学难度。

三、构建高职云端可视化实训教学模式

机电一体化技术专业作为学院双高计划专业群建设中的五大专业之一，如何创新实训教学模式以期实现人才培养体系的发展，特别是在当前疫情反复的情形下，这是专业建设研究的重点之一。本文探索高职实训教学中将人工智能技术中的视觉技术融入专业人才培养体系中，构建一种可视化的实训教学模式，作为机电一体化技术专业人才培养体系的补充或者作为其体系的一部分，这将在一定程度上满足当前高职实训教学的需求，为高职院校育人模式提供新思路与新视角。

(一)教学基本架构

云端可视化教学旨在探索一种基于真实设备的远程实训教学模式，是一种开放共享式的实训教学平台。在该模式下，学生借助于远程云端可视化设备，通过远程操作，控制真实设备完成实训项目，实现对现场设备的控制与调试任务。同时通过网络实时传输的实训室现场视频画面，观察实验设备的运行情况，判断设备运行是否达到任务要求。学生可在线实时调试，满足学生的多样化创新设计需求。教师可以通过现场和云端两种方式获得学生的实训过程和结果，实现实时指导，双向互动。图1是基于该模式的基本架构。

图1 远程可视化实训教学基本架构

(二)教学平台搭建——线上线下相结合的教学模式

为了满足云端可视化实训教学系统，实现线上线下教学相统一，遵循着实用、节俭、可控的原则，针对学院现有设备进行了改造，搭建完成了云端可视化教学平台，满足了教学要求。

首先，将现有《机电一体化技术》课程所使用的设备在现有条件下安全可靠地接入到互联网中。在这一过程中，为了实现线上学生的程序调试，将现有生产线实训设备的控制单元通过通信设备接入互联网。

其次，为实现线上学生的可视化，在生产线设备现场接入多个高清摄像头及无线语音设备，满足线上学生的视频以及语音信息采集与通信需求。线上学生可通过摄像头观看设备运行状态，并且可以与教师或者现场同学进行交流。

最后，在教学过程中，为了加强学生团队合作以及工程实践理念，将现场同学和线上学生相结合来完成设备调试。借助于线上线下混合式教学方式，在完成教学任务的同时，唤起学生对生产实际项目的认知，在掌握专业知识与技能的同时，培养学生踏实肯干的劳动精神、爱岗敬业的职业精神、精益求精的工匠精神。

(三)实训模式教学验证

依据《机电一体化技术》课程标准，按照技能大赛要求，结合1+X《工业机器人应用编程》职业技能等级证书相关内容，对课程教学内容进行整合，借助于本次实训教学模式，增加了新知识新技术，强化安全操作、规范操作意识，注重学生工程实践能力和工匠精神的培养。同时，在线上线下混合式教学过程中有效融入思政元素，提高学生人文素养。借助于本次教学模式的探索，解决了学生学习目的不明确、学习兴趣不高等问题，取得了较好的成效，有效提高了学生学习积极性，践行了三全育人的教学理念。本次课程的教学设计为《项目四 分拣入库项目》中的《任务二 分拣站的程序调试》。教学流程设计如下：

1.实训场景搭建：按照要求搭建了本次教学的实训场景及线下和线上实训平台，线下学生在实训室内可进行设备程序的编写与调试；线上同学既可以通过自己的电脑进行程序的编写也可通过远程控制利用实训室电脑进行程序的编写调试，实训室内借助多角度摄像头既可以观看到教师的实时讲解也可以观看设备的运行状态，同时与现场同学进行交流。

2.教学开展：教师针对学情分析，根据情况开展教学，探索在不同的教学资源条件下借用不同的教学模式进行教学。在程序调试环节，教师借助于搭建的云端可视化教学平台开展实训教学，线上同学可以通过远程控制进行现场设备的调试，并与现场同学组队进行程序调试的交流，不但实现了线上线下的同步进行，还将有效解决了线上同学无法控制设备不能有效开展实训的教学难点问题，实现前文所提到的高职教育的本质技术技能的提升。在实训教学过程中还进一步融入了工程概念，远程调试已经是工程实践中较为成熟的应用手段之一，将工程项目相关内容有机地融入专业学习与操作训练之中，培养学生工程实践意识。本次的云端可视化教学主要针对的是学生的程序练习和调试过程。在课程资源建设中可以借助于已有资源，不需要重新建设专有资源，降低了教师的教学难度，提升了教学质量。

3.教学评价：本次教学过程的同步实施将有利于实现教学评价的公平开展，也有利于教学评价的全过程的一致性。特别是借助于云平台的构建，较大地促进了线上学生的学习机积极性，同时线下线上教学相结合也在一定程度上促进了学生的团队合作意识，从另一个角度促成了学生素养的提升。

四、应用意义与不足

不论是当前疫情下的实训教学开展，还是针对将来线上线下教学模式的长期发展，云端可视化实训教学模式都是未来高职实训教学长期存在的一种教学方式，特别是伴随着国家百万扩招计划的开展，线上教学必将是一种大的趋势。但是如何有效地开展并取得相应的实训教学效果和教学质量必将是高职院校面临的重大教学改革内容。结合本次对实训教学模式的探索，总结如下：

(一)教学模式的实用性

在本次教学探索中，没有采用昂贵的专用设备，而是借助于现有的设备，通过软件系统的控制实现了线上线下同步交流以及学生对设备的可操控性、可交流性、可视性，让线上的同学真实地体验实训过程。同时将线上线下的学生组队训练，既锻炼了学生的团队合作意识又实现了工程理念的教学应用。

(二)课程资源的通用性

教师针对学情分析，探索在不同的教学资源借用不同的教学模式进行教学。在课程资源建设中可以借助于已有资源，不需要重新建设专有资源。

(三)教学的可拓展性

云端可视化实训教学模式可进一步拓展，通过专有实训设备、实训场景、实训内容进行拓展和建设，搭建专有实训控制软件可以实现专有化的实训记录和实训控制；云端可视化实训教学模式可与其他模式相结合拓展新的教学内容和教学模式，如结合虚拟仿真技术可实现机械拆装的线上教学。

(四)不足之处

高职实训教学内容丰富，仅就机电一体化技术专业而言，在钳工实训、车工实训、铆焊金工实训、机械拆装实训这些方面，不论是虚拟实训方式、信息化教学方式抑或是本文构建的实训教学模式都无法与学生的现场实训和实际动手实训相媲美。

五、结语

基于远程可控软件建立的云端可视化实训教学在《机电一体化技术》课程中的实践旨在探索一种基于真实设备的远程实训教学模式，是一种开放共享式的实训教学平台。学生不仅可以通过网络技术实现远程实训操作，而且是控制真实设备完成实训项目，实时观察设备运行情况。该实训教学模式实现了当前后疫情时代高职院校培养与提升高职院校学生的职业技能的关键，破解人才培养中学时压缩和知识面扩展之间的矛盾，让学生能够进行线上的真实设备实训，实现疫情下高职实训教学质量的进一步改善。同时又具有较大的拓展空间，可进一步建设和发挥技术在教学实践中的作用，实现技术在教学环节的深度交互融合。