高铁智慧建造虚拟仿真实训基地建设及应用研究

杨勃 刘明学 夏雪刚

［摘           要］  随着高铁智慧建造行业的迅速发展，企业急需大量的高素质、高技能人才，这对学校的职业教育和企业的员工培训提出更高的要求。传统的实训条件不能完全满足企业对人才岗位的要求，并且各专业实训室建设局限于本专业课程的实训需求，为了进一步促进虚拟仿真实训“虚实结合，先虚后实”模式的衔接，开发职业院校集教学、科研、培训等多功能于一体的虚拟仿真实训基地，提升虚拟仿真实训基地建设的支撑力度。所以，分别从基地建设、团队建设、教学资源应用等方面对虚拟仿真实践教学开展研究，分析存在的问题和解决的办法。同时为其他仿真实训基地建设和应用提供一定的借鉴和示范作用。

［关    键   词］  虚拟仿真；高铁智慧建造；实训基地

［中图分类号］  G717                   ［文献标志码］  A                 ［文章编号］  2096-0603（2023）18-0117-04

从2013年开始，各本科院校开展了虚拟仿真实验教学中心建设，而高职院校伴随2015年《高等职业教育创新发展行动计划（2015—2018年）》的出台，正式开启虚拟仿真实训中心建设。但在2019年的成果认定中，整体成果却不甚理想，仅有46项获得国家级认定，其中主要原因仍然在于项目建设偏重于硬件环境，缺乏专业内容支撑，资源不足、软硬件不匹配、开发共享不足等问题凸显，导致虚拟仿真实训中心缺乏实用性，无法真正起到仿真实训的作用[1]，所以需要系统性、实用性、开放性更高的虚拟仿真平台。目前，在医学和机械领域对虚拟仿真资源的开发比较丰富，在高铁建设领域比较匮乏，需要针对性地开发虚拟仿真资源。另外，关于虚实结合的教学组织方法和教学标准的研究目前还不够深入。随着我国高铁智慧建造行业的迅速发展，企业急需大量的高素质、高技能人才，这对学校的职业教育和企业的员工培训提出更高的要求[2]。

一、建设的目标

从高铁智慧建造的发展需求出发，急需涵盖高铁建设行业多专业、多工种的综合性实训平台，急需基于科学的职业教育理念和先进的虚拟仿真技术建设的虚拟仿真实训基地，可实现理论教学与实践教学有机高效结合，可为提升学生和企业员工的实际作业能力提供极佳的训练平台。解决高铁智慧建造相关专业实训中的“三高三难”问题，服务新时代技术技能人才培养、服务“双师型”教师队伍建设、服务企业员工和各类人员就业培训、服务区域经济转型升级和乡村振兴、服务行业企业技術创新、服务“一带一路”沿线国家和地区发展，发挥示范、引领、辐射、带动作用，为推动现代职业教育高质量发展增效赋能。

二、技术路线

按照“PDCA循环原理”采用计划—实施—检查—纠偏的总体方针开展研究活动。遵循“企业调研—研讨—分析（典型任务需求）—总结（行动领域）—实践—（教学实施优化）提升”的科学研究路线。制订计划，通过调研，切实掌握虚拟仿真实训基地建设标准和应用指标体系，研讨分析构建虚拟仿真实践教学体系和专业人才培养教学标准。制订实施方案，在高速铁路工程技术专业、道路与桥梁工程技术专业三年制进行试点，教学过程中逐步建立和完善虚拟仿真实训基地建设方案，优化虚拟仿真实践教学体系和教学标准，建立共建共享机制，开发相应的仿真资源，分析探讨虚实结合的教学方法，系统总结建设经验，不断进行优化和完善。最后，形成与专业教学相适应的教学组织模式和开发共享的机制。

三、研究思路

（一）系统设计、分步实施，突破实践教学重点

采用“企业调研→岗位分析→实训教学课程体系构建→虚拟仿真平台开发→教学资源开发→动态更新”的建设路径，深入36家高铁建设企业，围绕“工作岗位—职业角色—典型行动场—典型工作环节—职业要求”开展调研，确定高速铁路施工员、检测员、测量员、安全员4个关键岗位的典型工作任务等。对接岗位人才培养培训需求，围绕高速铁路线路、桥梁、隧道、站场智慧建造工法等高铁专业群实践教学重点，整体规划，保持虚拟仿真实训教学资源与行业主流技术同步，创造具有超前性、先导性和示范性的泛在智慧学习环境。采取突出重点、合理配置、注重效益、逐步到位的工作方法，坚持边建设、边应用、边完善、边推广，建成高速铁路智慧建造虚拟仿真实训基地。

（二）虚实结合、双线融合，化解实践教学难点

针对传统实训基地建设高投入、高难度、高风险、难实施、难观摩、难再现的“三高三难”问题，以3R（VR/AR/MR）、5G、物联网、云计算、BIM等前沿信息技术为依托，以真实的高速铁路工程项目为载体，以线路、桥梁、隧道、站场四大工程结构智慧建造施工工艺为主线，开发高水平、信息化实践教学资源。坚持以实带虚、以虚助实、虚实结合的原则，将虚拟仿真操作与真实的实训设施、设备操作相结合，对已建成的高铁线路、桥梁、隧道、站场4个实体实训基地进行信息化教学资源加载和扩充，升级高铁桥梁、隧道、站场、检测4个虚拟仿真实训系统，开发高铁线路、安全、无人机低空摄影测量等5个虚拟仿真实训系统。打造“线上+线下+职场化”智慧实训课堂，推动实践教学课堂革命，有效解决因环境、设备等条件不足带来的无法直观教学等教学难题。

（三）科技引领、持续更新，直击实践教学盲点

以机制创新为动力，以真实项目为牵引，以共建共享为纽带，联合中铁一局集团有限公司、中铁北京工程局集团有限公司等高铁建设行业一流企业，打造高速铁路智慧建造虚拟仿真实训基地共建共享联盟。深化产教融合，建立定期更新机制，保证实践教学内容迭代频、技术融入快、呈现形式新。以AR、VR、MR等虚拟科技为引领，依托交互桌面、动作捕捉等多种虚拟现实设备等创新实践教学模式，打造高度真实沉浸的显示环境，实现多维仿真和真实场景模拟，如通过操作虚拟人物，实现在虚拟施工场景中的人机交互教学和漫游体验，直击高铁轨道智能铺架、隧道盾构法自动掘进等无法在校内课堂真实呈现的实践教学盲点。

（四）需求导向、育训结合，打造实践教学亮点

以服务新基建的城际高速铁路和城市轨道交通领域人才需求为导向，以高铁智慧建造复合型技术技能人才培养需求为目标，以立德树人为根本，以整体提升学生高速铁路智慧建造职业能力和职业素养为核心，坚持育训结合，实现虚拟仿真实训教学资源与理论教学有机衔接，形成虚拟仿真实训教学指导方案。对接高速铁路施工员、检测员、测量员、安全员4个关键岗位能力要求，融入“质量、安全、规矩、吃苦、坚守、奉献”6项铁路企业岗位群特质要求，全面提升人才培养能力和服务发展水平。借助虚实结合的高速铁路智慧建造虚拟仿真实训基地搭建技术技能创新平台，开展企业技术服务。主动对接中国高铁“走出去”，开发高速铁路智慧建造虚拟仿真实训双语系统和优质实践教学资源，开展国外本土化人才培训，输出中国资源、中国标准。

四、建设的内容

（一）研创一流的高铁智慧建造虚拟仿真实训基地建设方案

校企合作研创高职虚拟仿真实训基地建设方案，构建 “1+4+9” 虚拟仿真实训基地架构，即新建1个虚拟仿真实训基地管控中心，虚拟仿真实训基地管控中心由统一指挥中心、智能管理系统、云共享平台三部分组成。实现虚拟仿真实训室的动态管理和过程监控，提高实训基地与实践教学的管理水平；实现虚拟仿真实训资源统一管理和校内外共享，提高实践资源使用效率。建设4类虚拟仿真实训场所，包括新建基于3R技术的高速铁路智慧建造技能训练和技术创新工坊，新建实景体验类施工安全应急演练馆，升级全真实体类实训基地虚拟仿真功能；升级PC端类的工程仿真实训室；升级和开发高铁线路、高铁桥梁、高铁隧道、高铁站场、智慧检测、工程施工安全应急演练、无人机低空摄影测量、高铁智慧建造工地空中对接、高铁智慧建造仿真训练双语系统9个虚拟仿真实训系统。以高速铁路工程真实项目为依托，以高速铁路施工员、检测员、测量员、安全员4个关键岗位工作过程为主线，对接岗位标准，融入相关职业技能等级证书考核标准，聚焦“教、学、做、评、创”五大功能，升级4个、新增5个虚拟仿真实训系统，提供仿真职场环境，实现实践教学智能化、互动化、远程化。学习者以真实岗位角色完成典型工作任务，设置积分和排名，增强挑战性、竞争性和趣味性，为打造高铁智慧建造虚拟仿真实训基地环境建设新高地贡献陕铁院方案。

（二）创建三类虚拟仿真实训资源开发方案

聚焦新技术、新工艺、新材料、新设备，融合课程思政，按照技能要点或操作步骤确定模块或单元，与行业知名的企业研创虚拟仿真实训资源开发方案。资源开发与岗位技能对接、与人才培养方案和职业培训方案对接、与实习实训对接，创建三类虚拟仿真资源开发方案，即以实带虚的纯虚拟资源开发方案、以虚助实的模块化资源开发方案、虚实结合的数字孪生资源开发方案。采用工程大数据分析、3R（AR/VR/MR）及全息投影等新技术，开发高边坡路基填筑、长钢轨铺设、深水大跨度桥梁施工、山岭超长隧道开挖、装配式站场结构安装等高速铁路智慧建造关键技术虚拟仿真实训项目107个，破解工程结构和工法无法全过程展示、技能无法反复训练、施工过程无法跟踪等难题。

（三）构建高铁智慧建造相关专业“七维度”实践教学体系

以服务中国高铁施工水平保持世界领先为使命，聚焦企业需求，基于CBE能力本位和布鲁姆形成性评价理论，立足高铁专业群，辐射城轨专业群。基于岗位分析和典型工作场分析，结合虚拟仿真基地建设，优化完善“校企协同育人有机制、专业技能训练有基地、技能等级证书有对接、实践教学模式有创新、实踐教学资源有保障、教学团队建设有措施、工匠精神培育有载体”的“七维度”综合实践教学体系。紧盯“装配化施工、智能化检测、动态化监测、数据化分析、智慧化管理”等智慧建造关键技术，创建“分层次、模块化、递进式”实践教学课程体系。

（四）高铁智慧建造虚拟仿真实训基地的共建共享机制的研究与应用

以学校牵头组建的陕西铁路建筑职教集团为纽带，坚持开发共享、校企合作、产教融合、工学结合，将实训基地建设与技术研发、现代学徒制人才培养等工作相结合，实现校企互融、六联六共，即校企联姻，事业共荣；基地联建，资源共享；人员联谊，队伍共建；课程联开，人才共育；技术联创，成果共用；活动联办，文化共振。构建校企命运共同体保障机制，建立校企协同联动机制。制定《虚拟仿真实训基地绩效考核评价管理办法》等管理制度，明确管理运行目标、任务及要求，注重过程管控。成立各专业模块建设小组，推行责任制和责任追究制，实行目标绩效考核与激励，激发工作内生动力。通过发布调查问卷、召开座谈会、监控平台大数据分析等形式，实时跟踪基地运营过程的问题，及时分析解决，不断改进以提升运营管理水平。

（五）构建大师引领、双师四能虚拟仿真实践教学团队的培育机制

依托教师发展中心、虚拟仿真实训基地等平台，实施名师大师引领、双师素质教师培养、教师能力提升等计划，构建实训指导教师发展与培训机制，通过“引、聘、送、下、带”等措施，全面提升团队成员的实践教学能力、信息技术应用能力、技术服务能力和科研创新能力，建成一支“德技双馨、双师四能”的高水平、结构化实践教学团队。实施名师大师引领计划，引入“最美奋斗者”窦铁成、十九大代表白芝勇等国家级技能大师工作室，建设高铁建设行业知名专家李昌宁专家工作室和叱培洲技能大师工作室。突出成员内部校企互补、专业互补、经验互补、能力互补和技术互补，优化教学创新团队结构。构建实训指导教师发展与培训机制，充分发挥技能大师、能工巧匠“传、帮、带”作用，与团队教师进行结对，共同承担实践教学、技能大赛指导等工作，全面提升团队成员的实践教学能力、信息技术应用能力、技术服务能力和科研创新能力。

五、建设保障措施

（一）组织保障，加强基地建设顶层设计

学校教学副校长担任虚拟仿真实训基地负责人，总体负责基地组建、实践教学改革、师资培养、考核评价等，将基地建设纳入学校“十四五”规划和年度工作要点，全面推进虚拟仿真实训基地的建设工作。紧扣基地的建设目标，制订具体、翔实、操作性强的基地建设实施方案，明确路线图和时间表，有计划、有步骤地稳步高效推进。实施工作责任清单制，明确建设责任分工，建立主管校领导负责、部门无界化合作的工作模式，不断优化团队协同建设体制机制，保证建设及运行成效。

（二）政策保障，健全校企共建共享机制

以陕西铁路建筑职教集团为纽带，加大政策引导支持力度，创造高效的基地建设环境。通过“校企合作、合资共建、引企入校”等形式，与中铁一局、铁建装备等企业合作开展实训基地建设、应用技术研究、现代学徒制培养，深化产教融合，推动技能人才培养与岗位需求衔接，形成“六联六共”的实训基地建设与运行机制。校企共同研制虚拟仿真实训基地建设方案，制订实践教学标准，开发实践教学资源，开展实践教学改革，培养技术技能人才，实现实训基地与施工现场的无缝对接。

（三）资金保障，统筹资源配置保障多元投入

建立“政府支持、学校自筹、企业赞助”的多元投入机制，将仿真实训基地建设资金纳入年度预算，加大学校专项资金投资力度，落实资金保障，优化资源配置，健全配套政策，多措并举吸引企业投入300万元，学校自筹配齐所需资金。进一步完善项目建设内部控制机制和经费使用管理制度，确保建设资金合理分配、精确预算。加强财务监督和审计，加强财务风险防控，提高资源配置和资金使用效率。

（四）制度保障，实时绩效考核强化过程管理

建立“虚拟仿真实训基地”项目管理、目标责任制度，分层确定项目责任，确保项目有计划、任务有目标、实施有标准、过程有控制、资源有保障、监测有改进。健全项目动态信息化监控机制，建立预警管理，实施月报制度，监控建设进度和建设质量。建立健全绩效考核评价机制，强化激励和问责，确保建设成效。

六、取得的成效

（一）校企双方深度融合，打造了“教、学、做、评、创”五位一体虚拟仿真实训基地，形成虚拟仿真实训基地建设品牌

构建具有感知性、沉浸性、交互性、构想性、智能性的虚拟仿真实训教学场所，聚焦“三高三难”项目，使学习者实现施工全过程训练，搭建以实带虚、以虚助实、虚实结合的虚拟仿真实训系统，配置相应的虚拟仿真实训设备，创建3类虚拟仿真实训资源，有效解决实训教学过程中的“三高三难”痛点和难点，校企双方深度融合，形成虚拟仿真实训基地建设品牌。

（二）创建了“分层次、模块化、递进式”实践教学课程体系，教学改革成果丰硕，形成育训结合人才培养品牌

基于岗位分析和典型工作场分析，将专业能力划分为基础能力、核心能力和拓展能力三个层次，每个层次对应开发模块化的理实一体课程和实训课程，各专业根据专业人才培养目标，在各层次选择模块化课程进行实践训练，实现专业能力的递进式上升。坚持育训结合，实现虚拟仿真实训教学资源与理论教学有机衔接，形成育训结合人才培养品牌。

（三）开发了“职教特色、行业标准”的虚仿资源，打造“线上+线下+职场化”智慧实训课堂

按照高铁建设全生态链要素，融入高铁等产业先进技术，按照专业设置与产业需求对接、课程内容与职业标准对接、教学过程与生产过程对接要求，依托学校牵头建设的城市轨道交通工程技术、道路与桥梁工程技术2个国家职业教育虚拟仿真示范基地专业课程教学资源建设项目，将新一代信息技术赋能虚拟仿真教学资源，以职业活动课程为主体，开发了一批体現新职教特点、符合行业标准的实践教学资源。依托虚拟仿真实践教学管理和共享平台，利用人工智能和虚拟仿真技术，创建了具有多感知性、职场化、沉浸性、交互性、智能性等特点的高铁智慧建造虚拟实训环境。

七、结束语

通过虚拟仿真实训基地建设，打造了“教、学、做、评、创”五位一体虚拟仿真实训基地；构建了“分层次、模块化、递进式”实践教学体系和标准；开发了“职教特色、行业标准”的智能化虚拟仿真教学资源建设方案；培育了一支结构多元、团结协作的高水平虚拟仿真实训教学和资源开发团队；创新共建共享虚拟仿真实训基地建设机制，虚拟仿真实训教学资源校企协同开发平台和虚拟仿真实训技术成果展示与应用推广平台。在总结教学实践经验和改革成果的基础上，在兄弟院校中全面推广实施。同时，为全国其他交通运输类专业提供学习样板，为其他同类院校提供学习借鉴范式。

参考文献：

［1］殷纾.职业教育虚拟仿真实训基地建设机制研究［J］.现代商贸工业，2023，44（4）：247-249.

［2］余建勇，李秀玲，常卫卫.职业院校虚拟仿真实训基地建设研究：以高速铁路智能运维虚拟仿真实训基地为例［J］.郑州铁路职业技术学院学报，2022，34（4）：80-83.

◎编辑 栗国花