基于虚拟工厂技术的职业教育教学模式探析

伍佳 朱山立

摘 要：针对目前职业教育学生实训时间短、实训条件有限等客观问题及企业不满足培养人才的质量等主观问题，本文在对虚拟工厂实训内涵及类型深入分析的基础上，探讨了基于虚拟工厂技术的职业教育教学模式的构建。通过充分利用现代虚拟技术，将职业教育的专业理论知识、虚拟模拟实训、企业岗位实践相互融合，使学生能及时将理论知识应用于实践，有效提高职业教育人才培养质量，增强学校与企业双方利益。

关键词：虚拟工厂，职业教育，产教融合，教学模式

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.02.040

Analysis of Vocational Education Teaching Mode Based on Virtual Factory Technology

WU Jia ZHU Shan-li

（College of Education， Hunan Agricultural University）

Abstract： In view of the objective problems such as short training time， limited training conditions and subjective problems such as enterprises do not meet the quality of training talents， based on the in-depth analysis of the connotation and types of virtual factory training， this paper discusses the construction of the vocational education teaching model based on virtual factory technology. By making full use of modern virtual technology， the professional theoretical knowledge， virtual simulation training and enterprise post practice of vocational education are integrated， so that students can timely apply theoretical knowledge in practice， effectively improve the quality of vocational education talent training， and enhance the interests of both schools and enterprises.

Keywords： virtual factory， vocational education， industry-education integration， teaching mode

我國职业教育的培养目标就是培养生产服务第一线工作的高素质劳动者和实用人才，这类人才的主要作用就是将技术技能和管理规范转换成现实的生产和服务，面对日新月异的时代产业技术变革，技术知识的“专精特新”充分体现在企业行业工作岗位对人才的需求上，典型职业教育教学模式中，最突出的挑战就是校企互动不足，而如何弥补不足，强化校企互动，首当其冲的就是提高职业教育人才培养质量，满足企业行业对人才技术技能的需求。职业院校调整教育教学模式，改进人才培养方法，充分利用现代化技术手段，搭建起学校教育与企业实践沟通的桥梁。职业教育虚拟工厂实训教学模式，正式进入我们的视野。

1 职业教育现状分析与发展需要

1.1 职业教育现状分析

职业教育是我国国民教育体系中的重要组成部分，回顾我国职业教育体系发展进程，建国至今，在国家政策的大力支持下，职业教育事业日趋完善。从1986年至2021年期间，我国先后召开了八次全国职业教育工作会议，从1985年《中共中央关于教育体制改革的决定》开始到2019年《国家职业教育改革实施方案》，职业教育的类型地位得到了确立，指明了职业教育对促进社会经济发展、提升人才培养质量、强化国家技术技能水平的重要战略意义。职业教育是培养技术技能人才、促进就业创业、推动中国制造和服务水平的重要基础。为了指引新时期职业教育更好地发展，2014年，教育部、国家发展改革委等部门联合印发《现代职业教育体系建设规划（2014-2020年）》，要求完善职业人才衔接培养体系，加速职业教育数字化、信息化，建设开放型职业教育体系。2020年，教育部等九部门印发的《职业教育提质培优行动计划（2020—2023年）》，聚焦提升质量，深化产教融合和高素质人才培养模式改革。这一系列重磅政策的出台，把职业教育摆在我国教育体系中更突出的位置，立足于顶层设计，借助数字化、信息化思维和方法，推动职业教育朝产教融合方向前进。

1.2 职业教育发展需要

职业教育承担着为社会培养技术人才的使命，在职业教育几十年的发展进程中，“实践教学”一直是职业教育领域所密切关注的焦点。实践教学的目的在于培养学生动手能力和创新精神，使学生获得感性知识，掌握技术技能，从而转变成具有高技能和高素养的劳动者。职业院校在教学过程中需要创设有利的实践教学条件，产与教得到有效融合，确保学生的专业技能实训得到有效开展。但在实际教学改革探索过程中，仍存有问题，如企业综合性实践时间短、实训设备老套陈旧、实训过程具有危险性等，制约着职业教育实践教学的困难。所以，需要寻找到一种新的教学模式来解决职业教育中实践教学的突出的矛盾，信息技术的快速发展和广泛应用为职业教育教学模式改革提供了一条新的路径。2022年6月，教育部职业教育与成人教育司司长陈子季在中国教育报发布《依托数字化重塑职业教育新生态》一文，提出职业教育是在数字化时代受到冲击最大、收益最明显的教育，应以数字化转型的新成效重塑职业教育的新生态。而职业教育虚拟工厂技术是不断发展的数字化信息技术与职业教育相融合的产物，职业教育虚拟仿真实训正是数字化在职业教育领域最好的践行。

2 虚拟工厂实训模式内涵分析

职业教育适应产业结构的转型与升级，需依据国家经济建设和社会产业结构的发展而做出教学调整，即人才培养要与产业需求相适应。数字化技术不断渗入到职业教育领域，职业教育可以充分利用现代信息技术，推动职业教育的发展。利用虚拟现实技术，构建虚拟工厂实训中心，将企业生产要求复刻到职业教育人才培养过程之中，打破时间和空间的限制，实现人才与产业之间的深度互动。

2.1 虚拟工厂实训模式简述

虚拟工厂从广义上理解，即采用计算机虚拟仿真技术和网络技术，参照现实工厂的运行状况，在虚拟空间内实现生产过程的全部行为[1]。而从狭义上理解虚拟工厂，可认为其利用虚拟工厂运作软件对学习者进行仿真模拟实训，让学习者能够熟悉与掌握在虚拟工厂中的运作流程，并对其进行动手实践[2]。虚拟现实技术、计算机网络技术和教育技术的应用，使得资源整合变得简单与方便，虚拟工厂实训教学模式就是把企业生产环境和生产要求通过虚拟现实技术整合成一个跨时空的仿真虚拟环境，并融入到职业教育课程体系中来，形成学生专业课程与企业岗位实践的联通桥梁，学生在虚拟工厂中进行的生产活动以企业生产标准和规范对其进行训练与培养，学生在学习中进行训练，在操练中进行学习，使得职业教育人才培养技能目标与企业需求相匹配。虚拟工厂实训结合了职业教育教学特色和专业实训的教学目的和要求，在学校教育和企业实践中形成连接的桥梁，该实训模式的特点在于“工厂”是虚拟的，但“岗位角色”是真实的，学生的“沉浸式操作”是真实的。

2.2 虚拟工厂技术在职业教育中的应用类型

虚拟现实技术和设备经过几十年的发展和积累，已经从娱乐消费逐渐扩展到教育教学领域，虚拟工厂技术也有被应用到实训教学上。根据虚拟现实技术交互程度的高低，可划分为四种典型类型：桌面型、沉浸式、增强现实型、分布式。虚拟现实技术作为教学辅助工具时，通常采用低级的桌面虚拟现实技术和沉浸式虚拟现实技术。

桌面型虚拟现实技术，基于个人计算机平台或中低端图形工作站及立体显示器，将计算机屏幕作为使用者观察虚拟世界的窗口，将鼠标等计算机输入设备作为使用者与虚拟世界的交互工具。桌面型虚拟工厂建设案例如：四川大学国家生物学人才培养基地，启动了生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心。在该实训平台教学模式中，学生利用手机电脑等设备，使用个人账号进入到虚拟工厂实训平台，进行为期2周的自主学習。其教学资源分为基础实验技能学习模块、综合实验技能学习模块和虚拟工厂实训模块。其教学评价权重将课前预习占比20%、虚拟工厂实训平台占比40%、企业综合实训占比40%[3]。

沉浸式虚拟技术，需利用传感工具，封闭使用者的视觉、听觉等部分感知系统，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，令使用者产生身临其境的感觉。沉浸式虚拟工厂建设案例如：宁夏工商职业技术学院利用宁夏现代煤化工职业技能实训中心进行学岗直通现代化工实训教学。该教学模式实施条件由仿真实训室及在线虚拟仿真实训中心支持进行，半实物仿真工厂模拟合作企业按照实际生产装置8：1或10：1比列缩小，具备定制开发智慧型工厂装置和通讯互动的新型实物微缩工厂装置，其实训中心3D仿真项目包括原理实验实训、认识实习、生产实习等3D虚拟现实仿真生产实习。该校利用实训中心，作为专业实训教学的环节开始，提供为期2周的实训，依次进行实训动员、安全教育、认识实习仿真、模拟生产设备拆装实训、半实物全流程仿真合成实训、进厂参观。其教学效果评价主要由教师、学生、企业进行实时、连续的评价[4]。

2.3 虚拟工厂实训在职业教育中应用的优势

虚拟现实技术为职业教育增加了一种崭新的教学模式，虚拟工厂实训教学模式在教学形式、教学方法和教学效果等方面都可为职业教育带来不同程度上的影响。有效使用虚拟工厂实训教学，在职业教育中主要有以下几方面优势：

2.3.1 解决学生企业实训周期短的需求

职业教育课程安排往往是“先理论后实践”，需要根据固定的教学计划来进行，学生企业实践往往只会安排在毕业前夕，而企业由于生产要求和经营状况等不确定因素，很难为培养学生提供长时间的深入学习空间，导致学生深入企业实践时间短，实践深度不够。通过虚拟现实技术，为学生营造与企业实践尽可能相似的实训条件，学生可以随时随地展开虚拟实训，及时地将学校理论教学在虚拟环境中进行实践并检验。虚拟工厂实训可以在校内为学生提供更多深入了解企业实践的机会，满足学生边学边练的需求，解决学生企业实训周期短的问题。

2.3.2 解决实训“高精密”“高耗材”“高毒性”等条件限制

例如：职业教育药品与医疗机械类高难度的精密仪器条件限制、生物与化工类的高毒性生产实践、装备制造类的高耗材专业实践、电子信息类的大型综合应用实践等职业教育专业产教融合中，学生实训的机会是有限的。“虚拟工厂”实训所展示的形象逼真的实验场景和互动情景，在降低实验成本的同时，还保证了实验的安全性及可靠性，并且能及时激发学生的学习兴趣，磨练学生的动手技能，促进理论学习与实践操作结合，为学生在企业实践打下坚实的基础。

2.3.3 全面锻炼学生的综合能力

技能知识的掌握需要反复操练，循序渐进地强化技能知识熟练度，虚拟工厂模拟的企业生产环境，可以使学生多次重复的进行训练，并且可以仿真模拟不同的生产情景，营造非经典案例或突发事故。满足学生单项训练的同时，允许学生反复训练，并能对整个生产流程或特殊情况有一定的了解和磨练，强化学生技能熟练度和突发事故处理能力，将抽象理论转换为现实生产。

3 职业教育虚拟工厂实训教学模式构建策略

贴合职业教育与虚拟实训深度融合的虚拟工厂实训教学模式应运而生，构建虚拟工厂实训教学模式的关键，就是打破学习与工作二元割裂状况。

3.1 构建原则

3.1.1 对应性

虚拟工厂的资源构建，需要学校与企业、行业联合开发，依据行业标准，搭建出符合行业规范要求的教学环境，并根据企业用人的需求和标准，校企双方共同制定教学目标及教学方案。以“虚拟工厂”为学校与企业之间的沟通桥梁，破解教育链与产业链脱节的问题。

3.1.2 层级性

虚拟工厂的运作方式，需要针对不同行业和领域的生产特点，依据实训目标，在岗位层级中设置不同难度的级别，根据学习者已有经验，为学习者匹配相适应的岗位，学习者在虚拟工厂中可通过学习和完成任务来达到“升职”目的，在提升学习竞争性的同时，使学习者明确自己技能层次。

3.1.3 沉浸性

职业教育中不同的专业针对的领域有所不同，在设备类型、生产岗位、工作流程和原料来源等方面也各不相同，但其设计内容存在着一定的规律和特征。故以教学为目标的一般性虚拟工厂设计中，其设计内容应满足学习者沉浸体验主要来源的两个方面，分别是生理体验和心理体验。生理体验需要通过虚拟现实技术对用户的感官进行刺激，虚拟场景的呈现、触发控制与交互反馈等；心理体验是学生在虚拟实训中专注于实训过程，完全融合实训过程中所产生的心理状态。因此，虚拟工厂设计中，要根据人类的认知规律和生理特点，结合虚拟工厂的设计内容与仿真技术，有效地应用沉浸理论，以达到使用户角色尽快进入并维护沉浸状態的目标。

3.2 总体架构

虚拟工厂实训教学模式是现代教育理论与信息技术变革而形成的一种教学模式。从实际出发促进职业教育产教深度融合，以培养各行各业一线技术性人才为目的，该教学模式由专业课程体系、虚拟模拟实训课程体系、企业岗位实践体系构成。专业课程体系以学习基础知识和基本处理方法的理论教学为主，通过引入国家、行业等统一标准，制定人才培养课程标准。虚拟模拟实训课程体系是促进专业课程与岗位实践有效融合的关键，构建这一体系的关键是建立与产业运作相对应的虚拟实训平台，通过营造与一线岗位相一致的模拟实践教学环境，使学生在校也能进行生产训练和岗位实践。企业岗位实践体系是对学生专业能力的综合检验，是职业教育中最不可或缺的环节，是评价与鉴定学习效果的主要依据。

3.3 实施流程

虚拟工厂实训教学模式在实施流程中，以我国学者茅以升先生提出的“习而学”教育程序为基础，坚持做到“学校与工厂配合，基本与工具配合，理论与实习配合，理论与工具配合”[5]。专业课程、虚拟模拟实训、企业岗位实践相互融合、相互促进，教育中的学习水平与生产中的业务水平相适应，培养出来的人才，更能适应工作岗位的要求。

按照“由浅入深、由基础到综合”的原则实施教学流程，把整个学校职业教育分为三个阶段，即学生每阶段学习的东西都是成套的，均可以在虚拟平台上得到检验，学生每完成一个阶段都能获得某种工作经验。

阶段一：确定专业学习目标，选定工作角色，学生在学习专业基础知识的同时，边学边做。在课堂学习到的知识，可以及时担任虚拟工厂系统中最基础的岗位，通过团队合作的形式完成工作任务，获取人际交互信息和积累工作经验。

阶段二：学生通过在虚拟工厂中积累工作经验，达到独立工作标准，进行独立工作或进入到管理岗位，模拟实践生产全过程，熟悉产品生产全过程或企业管理机制，养成安全生产规范的习惯，树立起自学的质量意识。

阶段三：从学校理论学习和虚拟实训，转入到企业实践，培养达到企业要求的用人标准，大幅度提升职业教育人才培养的质量在社会上的认可。

4 结 论

虚拟工厂实训教学模式是基于现代信息技术的虚拟实训技术，学校将实际的企业环境通过虚拟技术引入教学环境之中。理论知识按照“由浅入深、由基础到综合”的原则进行设计；实训层级按照“单一生产到综合项目”循序渐进的升迁原则。教学过程中，理论学习与实训同步进行，虚拟工厂实训教学模式的应用使学生在学校中就掌握产业的工作状态，解决学生企业实训周期短的需求，增加了实习安全性，降低了生产实习成本，改善了生产实训的教学效果，让学生在进入企业工作岗位时能快速的转换角色，迅速地适应企业生产工作。

参考文献

[1]项朝阳，段丹萍，贺昉，等.沉浸理论在桌面式虚拟工厂设计中的应用研究[J].中国职业技术教育，2016（14）：92-96.

[2]黄桂明.企业角色情景下的“虚拟工厂”实训模式探索[J].产业与科技论坛，2020，19（21）：261-262.

[3]王甜，孙群，王茂林，等.虚拟工厂实训平台在企业综合实训中的应用[J].实验技术与管理，2016，33（8）：110-114.

[4]姜雪.校内半实物仿真工厂和3D虚拟现实生产实习仿真在化工认知实训中的探索与实践[J].广东化工，2018，45（17）：227-228.

[5]韩琴英.茅以升工程教育思想及其与职业教育的关系研究[J].职业技术教育，2010，31（22）：64-67.

作者简介

伍佳，硕士研究生，研究方向为职业教育。

朱山立，副教授，硕士生导师，研究方向为教育信息化、职业技术教育。

（责任编辑：张瑞洋）