高原高寒地區(qū)交通建造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地應(yīng)用研究

王 強(qiáng)

(青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西寧 810000)

1 背景

青海省是我國(guó)深化向西開放的重要地區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，戰(zhàn)略通道意義重大，具有重要的交通樞紐功能[1-2]。青海省十四五時(shí)期將重點(diǎn)優(yōu)化配置蘭西城市群區(qū)域交通資源，暢通西部陸海新通道，大力推進(jìn)“兩中心三橫三縱多節(jié)點(diǎn)”的綜合交通運(yùn)輸發(fā)展。而交通運(yùn)輸?shù)母哔|(zhì)量發(fā)展，綜合交通網(wǎng)不斷完善，交通運(yùn)輸服務(wù)水平跨越式提升，使得行業(yè)內(nèi)急需培養(yǎng)一批一專多能型的復(fù)合人才。青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)群作為青海省唯一培育交通運(yùn)輸人才的高地，為高原高寒地區(qū)培養(yǎng)了一批具備過硬的現(xiàn)代復(fù)合型技術(shù)技能人才。在提高教育教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)高素質(zhì)人才的過程中，青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院高原高寒地區(qū)交通建造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，教師和學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展教學(xué)活動(dòng)。此概念提出的初衷是更好地激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。此概念自首次提出已有20多年歷史。國(guó)外高校對(duì)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的應(yīng)用研究較早，美國(guó)耶魯大學(xué)利用移動(dòng)設(shè)備的便攜性，快速便利的獲取上課所需數(shù)據(jù)；科羅拉多大學(xué)構(gòu)建了PhET交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開展探究性學(xué)習(xí)；加州大學(xué)開發(fā)了StarCAVE虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，展示三維虛擬現(xiàn)實(shí)模型； 加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)了3D實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新、善于動(dòng)手的創(chuàng)客。他們將虛擬仿真等先進(jìn)信息技術(shù)應(yīng)用在教育教學(xué)領(lǐng)域中，有效破解了實(shí)習(xí)、實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的難點(diǎn)，整合教育資源，推動(dòng)混合式、翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)，并取得了有目共睹的教學(xué)成就[3-4]。隨后國(guó)內(nèi)越來越多的、各行各業(yè)的高等職業(yè)院校都認(rèn)識(shí)到虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地在推進(jìn)素質(zhì)教育和提高實(shí)踐教學(xué)效果中的重要作用。在教育部的國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的帶動(dòng)下，虛擬仿真教學(xué)迎來高速增長(zhǎng)期，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的應(yīng)用研究呈現(xiàn)如火如荼的發(fā)展態(tài)勢(shì)，主要集中在服裝設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床、食品加工等領(lǐng)域[5-7]。而交通建造類院校也是要乘此東風(fēng)，開展具有行業(yè)特色和地域特色的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地應(yīng)用研究。

2 高原高寒地區(qū)交通虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地簡(jiǎn)介

職業(yè)院校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，將先進(jìn)的VR/AR/MR虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)，以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)一體，是集虛擬仿真資源、教學(xué)、管理、評(píng)價(jià)于一體的基地綜合服務(wù)平臺(tái)。解決了職業(yè)教育傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中看不到、進(jìn)不去、成本高、危險(xiǎn)大的問題。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課堂相比有極大優(yōu)勢(shì)。

(一)可視化。通過建模和渲染將大量數(shù)據(jù)以圖形的方式在屏幕上顯示，可演示傳統(tǒng)課堂上無法進(jìn)行的視覺沖擊效果，促進(jìn)教學(xué)和學(xué)習(xí)方式發(fā)生根本性變革。

(二)可操作。通過對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)施輸入輸出指令，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話，可有效地輔助操作訓(xùn)練。

(三)可共享。借助強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)充分搜索優(yōu)質(zhì)資源，獲取所需資料，觀看大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開放課程，整合在線學(xué)習(xí)環(huán)境。

(四)可開放。作為一個(gè)動(dòng)態(tài)開放系統(tǒng)，不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，使得課后教學(xué)與學(xué)習(xí)成為可能。

(五)可虛擬現(xiàn)實(shí)。學(xué)生能夠直接與虛擬世界交互，帶著深深的沉浸感參與其中，并深入探索仿真世界，達(dá)到身臨其境的效果。

(六)可情景再現(xiàn)。虛擬仿真使教學(xué)過程及結(jié)果再現(xiàn)成為可能，鞏固學(xué)習(xí)，增強(qiáng)效果。

在上述背景下，青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道路橋梁工程基礎(chǔ)專業(yè)群整合優(yōu)勢(shì)教育資源，融合高原高寒地區(qū)先進(jìn)施工技術(shù)，校企共同建設(shè)了省內(nèi)一流、全國(guó)領(lǐng)先的大型綜合實(shí)訓(xùn)基地——路橋苑綜合實(shí)訓(xùn)基地。在此基礎(chǔ)上，解決了高原高寒地區(qū)多年凍土和鹽漬土施工、高墩大跨徑橋梁施工、隧道施工、施工安全等問題，將青藏高原特有的生態(tài)環(huán)境脆弱、高寒缺氧、紫外線強(qiáng)等工程特質(zhì)[8]融入實(shí)訓(xùn)基地的后期建設(shè)中，打造能夠以點(diǎn)帶面的高原特色綜合性實(shí)訓(xùn)基地，運(yùn)用“1+3+5”架構(gòu)模式(如圖1所示)，建設(shè)了集“科普教育、實(shí)踐教學(xué)、科研創(chuàng)新、企業(yè)培訓(xùn)、社會(huì)服務(wù)”五位一體的“高原高寒地區(qū)交通建造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地”。

圖1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地“1+3+5”架構(gòu)圖

3 對(duì)高原高寒地區(qū)交通建造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的應(yīng)用研究

3.1 充分發(fā)揮實(shí)訓(xùn)基地智能管理系統(tǒng)和云共享平臺(tái)的功能和作用

基于“系統(tǒng)終端+后臺(tái)軟件”的方式，創(chuàng)設(shè)智能化實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理環(huán)境，服務(wù)教師、學(xué)生、企業(yè)員工、社會(huì)學(xué)習(xí)者，實(shí)現(xiàn)基地統(tǒng)一管理、協(xié)同服務(wù)。提供基地的智能化管理和預(yù)約服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能終端的課程表信息查看和教學(xué)信息發(fā)布。教學(xué)管理人員通過系統(tǒng)對(duì)實(shí)訓(xùn)基地的進(jìn)行整體運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)基地設(shè)備管理、耗材管理、教學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)空間安全管控等(如圖2所示)。

圖2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地管理平臺(tái)

并以高效的業(yè)務(wù)管理、有效的過程監(jiān)控、完全的資源集成、開放的共享服務(wù)為宗旨，以建立集成化、科學(xué)化、智能化、門戶化管理為特色，基于 B/S 技術(shù)架構(gòu)，依托云計(jì)算平臺(tái)，以虛擬實(shí)訓(xùn)技術(shù)和分布式計(jì)算技術(shù)為支撐，建成統(tǒng)一集成管理聚合各專業(yè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)軟件資源管理云共享平臺(tái)。

3.2 實(shí)施課證融通，創(chuàng)新“四合貫通”專業(yè)群人才培養(yǎng)模式

以青海交通運(yùn)輸職業(yè)教育集團(tuán)為平臺(tái)，深化產(chǎn)教融合，適應(yīng)高原高寒地區(qū)公路、市政、鐵道工程等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求，對(duì)接產(chǎn)業(yè)組建道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)群；校企合作，對(duì)接生產(chǎn)過程制定專業(yè)群人才培養(yǎng)方案[9]；工學(xué)結(jié)合，對(duì)接職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、“1+X”證書標(biāo)準(zhǔn)[10]融入教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建“三級(jí)遞進(jìn)、課證融通”專業(yè)群課程體系；知行合一，對(duì)接能力本位制定課程標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)教法改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量(如圖3所示)。

圖3 創(chuàng)新構(gòu)建“四合貫通”專業(yè)群人才培養(yǎng)模式

3.3 基于現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)體系[11]

結(jié)合學(xué)校的辦學(xué)定位及人才培養(yǎng)要求，以學(xué)生為中心，崗位能力培養(yǎng)目標(biāo)為主體，我們提煉出虛擬仿真與具體實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)體系(見圖4)。在此基礎(chǔ)上，青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院根據(jù)道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)群特點(diǎn)，重構(gòu)專業(yè)群“三級(jí)遞進(jìn)、課證融通”的實(shí)踐課程體系，制定課程標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中，完成實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)及科技創(chuàng)新各環(huán)節(jié)的虛擬與現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的設(shè)置(見表1)。與之相適應(yīng)，編制相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)教學(xué)大綱，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書、設(shè)計(jì)指導(dǎo)書、實(shí)習(xí)指導(dǎo)書等。

圖4 實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)體系

表1 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的虛擬與現(xiàn)實(shí)內(nèi)容設(shè)置

為突出能力本位，將“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、思政教育、勞動(dòng)教育、美育教育”貫穿人才培養(yǎng)全過程，把“軌道交通裝備無損檢測(cè)”“道橋工程無損檢測(cè)”及“建筑信息模型(BIM)”[12]職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)融入課程內(nèi)容，構(gòu)建以公共基礎(chǔ)課和職業(yè)技能課為“基礎(chǔ)共享模塊課程”、以專業(yè)可融通的核心技術(shù)課程和專項(xiàng)實(shí)踐課程為“中層融通模塊課程”、以專業(yè)能力拓展課和綜合實(shí)訓(xùn)課為“高層互選模塊課程”的“三級(jí)遞進(jìn)、課證融通”專業(yè)群課程體系[13-14]，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)圍繞實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系而建，通過虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)體系，完成教學(xué)目標(biāo)。

3.4 創(chuàng)新基于實(shí)踐教學(xué)的考核評(píng)價(jià)體系，培育工匠精神

落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，以思想政治教育為核心，建立多元化考核方式。在考察學(xué)生對(duì)基本知識(shí)掌握情況的同時(shí)，更注重考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用能力；不僅關(guān)注實(shí)踐結(jié)束時(shí)的考核結(jié)果，更注重對(duì)實(shí)踐過程的管理、考核，并把多次考核與多種考核的結(jié)果相結(jié)合作為最終成績(jī)。因此改革創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)考核評(píng)價(jià)方式的重要內(nèi)容之一就是在實(shí)踐過程中注意觀察學(xué)生基本素質(zhì)、道德風(fēng)尚方面的表現(xiàn)及存在的問題，及時(shí)加以指導(dǎo)并促其改正。讓學(xué)生成為新時(shí)代工程工匠精神的傳承者和發(fā)揚(yáng)者。

3.5 “定任務(wù)、搭平臺(tái)、強(qiáng)格局”打造“雙師型”團(tuán)隊(duì)

3.5.1 定任務(wù)—明確實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的建設(shè)任務(wù)

依托青海交通運(yùn)輸職業(yè)教育集團(tuán)、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地等平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)教師與教師之間協(xié)同，校外教師與企業(yè)、行業(yè)機(jī)構(gòu)之間協(xié)同，培育實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，實(shí)施分工協(xié)作的模塊化教學(xué)，道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)群教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)示范見表2。

表2 實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的建設(shè)任務(wù)

續(xù)表

3.5.2 搭平臺(tái)—全方位支撐實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)能力提升

搭建“教學(xué)能力提升、科研能力提升、服務(wù)能力提升”三平臺(tái)(見圖5)，以“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)教融合、共建共享、服務(wù)社會(huì)”的理念，校企共建產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)。通過進(jìn)一步優(yōu)化科研創(chuàng)新生態(tài)軟環(huán)境、共建協(xié)同創(chuàng)新中心、共建混編科研團(tuán)隊(duì)，推進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化。

圖5 “教學(xué)能力提升、科研能力提升、服務(wù)能力提升”三平臺(tái)

3.5.3 強(qiáng)格局—持續(xù)提升結(jié)構(gòu)化實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)水平

通過引培結(jié)合，道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)群建成一支“校企混編、專兼結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，將每一位校內(nèi)教師都培育成具備“思政導(dǎo)師、勞動(dòng)導(dǎo)師、專業(yè)教師、職業(yè)培訓(xùn)師、企業(yè)工程師”“五師”能力的教學(xué)能手，有效開展課程思政、勞動(dòng)教育、專業(yè)教學(xué)、社會(huì)培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)。按照國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)提升教師開展教學(xué)、培訓(xùn)和評(píng)價(jià)的能力，全面實(shí)施教師分工協(xié)作進(jìn)行模塊化教學(xué)的模式，為全面提高復(fù)合型技術(shù)技能人才培養(yǎng)質(zhì)量提供強(qiáng)有力的師資支撐。

3.6 充分發(fā)揮基地對(duì)校內(nèi)和校外人員的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)功能

將高原高寒隧道虛擬仿真實(shí)訓(xùn)充分應(yīng)用到教育教學(xué)領(lǐng)域，可以增強(qiáng)在校學(xué)生學(xué)習(xí)隧道施工技術(shù)的直觀性。后期也會(huì)應(yīng)用到高原高寒地區(qū)隧道作業(yè)人員的專業(yè)崗位鑒定考核中，發(fā)揮該系統(tǒng)的最大價(jià)值。

目前，青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院依托虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)基地為企業(yè)每年開展技術(shù)服務(wù)10項(xiàng)，面向企業(yè)員工，開發(fā)培訓(xùn)項(xiàng)目 6個(gè)，每年完成社會(huì)培訓(xùn) 3000人以上，職業(yè)技能等級(jí)證書考核 2000人次， 出版數(shù)字化《公路施工安全管理》教材一本，開發(fā)微課100個(gè)，題庫2000題，為學(xué)生及從業(yè)者提供更好的服務(wù)，提高學(xué)生及從業(yè)者安全意識(shí)。

4 結(jié)語

以上是對(duì)高原高寒特色的路橋?qū)I(yè)群虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的應(yīng)用研究，表明其可充分發(fā)揮實(shí)訓(xùn)基地的作用。這使得道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)群的實(shí)訓(xùn)條件更加完善、實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源更加豐富、教師專業(yè)實(shí)踐水平顯著提升；使校企合作更加深化，形成了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)品牌；并且促進(jìn)了教學(xué)改革，形成了育訓(xùn)結(jié)合人才培養(yǎng)品牌。