基于虛擬仿真技術(shù)的計(jì)算機(jī)智能應(yīng)用技術(shù)專業(yè)群實(shí)訓(xùn)模式研究

摘要：近年來，隨著計(jì)算機(jī)智能領(lǐng)域?qū)I(yè)設(shè)備的快速更新與發(fā)展，專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)正面臨著信息技術(shù)設(shè)備更新發(fā)展速度快、產(chǎn)品成本高、實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境難及企業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展、師生技術(shù)能力無法及時更新等問題。如何有效解決計(jì)算機(jī)及人工智能類相關(guān)專業(yè)及專業(yè)群的實(shí)訓(xùn)設(shè)備及教學(xué)，是所有院校和專業(yè)都面臨的問題。本文以計(jì)算機(jī)智能應(yīng)用技術(shù)專業(yè)群為例，通過虛擬仿真與遠(yuǎn)程共享模式，將設(shè)備部署地點(diǎn)與使用地點(diǎn)分離，支持人人、處處、時時可學(xué)、可訓(xùn)，使得產(chǎn)教融合中企業(yè)設(shè)備資源得到充分利用和推廣應(yīng)用，也有效降低了實(shí)訓(xùn)教師的工作量，創(chuàng)新了專業(yè)群實(shí)訓(xùn)模式。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；應(yīng)用技術(shù)專業(yè)群

一、引言

教學(xué)模式通常被定義為一種教學(xué)活動結(jié)構(gòu)框架或活動程序的結(jié)果，它是在教學(xué)思想及理論指導(dǎo)下建立起來的相對靜態(tài)的模式。它一般會涵蓋理論依據(jù)、教學(xué)目標(biāo)、操作程序、實(shí)現(xiàn)條件、教學(xué)評價五個部分，這五個部分之間具有依次順序及規(guī)律關(guān)聯(lián)。因此，人們通常把實(shí)訓(xùn)教學(xué)歸納為職業(yè)技能訓(xùn)練的范疇，它是學(xué)校對學(xué)生進(jìn)行職業(yè)技能人才培養(yǎng)、職業(yè)技能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、職業(yè)素質(zhì)能力訓(xùn)練的教學(xué)實(shí)施全過程的統(tǒng)稱[1]，也是職業(yè)院校進(jìn)行高素質(zhì)、高技術(shù)技能人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。筆者所在學(xué)校計(jì)算機(jī)智能應(yīng)用技術(shù)專業(yè)群包括計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)（移動互聯(lián)軟件開發(fā)）、人工智能技術(shù)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等專業(yè)。該專業(yè)群采用圍繞基礎(chǔ)知識共享、核心技術(shù)連通、應(yīng)用拓展技能分層共治的模式，借助企業(yè)開放創(chuàng)新平臺實(shí)現(xiàn)底層能力共享（如5G網(wǎng)絡(luò)組建能力、智能應(yīng)用開發(fā)能力、智能互聯(lián)測試維護(hù)能力）、核心技能各自夯實(shí)互聯(lián)互通、上層應(yīng)用拓展技能各自平行發(fā)展的格局。該專業(yè)群緊密對接產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈和能力群體系，實(shí)現(xiàn)拓展能力、雙創(chuàng)實(shí)踐、“1+X”職業(yè)技能、技能實(shí)訓(xùn)包、職業(yè)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的360°立體化的π型技能人才培養(yǎng)。

二、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式

傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式主要手段是采用原始的傳授方式，通過“講—聽—讀—記—練”的過程，依次完成學(xué)生的能力培訓(xùn)。然而，這種模式不重視學(xué)生在學(xué)習(xí)中的能動性和主體性，片面強(qiáng)調(diào)灌輸方式，壓抑和阻礙了學(xué)生的個性發(fā)展。與此相對應(yīng)的是以“做中學(xué)”為基礎(chǔ)的實(shí)用主義教學(xué)模式。實(shí)用主義教學(xué)模式的特點(diǎn)是采用創(chuàng)設(shè)情境環(huán)節(jié)、確定問題環(huán)節(jié)，然后利用資料，接著提出假設(shè)條件，最后通過檢驗(yàn)假設(shè)完成結(jié)果驗(yàn)證。其優(yōu)點(diǎn)是重視活動過程教學(xué)，讓學(xué)生自我發(fā)現(xiàn)、探索和實(shí)踐技能，最終獲得解決問題的思路、方法和拓展的能力。其缺點(diǎn)是只重視實(shí)踐直接經(jīng)驗(yàn)的重要性，但沒有重視知識的體系化學(xué)習(xí)，從而導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量受到影響。

隨著新技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更多新的教學(xué)模式。教學(xué)模式也呈現(xiàn)出從單一模式向多樣化模式發(fā)展、由歸納型向演繹型發(fā)展、由以“教”為主向以“學(xué)”為主發(fā)展的趨勢。在此基礎(chǔ)上，實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式也出現(xiàn)了兩個分支。一是對實(shí)訓(xùn)教學(xué)中“學(xué)校、社會（企業(yè)）、政府”多元主體的“校-政-企-行”模式，對實(shí)訓(xùn)教學(xué)中“學(xué)校—社會（企業(yè)）—政府”多元主體關(guān)系進(jìn)行協(xié)同實(shí)踐；二是對實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架開展的深層次動態(tài)透視，如實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施、實(shí)訓(xùn)效果反饋等。同樣，在國外也有許多成功的實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐模式。例如，德國的“雙元制”實(shí)訓(xùn)模式，涉及學(xué)校、企業(yè)、行業(yè)協(xié)會多個主體，學(xué)生在企業(yè)和校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地協(xié)同學(xué)習(xí)，而實(shí)踐教學(xué)由企業(yè)、學(xué)校、協(xié)會多元主體進(jìn)行，企業(yè)進(jìn)行主導(dǎo)，輔助以學(xué)校主體和校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地完成；澳大利亞的TAEE技術(shù)與繼續(xù)教育實(shí)訓(xùn)模式，類似于我國的“1+X”證書制度，由學(xué)校完成培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能，企業(yè)進(jìn)行投入評估的產(chǎn)學(xué)研合作范式，英國的“三明治”實(shí)訓(xùn)模式，通過采用理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐培訓(xùn)，然后再進(jìn)行理論學(xué)習(xí)的循環(huán)迭代實(shí)訓(xùn)模式。

在上述基礎(chǔ)上，也出現(xiàn)了“工學(xué)結(jié)合”的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，盡管“工學(xué)結(jié)合”的高職教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式已有許多應(yīng)用，但在實(shí)踐中仍面臨著高昂的設(shè)備購買費(fèi)用、線上和線下實(shí)訓(xùn)教學(xué)無法結(jié)合、實(shí)訓(xùn)模式可復(fù)制性差等困難和問題。

三、基于虛擬仿真的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式

職業(yè)教育在實(shí)踐中往往會受到學(xué)校的教學(xué)環(huán)境、教學(xué)實(shí)施條件以及不同專業(yè)教學(xué)模式的限制。事實(shí)上，大多數(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的形式依舊相對單一、內(nèi)容簡單、教學(xué)效率低下，其主要表現(xiàn)為新技術(shù)、新設(shè)備更新迭代快，現(xiàn)有的職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)基地并不能實(shí)時滿足專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要。同時，受限于辦學(xué)經(jīng)費(fèi)，現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備通常費(fèi)用昂貴，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的重復(fù)購置。此外，校內(nèi)建設(shè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境與企業(yè)真實(shí)的工作環(huán)境存在較大差異，并不能完全復(fù)制企業(yè)生產(chǎn)場景，也無法達(dá)到企業(yè)的場地和環(huán)境規(guī)模要求。另外，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式存在一些問題，如不能實(shí)時記錄學(xué)生的實(shí)訓(xùn)操作過程、發(fā)現(xiàn)問題與解決過程，以及教師操作示范受場地限制無法清晰還原呈現(xiàn)，老師專業(yè)教學(xué)檢查、教學(xué)實(shí)施過程都無法保存等問題。另外，企業(yè)的資源和校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地的資源，在沒有實(shí)訓(xùn)任務(wù)安排的情況下，無法做到學(xué)生隨時可用。學(xué)生也無法在宿舍、家里或圖書館等不同場所隨時隨地學(xué)習(xí)利用，共享性差。受限于實(shí)訓(xùn)基地場所、實(shí)訓(xùn)學(xué)生人數(shù)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量等諸多因素的影響，同時也受限于教學(xué)模式的影響，無法開展線上教學(xué)活動，更無法滿足線上教學(xué)和線下教學(xué)的混合模式聯(lián)動應(yīng)用，其可復(fù)制性差，還沒有形成體系化的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模式可借鑒應(yīng)用。因此提出了線上、線下虛擬協(xié)同的共享開放的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，以更好地滿足學(xué)生職業(yè)技能全天候的培養(yǎng)和訓(xùn)練需求。

（一）線上線下協(xié)同的通用專業(yè)能力訓(xùn)練

針對人工智能、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)（移動互聯(lián)軟件開發(fā)）專業(yè)群專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，從通用專業(yè)能力協(xié)同培養(yǎng)出發(fā)，面對專業(yè)技術(shù)、設(shè)備更新快的情況，考慮構(gòu)建系統(tǒng)所需的軟硬件復(fù)雜性，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室存在生產(chǎn)設(shè)備與新型設(shè)備不可見、不可操作，課上時間有限、課下無法使用，設(shè)備難以管理且無法共享、利用率低等問題。為了滿足專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要，解決公共實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)受距離、成本等限制，定位于專業(yè)群中職業(yè)崗位通過專業(yè)能力培養(yǎng)，通過校企合作共同研發(fā)的虛擬仿真教學(xué)平臺，創(chuàng)新探索線上線下、混合、開放等實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式[2，3，4]。

虛擬仿真平臺以虛擬驗(yàn)證為核心技術(shù)，面向老師和學(xué)生，同時開展線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對常用的嵌入式硬件實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1：1時序級仿真，提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境軟件定制與用戶代碼全閉環(huán)虛擬執(zhí)行、調(diào)試。針對專業(yè)群的職業(yè)崗位通用能力[5]，通過實(shí)訓(xùn)3D場景仿真，完成線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式和線下實(shí)訓(xùn)教學(xué)的雙通道融合。學(xué)生可以在老師指導(dǎo)下，快速上手，輕松模擬。芯片級、SOC級虛仿實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)環(huán)境自主搭建，簡單易用，只需拖拽虛擬元器件即可輕松組裝、在線編輯、仿真調(diào)試。

此外，平臺還支持學(xué)生在云端配置實(shí)訓(xùn)開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行編碼、編譯、運(yùn)行、調(diào)試。1：1時序仿真運(yùn)行，通過虛擬元器件查看運(yùn)行情況；進(jìn)行代碼調(diào)試，過程數(shù)據(jù)實(shí)時跟蹤，圖形化反饋。

（二）虛實(shí)結(jié)合的遠(yuǎn)程開放共享的核心專業(yè)能力動態(tài)融合

專業(yè)群核心專業(yè)能力的實(shí)訓(xùn)，采用虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，通過虛擬仿真系統(tǒng)將真實(shí)設(shè)備虛擬化成設(shè)備節(jié)點(diǎn)，使各種設(shè)備可以開放地加入系統(tǒng)，并可以和虛擬設(shè)備一起工作，方便學(xué)生在網(wǎng)上搭建企業(yè)工作場景。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在通用專業(yè)能力的虛擬仿真平臺中，虛擬仿真與遠(yuǎn)程共享平臺是虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的關(guān)鍵內(nèi)容。該平臺由共享設(shè)備交易管理平臺、運(yùn)行設(shè)備管理環(huán)境、虛擬仿真平臺三部分組成。共享設(shè)備交易管理平臺主要功能包括用戶管理、設(shè)備管理（虛擬設(shè)備注冊、真實(shí)設(shè)備注冊、設(shè)備申請、設(shè)備使用計(jì)劃等）、應(yīng)用案例管理等。該平臺為設(shè)備應(yīng)用、推廣和共享提供支持，用戶類型包括真實(shí)設(shè)備廠商、虛擬設(shè)備開發(fā)者和設(shè)備用戶等。運(yùn)行設(shè)備管理環(huán)境從共享設(shè)備交易管理平臺獲取可用設(shè)備信息，在本地建立設(shè)備代理，為虛擬設(shè)備運(yùn)行提供支持，并為真實(shí)設(shè)備使用提供與現(xiàn)場應(yīng)用一致的接口。這意味著學(xué)生可以在自己熟悉的開發(fā)環(huán)境中編程調(diào)用設(shè)備，快速構(gòu)建智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和實(shí)踐。

虛擬仿真與遠(yuǎn)程共享平臺提供必要的API接口，允許教師通過接口獲取虛擬設(shè)備和真實(shí)設(shè)備（通過設(shè)備代理）的狀態(tài)數(shù)據(jù)。實(shí)訓(xùn)任務(wù)的本質(zhì)是在教師預(yù)先設(shè)置的環(huán)境中，學(xué)生通過一系列操作，將目標(biāo)設(shè)備調(diào)整至預(yù)期的狀態(tài)。教師在準(zhǔn)備實(shí)訓(xùn)任務(wù)時，可以同時提供一個日志采集腳本和一個檢測評估腳本。日志采集腳本在學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)時觸發(fā)，通過調(diào)用平臺API接口，將設(shè)備數(shù)據(jù)采集并存儲到指定文件，形成實(shí)訓(xùn)日志文件。平臺自動匯集實(shí)訓(xùn)日志文件，并調(diào)用檢測評估腳本對日志文件進(jìn)行分析，最終生成實(shí)訓(xùn)報告和成績。為確保實(shí)訓(xùn)日志的完整性和真實(shí)性，平臺應(yīng)控制學(xué)生權(quán)限，使其無法查看或修改實(shí)訓(xùn)日志和實(shí)訓(xùn)報告內(nèi)容。這種實(shí)訓(xùn)教學(xué)評價通過API接口類型、實(shí)訓(xùn)日志結(jié)構(gòu)和實(shí)訓(xùn)報告結(jié)構(gòu)，使教師設(shè)計(jì)采集、檢測腳本的靈活度最大、難度最低。

虛擬仿真與遠(yuǎn)程共享結(jié)合，通過控制翻轉(zhuǎn)，將封閉的虛擬仿真教學(xué)平臺轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放的設(shè)備資源庫，以統(tǒng)一的方式管理虛擬、真實(shí)設(shè)備，使設(shè)備的物理實(shí)現(xiàn)對用戶透明。學(xué)生可以在自己熟悉的開發(fā)環(huán)境或者企業(yè)實(shí)際的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，無需改變其使用習(xí)慣。通過虛擬仿真與遠(yuǎn)程共享將設(shè)備部署地點(diǎn)與使用地點(diǎn)分離，支持人人、處處、時時可學(xué)、可訓(xùn)。這種遠(yuǎn)程共享方式不僅使學(xué)生能夠充分利用企業(yè)的設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)和創(chuàng)新應(yīng)用，同時也使企業(yè)設(shè)備資源得到充分利用和推廣應(yīng)用，豐富了產(chǎn)教融合體實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式中校企合作的形式和內(nèi)容。

虛擬仿真與遠(yuǎn)程共享開放的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，是以學(xué)生為主體，教師引導(dǎo)作為輔助，根據(jù)任務(wù)驅(qū)動原則管理，通過實(shí)時監(jiān)控實(shí)訓(xùn)過程的方式，使學(xué)生能夠從自身學(xué)習(xí)興趣出發(fā)，選擇感興趣的實(shí)訓(xùn)課程和實(shí)訓(xùn)時間。在老師的實(shí)訓(xùn)任務(wù)指導(dǎo)要求下，學(xué)生可以獨(dú)立設(shè)計(jì)個性化的實(shí)訓(xùn)任務(wù)方案，網(wǎng)上預(yù)約所需要的實(shí)訓(xùn)任務(wù)設(shè)備，獨(dú)立或者采用小組合作的方式進(jìn)行新型實(shí)訓(xùn)過程。平臺在不增加管理人員和指導(dǎo)教師負(fù)擔(dān)的前提下支持多個層次、多個維度的開放共享。一是專業(yè)通用能力實(shí)訓(xùn)開放，讓所有專業(yè)群里的在校學(xué)生可以直接實(shí)現(xiàn)開放實(shí)訓(xùn)教學(xué)，隨時隨地學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，幫助學(xué)生更好地完成專業(yè)通用能力學(xué)習(xí)目標(biāo)；二是專業(yè)核心能力實(shí)訓(xùn)定向開發(fā)，根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的不同屬性，定向推送核心能力實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，以提升學(xué)生的綜合職業(yè)技能，同時也能最大化提高實(shí)訓(xùn)設(shè)備的利用率；三是拓展能力培養(yǎng)開發(fā)，利用虛擬仿真平臺，協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生的大賽、科研等綜合能力。

最后，通過虛擬仿真協(xié)同平臺實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)效果智能評價。合理劃分平臺與教師責(zé)任，采用策略模式將評價所需的通用功能由平臺實(shí)現(xiàn)，與實(shí)訓(xùn)任務(wù)邏輯相關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)延后由教師實(shí)現(xiàn)。平臺為教師、企業(yè)導(dǎo)師、學(xué)生自評互評提供評價所需的API工具，教師根據(jù)實(shí)訓(xùn)任務(wù)設(shè)計(jì)評價腳本。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于既保留了教師獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的自由，又可以根據(jù)需要擴(kuò)展實(shí)訓(xùn)資源庫，將教師的工作量降到最低。

四、結(jié)束語

虛擬仿真為產(chǎn)教融合共同體的校企深度融合實(shí)訓(xùn)模式提供了有效的解決路徑，使得產(chǎn)教融合中企業(yè)設(shè)備資源得到充分利用和推廣應(yīng)用，也有效降低了實(shí)訓(xùn)教師的工作量，創(chuàng)新了專業(yè)群實(shí)訓(xùn)模式。同時，遠(yuǎn)程共享模式也實(shí)現(xiàn)了設(shè)備部署地點(diǎn)與使用地點(diǎn)分離，支持人人、處處、時時可學(xué)、可訓(xùn)，解決了計(jì)算機(jī)及人工智能類相關(guān)專業(yè)及專業(yè)群的實(shí)訓(xùn)設(shè)備及教育面臨的難題。因此，通過細(xì)化專業(yè)通用能力和專業(yè)核心能力的職業(yè)素養(yǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合虛擬仿真中的學(xué)生實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)效果及職業(yè)能力評價，將是下一步研究的重點(diǎn)。

上述基于虛擬仿真的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式及路徑探索，并不能覆蓋計(jì)算機(jī)智能應(yīng)用技術(shù)專業(yè)群之外的體系，但與其他專業(yè)，如消防、建筑、安防等，在專業(yè)能力實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面具有互通性，這些經(jīng)驗(yàn)為這些專業(yè)提供了有益的實(shí)踐參考和借鑒。

作者單位：毋建軍 北京政法職業(yè)學(xué)院

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