高原高寒地区交通建造虚拟仿真实训基地应用研究

时间：2024-07-28

王强

(青海交通职业技术学院西宁 810000)

1 背景

青海省是我国深化向西开放的重要地区，区位优势明显，战略通道意义重大，具有重要的交通枢纽功能[1-2]。青海省十四五时期将重点优化配置兰西城市群区域交通资源，畅通西部陆海新通道，大力推进“两中心三横三纵多节点”的综合交通运输发展。而交通运输的高质量发展，综合交通网不断完善，交通运输服务水平跨越式提升，使得行业内急需培养一批一专多能型的复合人才。青海交通职业技术学院道路桥梁工程技术专业群作为青海省唯一培育交通运输人才的高地，为高原高寒地区培养了一批具备过硬的现代复合型技术技能人才。在提高教育教学质量和培养高素质人才的过程中，青海交通职业技术学院高原高寒地区交通建造虚拟仿真实训基地的应用起到了积极的推动作用。

虚拟仿真实训教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，教师和学生在虚拟环境中开展教学活动。此概念提出的初衷是更好地激发学生的兴趣，增强学生创新创造能力，培养学生实践动手能力。此概念自首次提出已有20多年历史。国外高校对虚拟仿真实训基地的应用研究较早，美国耶鲁大学利用移动设备的便携性，快速便利的获取上课所需数据；科罗拉多大学构建了PhET交互式虚拟仿真实验室，开展探究性学习；加州大学开发了StarCAVE虚拟现实系统，展示三维虚拟现实模型；加拿大维多利亚大学建设了3D实验室，培养勇于创新、善于动手的创客。他们将虚拟仿真等先进信息技术应用在教育教学领域中，有效破解了实习、实践、实训教学中的难点，整合教育资源，推动混合式、翻转式课堂教学，并取得了有目共睹的教学成就[3-4]。随后国内越来越多的、各行各业的高等职业院校都认识到虚拟仿真实训基地在推进素质教育和提高实践教学效果中的重要作用。在教育部的国家虚拟仿真实验教学项目的带动下，虚拟仿真教学迎来高速增长期，虚拟仿真实训基地的应用研究呈现如火如荼的发展态势，主要集中在服装设计、数控机床、食品加工等领域[5-7]。而交通建造类院校也是要乘此东风，开展具有行业特色和地域特色的虚拟仿真实训基地应用研究。

2 高原高寒地区交通虚拟仿真实训基地简介

职业院校虚拟仿真实训基地，将先进的VR/AR/MR虚拟现实、仿真、多媒体、人机交互、数据库及网络通讯等技术融入实训教学，以实带虚、以虚助实、虚实结合、理实一体，是集虚拟仿真资源、教学、管理、评价于一体的基地综合服务平台。解决了职业教育传统实训中看不到、进不去、成本高、危险大的问题。

虚拟仿真实训基地教学与传统实训课堂相比有极大优势。

(一)可视化。通过建模和渲染将大量数据以图形的方式在屏幕上显示，可演示传统课堂上无法进行的视觉冲击效果，促进教学和学习方式发生根本性变革。

(二)可操作。通过对计算机实施输入输出指令，实现人与计算机对话，可有效地辅助操作训练。

(三)可共享。借助强大的互联网技术，实现充分搜索优质资源，获取所需资料，观看大规模网络开放课程，整合在线学习环境。

(四)可开放。作为一个动态开放系统，不受时间地点的限制，使得课后教学与学习成为可能。

(五)可虚拟现实。学生能够直接与虚拟世界交互，带着深深的沉浸感参与其中，并深入探索仿真世界，达到身临其境的效果。

(六)可情景再现。虚拟仿真使教学过程及结果再现成为可能，巩固学习，增强效果。

在上述背景下，青海交通职业技术学院道路桥梁工程基础专业群整合优势教育资源，融合高原高寒地区先进施工技术，校企共同建设了省内一流、全国领先的大型综合实训基地——路桥苑综合实训基地。在此基础上，解决了高原高寒地区多年冻土和盐渍土施工、高墩大跨径桥梁施工、隧道施工、施工安全等问题，将青藏高原特有的生态环境脆弱、高寒缺氧、紫外线强等工程特质[8]融入实训基地的后期建设中，打造能够以点带面的高原特色综合性实训基地，运用“1+3+5”架构模式(如图1所示)，建设了集“科普教育、实践教学、科研创新、企业培训、社会服务”五位一体的“高原高寒地区交通建造虚拟仿真实训基地”。

图1 虚拟仿真实训基地“1+3+5”架构图

3 对高原高寒地区交通建造虚拟仿真实训基地的应用研究

3.1 充分发挥实训基地智能管理系统和云共享平台的功能和作用

基于“系统终端+后台软件”的方式，创设智能化实训教学管理环境，服务教师、学生、企业员工、社会学习者，实现基地统一管理、协同服务。提供基地的智能化管理和预约服务，实现智能终端的课程表信息查看和教学信息发布。教学管理人员通过系统对实训基地的进行整体运行管理，实现基地设备管理、耗材管理、教学实时监测、重点空间安全管控等(如图2所示)。

图2 虚拟仿真实训基地管理平台

并以高效的业务管理、有效的过程监控、完全的资源集成、开放的共享服务为宗旨，以建立集成化、科学化、智能化、门户化管理为特色，基于 B/S 技术架构，依托云计算平台，以虚拟实训技术和分布式计算技术为支撑，建成统一集成管理聚合各专业虚拟仿真教学实训软件资源管理云共享平台。

3.2 实施课证融通，创新“四合贯通”专业群人才培养模式

以青海交通运输职业教育集团为平台，深化产教融合，适应高原高寒地区公路、市政、铁道工程等交通基础设施建设需求，对接产业组建道路桥梁工程技术专业群；校企合作，对接生产过程制定专业群人才培养方案[9]；工学结合，对接职业标准、“1+X”证书标准[10]融入教学内容，构建“三级递进、课证融通”专业群课程体系；知行合一，对接能力本位制定课程标准，推进教法改革，提高人才培养质量(如图3所示)。

图3 创新构建“四合贯通”专业群人才培养模式

3.3 基于现代信息技术构建虚实结合实践教学体系[11]

结合学校的办学定位及人才培养要求，以学生为中心，岗位能力培养目标为主体，我们提炼出虚拟仿真与具体实践相结合的实践教学目标体系(见图4)。在此基础上，青海交通职业技术学院根据道路桥梁工程技术专业群特点，重构专业群“三级递进、课证融通”的实践课程体系，制定课程标准。在实践教学内容中，完成实训、实习、设计及科技创新各环节的虚拟与现实内容的设置(见表1)。与之相适应，编制相应的实训、实习、设计教学大纲，实训指导书、设计指导书、实习指导书等。

图4 实践教学目标体系

表1 实践教学环节的虚拟与现实内容设置

为突出能力本位，将“创新创业教育、思政教育、劳动教育、美育教育”贯穿人才培养全过程，把“轨道交通装备无损检测”“道桥工程无损检测”及“建筑信息模型(BIM)”[12]职业技能等级标准融入课程内容，构建以公共基础课和职业技能课为“基础共享模块课程”、以专业可融通的核心技术课程和专项实践课程为“中层融通模块课程”、以专业能力拓展课和综合实训课为“高层互选模块课程”的“三级递进、课证融通”专业群课程体系[13-14]，虚拟仿真实训围绕实践教学内容体系而建，通过虚实结合实践教学体系，完成教学目标。

3.4 创新基于实践教学的考核评价体系，培育工匠精神

落实立德树人根本任务，以思想政治教育为核心，建立多元化考核方式。在考察学生对基本知识掌握情况的同时，更注重考核学生对知识的理解和运用能力；不仅关注实践结束时的考核结果，更注重对实践过程的管理、考核，并把多次考核与多种考核的结果相结合作为最终成绩。因此改革创新实践教学考核评价方式的重要内容之一就是在实践过程中注意观察学生基本素质、道德风尚方面的表现及存在的问题，及时加以指导并促其改正。让学生成为新时代工程工匠精神的传承者和发扬者。

3.5 “定任务、搭平台、强格局”打造“双师型”团队

3.5.1 定任务—明确实践教学创新团队的建设任务

依托青海交通运输职业教育集团、虚拟仿真实训基地等平台，实现校内教师与教师之间协同，校外教师与企业、行业机构之间协同，培育实践教学创新团队，实施分工协作的模块化教学，道路桥梁工程技术专业群教学团队建设示范见表2。

表2 实践教学创新团队的建设任务

续表

3.5.2 搭平台—全方位支撑实践教学创新团队能力提升

搭建“教学能力提升、科研能力提升、服务能力提升”三平台(见图5)，以“创新驱动、产教融合、共建共享、服务社会”的理念，校企共建产学研实践教学创新平台。通过进一步优化科研创新生态软环境、共建协同创新中心、共建混编科研团队，推进科研成果转化。

图5 “教学能力提升、科研能力提升、服务能力提升”三平台

3.5.3 强格局—持续提升结构化实践教学创新团队建设水平

通过引培结合，道路桥梁工程技术专业群建成一支“校企混编、专兼结合”的实践教学创新团队，将每一位校内教师都培育成具备“思政导师、劳动导师、专业教师、职业培训师、企业工程师”“五师”能力的教学能手，有效开展课程思政、劳动教育、专业教学、社会培训和技术服务。按照国家职业标准和教学标准提升教师开展教学、培训和评价的能力，全面实施教师分工协作进行模块化教学的模式，为全面提高复合型技术技能人才培养质量提供强有力的师资支撑。

3.6 充分发挥基地对校内和校外人员的实习实训功能

将高原高寒隧道虚拟仿真实训充分应用到教育教学领域，可以增强在校学生学习隧道施工技术的直观性。后期也会应用到高原高寒地区隧道作业人员的专业岗位鉴定考核中，发挥该系统的最大价值。

目前，青海交通职业技术学院依托虚实结合的实训基地为企业每年开展技术服务10项，面向企业员工，开发培训项目 6个，每年完成社会培训 3000人以上，职业技能等级证书考核 2000人次，出版数字化《公路施工安全管理》教材一本，开发微课100个，题库2000题，为学生及从业者提供更好的服务，提高学生及从业者安全意识。