职业教育虚拟仿真实训基地建设研究

李 刚

（1.南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210031；2.芜湖固高自动化技术有限公司，安徽 芜湖 241060）

虚拟仿真实训基地建设作为院校常规教学的有力补充，在普通高等教育的发展过程中起到了重要的作用，有效解决了高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现，即“三高三难”的理论和实践教学问题。高等职业教育相对于普通高等教育，要求更多的实践教学环节，相对来说存在更多的“三高三难”问题，[1]尤其是工科专业，实训存在较多的高危环境，虚拟仿真实训基地建设势在必行。

2021 年10 月19 日，由教育部科技发展中心主办的职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作推进会在南昌召开，标志着职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设正式拉开帷幕。[2]

从院校分享的案例和参展的虚拟仿真软硬件供应商展示的产品可知，职业教育示范性虚拟仿真实训基地的建设取得了较大的进步，具有育训结合、形式多样等特色，但也存在硬件应用不合理、交互性理解有偏差等问题，需要从专业性、体验效果等多方面研究，以便保障基地建设更符合职业教育的特点。

一、虚拟仿真实训基地建设具有的特色

（一）有机融入素质教育元素

职业院校在建设虚拟仿真实训基地时，顺应了素质教育的要求，将“立德树人”“三全育人”等元素有机地融入其中，[3]开展素质教育中心、红色党建基地、爱国主义教育基地的建设，应用VR技术，增强教育过程的沉浸感，有效提升教育效果。

（二）有力带动资源建设开展

职业院校通过虚拟仿真实训基地建设，开发VR 课程资源，覆盖大部分专业课程，占课程总数的60%以上，较好地推进了专业课程建设，同时带动相关专业群仿真实训室、仿真资源建设，对人才培养质量的提升有很好的促进作用。

（三）有效提升社会服务水平

职业院校借助虚拟仿真基地的硬件、开发工具等资源，联合企业开展VR 资源开发、仿真技术应用等领域的师资培训，拓宽学校对外服务的领域；部分示范院校充分发挥VR 资源的培训和科普功能，开展企业员工培训、科普教育，提升社会服务水平。如九江职业技术学院，应用仿真设备和资源开展员工培训，承担江西省95%以上内河船员培训，同时成立船舶与海洋工程技术研究所，利用虚拟仿真技术解决舱室布置、吊钩工艺设计等难点，研发设计新船型40余条。

二、虚拟仿真实训基地建设存在的问题

已建的虚拟仿真基地在人才培养、社会服务等方面取得了较多的成果，但是也存在一些比较明显的问题。主要体现在硬件应用不合理、交互性理解有偏差、开发平台建设不足、资源深度不够以及师资队伍专业能力提升和专业技术服务能力提高等方面存在薄弱环节。

（一）硬件应用不合理

可展示VR 资源的硬件多种多样，可以是PC机，也可以是桌面式VR 一体机、沉浸式LED 大屏、沉浸式头盔、MR 眼镜等，每个硬件都具有不同的特点，要根据资源特点合理选择硬件。从已建的虚拟仿真基地来看，硬件应用存在不合理现象。比如工业机器人、电气控制类资源，因其场景内模型表面较为简单，没有明显的凸凹和较大的纵宽比，导致左右眼中的图像区别较小，3D 效果很难发挥优势，展示效果与传统资源比较没有太明显的区别。此类资源如果盲目使用3D 设备，不仅没有改善体验，还会导致亮度降低（3D 眼镜所致）、教学过程复杂度增加、实训效率降低等一系列问题。

此外，3D 设备（除裸眼设备外）在使用时，需要佩戴3D 眼镜，专业技能实训中长时间使用会导致部分操作者眩晕和不适，尤其是多人协作时，主动设备对被动设备的影响非常大。

（二）交互性理解有偏差

《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》（以下简称《指南》）要求：“发挥不同类型及交互方式虚拟仿真实训资源的优势，实现实训教学的生动性、趣味性、互动性和自主性”。这里的交互方式可以分为三个层次：界面操作、人机互动、混合现实。人机互动又可分为观察与移动、肢体互动、声音交互三个层次。在很多虚拟仿真基地中，“互动性”主要体现在人机互动的层面，即使用手柄、空间操作笔、动作捕捉等设备，进行场景漫游、物体移动、旋转、抓取、拆解等操作，而混合现实层面的互动占比较少。界面操作、人机互动比较适合产品展示、科普活动等场合，而职业教育主要培养学生的专业动手能力，这个动手能力不是操作手柄的能力，而是使用专业设备、软件的能力，过分强调VR设备的互动是本末倒置。

（三）平台的理解较狭隘

已建的虚拟仿真基地中，都非常重视平台建设，包括资源开发平台、资源管理平台等，从完整性来说是比较好的。在已建的资源开发平台中多数是VR 资源开发平台，主要用于VR 设备所使用的资源开发，交互层次较低，针对混合现实资源的开发平台建设没有受到应有的重视。

（四）教师专业能力提升和技术服务方面较欠缺

虚拟仿真实训基地建设的初衷是解决实训痛点难点问题、加强“双师型”教师队伍建设、服务行业企业技术创新等。从现有虚拟仿真实训基地建设情况来看，在一定程度上解决了实训痛点难点问题，但“双师型”师资队伍建设和服务行业企业方面还有欠缺，多数职业院校开展的内容主要集中在VR 资源开发、仿真资源应用和员工培训等方面，在师资队伍专业能力提升中的技术开发、创新等方面开展工作较少。

三、如何建设虚拟仿真实训基地

为避免前述问题，在虚拟仿真实训基地建设时，须从环境建设、资源建设、服务定位三个方面综合考虑，确保场所合理、硬件合适、资源有效，对教学水平、师资队伍建设、社会服务能力的提升具有较好的促进作用。

（一）环境建设

职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设要围绕“服务人才培养、增强师资能力、提升服务水平”这条主线，以平台建设为核心，以虚拟仿真研创中心、专业虚拟仿真实训中心为重点，结合专业定资源类型、依据能力定交互层次、根据交互层次定设备，综合考虑各类资源开发和资源利用，让基地更好地发挥功能。

1.虚拟仿真实训教学管理及共享平台

教学管理及共享平台应包括教学管理、教务管理、设备管理、资源管理等功能，并且具有跨终端的特性，通过账号授权和记录用户在不同设备上的使用情况与成绩管理，实现“平台互联”。因WebGL、H5（3D）、Unity Web Player 等资源浏览方式存在加载时间长、终端要求高、知识产权保护难等问题，资源管理模块应具有云渲染的特性，使资源与用户分离，降低资源对终端硬件配置和系统的要求，确保随时随地、任意终端的在线访问。同时，云渲染具有良好的兼容性，便于学校构建统一云平台入口。

2.虚拟仿真研创中心

虚拟仿真研创中心在建设过程中应综合考虑资源开发和利用，重点建设资源开发平台、资源测试平台、综合仿真平台等，并与虚拟仿真实训教学场所有机结合，充分发挥资源的教学、教研、科研、科普、竞赛等功能，实现“课证”“赛证”“科创”的资源融合。

资源开发平台用于师生开发VR 教学资源，应支持无编程、无代码方式进行互动内容开发；资源测试平台用于所开发资源的测试和展示；综合仿真平台用于部署专业仿真软件和工具，用于工程仿真和验证。

科研功能是研创中心建设过程中比较容易忽略的部分，对于虚拟仿真实训基地来说研创中心不仅要具有资源开发功能，更应具有利用资源开展企业服务的功能，所以虚拟仿真研创中心应该作为必建内容，成为虚拟仿真基地的重要组成部分。

3.虚拟仿真实训教学场所

虚拟仿真实训教学场所包括专业虚拟仿真实训中心、公共虚拟仿真实训中心、虚拟仿真体验中心等。专业虚拟仿真实训中心应以混合现实层次互动为主要形式，首选PC 类仿真资源，提高专业实训的有效性和可开展性，避免为了“3D效果”而采用VR 设备。公共虚拟仿真实训中心可采用桌面级VR 设备，提高课程的体验感和趣味性。虚拟仿真体验中心可以根据学校专业分布、互动层次等，合理选用AR、VR设备。

教学场所可选用小间距拼接LED 屏替代投影或触控屏，增大显示区域、改善显示效果。

4.硬件设施

根据资源中模型的复杂程度、交互层次高低，选择合适的设备。模型复杂，曲面较多、凸凹感强的模型，适合选用3DVR 设备，增强模型的真实感，如恐龙、蝴蝶等生物类科普资源；模型简单，曲面较少、凸凹感弱的模型，适合选用PC 等普通设备，保证交互性和运行速度，如通用机械类、电气类、工业机器人类、智能制造类实训资源；模型场景较大，适合选用AR 设备或CAVE 系统，通过空间显示增强沉浸感，尤其是AR 设备，使操作者任意角度和距离接触资源内物体；技能实训类资源应以能力要求为主要考虑内容，依据《指南》要求：切实遵循“以实带虚、以虚助实、虚实结合”原则，避免“为虚而虚”，如表1 为常用VR设备的特点和适用场景。

表1 常用VR设备的特点和适用场景

需要强调的是多通道CAVE 系统、幻影成像系统都是应用投影原理，对环境光线比较敏感，不建议在长期教学中使用；大空间多人协同交互系统需安装定位捕捉装置，对场地要求较高，适合媒体类小班教学和大场景体验教学等。

（二）资源建设

硬件和场所是资源展示的载体，资源是硬件和场所的灵魂。资源类型较多，按交互层次可分为界面操作型资源、人机互动型资源、混合现实型资源；按虚实关系可分为以实带虚的纯虚拟资源、以虚助实的模块化资源、虚实结合的数字孪生资源。不同类型的资源具有不同的特点和作用，需根据专业特点、课程性质、能力要求及实训条件等因素综合考虑，切不可千篇一律，“为虚而虚”。

1.以实带虚的纯虚拟资源

以实带虚的纯虚拟资源是以实物为参照，开发出的模拟工作原理、实物拆装等内容资源，主要解决教学过程中难观摩、难实施的教学内容，如航空发动机工作原理、工业机器人拆装等资源。此类资源直观、生动，对学生学习兴趣的提高具有明显的效果，常用于专业基础课程的教学和展示型科普活动当中。

2.以虚助实的交互式资源

以虚助实的模块化资源是以虚拟资源替代部分实物，实现实物、虚拟资源相结合的教学资源，主要解决教学过程中投入较大、具有一定危险性的教学内容。从虚拟资源的内容上又可以分为虚拟载体类资源和虚拟场景类资源。虚拟载体类资源是用VR 技术搭建实训平台，通过实物控制装置，实现专业技能的训练，如智能制造类专业采用实体示教器控制虚拟机器人综合实训台，可实现安全、低成本的大规模实训，如借助AR 技术，可实现虚实空间融合的效果。虚拟场景类资源是利用VR 技术搭建实训场景，通过模拟实训装置和虚拟场景，增强实训体验感，如轨道交通类专业采用模拟驾驶装置和虚拟路景相结合，实现真实的操作体验。

以虚助实的交互式资源，通过VR 技术，连接现实与虚拟世界，对投入较高、场景较大、难以实施的实训有较好的效果，常用于专业技能实训教学和体验型科普活动当中。

3.虚实结合的数字孪生资源

数字孪生资源是将虚拟仿真模型与实训设备彼此映射，形成一一对应的“数字双胞胎”，实现“虚拟的也是真实的”“所见即所得”“仿真与实际相统一”的效果，能进一步增强资源的体验感。建议虚拟资源、实训设备采用多对一模式，形成虚拟仿真、实物验证的教学模式，既能有效解决实训设备台套数少的问题，又能解决虚拟到现实存在的模糊不清的感觉。这类资源也是教育部科技发展中心鼓励建立的。

（三）服务定位

虚拟仿真实训基地应具备资源开发、团队建设、科技服务等功能。

1.资源开发

资源开发功能可确保资源可持续改进和更新，适应教学内容的改变。虚拟仿真基地建设，应根据院校专业开设情况，部署资源开发平台，有VR 相关专业时，可部署专业级VR 资源开发平台，如Unreal、Unity 等；没有VR 相关专业时，可部署零编程开发平台。开发形式可以采用合作开发的方式，确保资源开发的高效性和专业性，校企双方共享知识产权，院校可参与资源的管理和推广。

2.团队建设

建立资源开发、资源应用、专业仿真软件应用等方向，多维度差异化团队培养体系，校企共建师资团队，加强人才交流，扩大教学能力大赛参与面，提高师资队伍教学研究能力。

（1）共建联合技术中心，共培共享师资团队。院校与VR 硬件制造企业、资源开发企业、相关专业知名企业开展深度合作，建立校内联合技术中心，面向VR 相近专业教师，开展VR 资源专业级开发培训；面向非VR 相近专业教师，开展VR 资源零编程开发培训和VR 技术应用培训；面向各专业教师开展相关专业仿真软件应用培训，打造一支VR技术+“双师型”师资团队。

（2）设立企业专家工作室，加强人才交流。以工作室等形式，引进专业相关企业知名专家，加强横向交流。依托企业研发、设计、生产、制造优势，借助院校专业仿真、测试平台和专业师资力量，开展产品仿真设计分析等工作。

（3）依托VR 资源，广泛开展教学能力大赛。以所开发的VR 资源为载体，借助专业虚拟仿真实训中心、公共虚拟仿真实训中心、虚拟仿真体验中心等教学场所，广泛开展教学能力大赛，检验教师的资源应用能力和资源的应用效果，形成以赛促教、以教促研的资源开发、应用、完善、升级的良性循环体系。

3.科技服务

充分利用基地部署的软硬件资源，依托联合技术中心、工作室，面向兄弟院校开展VR 资源开发、VR 资源应用等方向的师资培训；面向VR 硬件制造企业，开展资源适配、系统集成等方向的技术服务；面向VR 资源开发企业，开展专业资源开发、员工培训等方向的技术服务；面向中小学、社会民众开展科普教育服务；面向专业相关企业，开展方案设计、产品优化、工艺分析、升级改造等方向的技术服务。

在此基础上，做好研究成果转化工作，开展软著、专利、论文等成果输出工作，全面提升院校的科技服务能力和水平。

四、结语

在虚拟仿真基地建设中需要大量硬件和软件，整体投入规模较大，在建设时要充分了解相关硬件和软件的特点，结合专业布局、专业能力要求、资源交互层次、场景大小、模型复杂度等因素综合考虑，合理选用软硬件同时兼顾素质教育、基础理论教育、专业实践教育、职业培训、科普教育、技术服务等环节。做到认知实训视觉冲击感强、基础实训安全高效、综合实训低成本、毕业设计有载体、科普培训全功能，更有效地利用基地资源，提升专业水平、教学能力，实现院校高质量发展。