虚拟仿真技术在城市轨道交通实训中心建设的应用研究

［摘           要］  为了解决实训教学中“看不见、进不去、成本高”的难题，同时降低职业技能训练的成本，通过分析虚拟仿真技术在城市轨道交通实训室建设中的意义，提出了城市轨道交通虚拟仿真实训室的建设思路，分析城市轨道交通虚拟仿真实训室建设的预期成效和保障措施，为相关职业院校建设虚拟仿真实训中心提供参考。

［关    键   词］  虚拟仿真技术； 城市轨道交通； 实训中心建设

［中图分类号］  G712                   ［文献标志码］  A                   ［文章编号］  2096-0603（2023）36-0106-04

一、引言

国务院发布的《国家职业教育改革实施方案》指出：到2022年，职业院校教学条件基本达标，建设50所高水平高等职业学院和150个骨干专业（群）。建成覆盖大部分行业领域、具有国际先进水平的中国职业教育标准体系。随着我国城市轨道交通的快速发展，提升现场动手能力的重要性日益体现。但是在目前的地铁企业的维修体制下，学生去地铁现场实习培训存在一些问题：首先，现场不允许使用正在运行状态中的设备进行教学演练，同时，设备不运行时间极短，没有足够时间进行实训演练。其次，培训基地造价和维护成本极高，职业院校只能采购少部分主要设备用于教学，每个人动手操作演练的时间极为有限，严重影响实操效率和训练质量。为解决这一难题，虚拟仿真技术在实训室建设中的应用就迫在眉睫。

二、研究意义

近年来，由于信息技术的快速发展及国家教育部门的大力提倡，虚拟仿真技术在高职实训教学中开始得到广泛的应用，成为实训教学重要的组成部分。虚拟仿真教学技术以提高学生的技能水平为核心，具有多感知性、沉浸性、交互性、构想性等特点[1]。以计算机技术为基础的虚拟仿真技术借助听觉、视觉及触觉等多种传感通道构造虚拟场景并实现与真实场景的交互，是以信息技术优化教学模式的又一巨大飞跃，为注重实践教学的轨道交通专业教学提供了新的思路。由于虚拟仿真技术价格低廉、无场地限制、效果良好得以广泛应用[2]。虚拟仿真技术可以仿真复杂设备的结构和工作原理，能够按照标准化检修作业步骤进行教学，可以进行虚拟的机电设备检修工作，实现在三维环境中对相应设备进行故障监测与处理，学员在虚拟训练环境中如同操作真实设备，可获得全面的实操效果。

三、建设思路

根据我国2020年出台的《职业教育提质培优行动计划（2020—2023年）》，围绕办好公平有质量、类型特色突出的职业教育，以提质培优、增值赋能为主线，坚持问题导向、需求导向、目标导向，着力补短板、激活力、提质量，本着“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，通过对已有条件进行系统升级与规划、设备采购等途径建设满足城市轨道交通各专业教学实训任务，适合各个工作岗位需求的虚拟仿真实训基地，推动虚拟现实等现代信息技术在高职教学中的广泛应用，积极推动教师角色的转变和教育理念、教学观念、教学方法、教学内容以及教学评价等方面的改革，实现“三教”改革。同时，加快创建智能化实训教学环境，建设能够满足多样化需求的课程资源，创新服务供给模式。虚拟仿真实训中心的设计完善“教、学、做”为一体的教学环境和专业综合性实训基地的理念，从演示实训教学、基本技能实训教学和项目综合实训教学三个层面，为虚拟仿真实训课程的实践教学提供保障[3]。

虚拟仿真实训基地深度融合虚拟现实技术、增强现实技术、人机交互技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、动态环境建模技术、实时三维图形生成技术和系统集成技术等新一代信息化技术，模拟传统实训操作环节的软硬件实训环境（包括虚拟的实训设备、实训工具、实训对象等），可以充分发挥新一代信息技术对高职教育的革命性影响作用，强化新一代信息技术对高职教学改革的服务与支撑，从而依托新一代信息化技术构建以学习者为中心的教学方式，大幅度提升教学应用水平和管理水平，推进实践实训教学改革。

虚拟仿真实训基地建设方面，按照专业划分实训室，以“提升学生的综合职业技能”为主要目的，这也是“打造高水平技术技能人才培养高地”的首要任务。结合虚拟现实技术所开发的虚实结合设备利用计算机仿真技术、虚拟现实技术、仪器设备、模型，以及利用场地、环境的布置，模仿出真实的工作环境、工作程序和动作要求，支持模拟生产、教学实训、考核鉴定和评价等教学活动，实现教学实训、学科教研和展示体验功能。支持学生技能训练中的认识观摩、教学演示、互动操作、考核评价，解决实训教学中“看不见、进不去、成本高、危险性大”的难题，同时降低职业技能实操的成本。

（一）以实带虚，着力打造职业教育虚拟仿真实训基地

城市轨道交通类专业基本无法购买地铁真实的大型设备，更无法完全复制地铁实际场景，这就限制了城市轨道交通类专业学生的实践教学效果。通过虚拟仿真实训中心的建设可以实现跨越式发展，解决高成本、危险环境及大型综合演练等问题。依托虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、人机交互、数据库和网络通讯等先进的信息技术以及对原有轨道交通实训基地软硬件系统升级改造，着力打造集教学、实训、创作等功能于一体的虚拟仿真实训基地，通过虚拟仿真教学资源的运用和开发，着力为学生提供与现实高度一致的高效、安全的轨道技术综合实训条件，不仅可以提升学生的综合职业技能，同时还为教师提升城市轨道交通专业课程教学技能、掌握虚拟现实工具的应用等方面提供便利的学习和练习场所。

（二）以虚助实，精心打造优势专业虚拟仿真实训体系

采用最先进的虚拟仿真技术，根据不同专业以及相应岗位的特点，引入企业真实工作场景，梳理相关课程知识点的逻辑关系，形成遵循教学规律、科学、合理、有机衔接的虚拟仿真类实训课程体系，以虚助实提升学生的职业技能。开展理论教学和虚拟仿真实训的教学方式，让学生提高动手能力，提升学生学习的积极性[4]。通过虚拟仿真设备可以实现跨越式发展，解决高成本、高消耗、危险环境及大型综合演练等问题[5]。

（三）建设具有城市轨道交通专业群特色的教学资源和虚拟仿真实训基地

为突出虚拟仿真实训建设示范性和窗口作用，以现有虚实结合仿真基地为基础和依托，建设城市轨道交通特色鲜明的虚拟仿真实训中心，聚焦城市轨道交通行业优势专业，着力打造城市轨道交通专业群虚拟仿真教学资源库。同时满足城市轨道交通专业建设成果展示等功能需求，形成集教学功能、展示功能、活动功能、文化传承和社会服务于一体，充分展示轨道交通历史文化、人才培养、示范建设、校企合作各方全貌，在满足教学和实训需求的基础上，为高职院校提供对外展示的窗口，充分发挥轨道交通虚拟仿真实训基地的示范作用。

（四）打造熟练运用虚拟仿真教学工具、教学经验丰富、技能精湛的师资队伍

通过城市轨道交通特色示范性虚拟仿真实训基地建设，一方面有利于为校内各专业教师提供一个学习和提升虚拟现实软硬件设施操作技术的场所，另一方面有利于结合任教课程的实际需要，通过校企合作开发符合人才培养要求的虚拟仿真教学资源，同时依托该基地，专业教师可指导学生参加各类技能竞赛，为专业教师学习和掌握虚拟现实等先进信息化技术提供一个学习和练习的场所。力争建设成为省内乃至国内领先的城市轨道交通特色示范性虚拟仿真实训基地，提升学校在区域内的知名度、影响力和综合竞争实力。

（五）利用虚拟仿真技术形式，积极开展“三教”改革实践探索

《国家职业教育改革实施方案》提出了“三教”改革的任务。“三教”改革中，教师是根本，教材是基础，教法是途径，它们形成了一个闭环的整体，解决教学系统中“谁来教、教什么、如何教”的问题。依托虚拟仿真实训基地，不断使用和开发虚拟仿真类教学资源，利用虚拟仿真等新技术形式，更加具有仿真性、易用性、交互性等特点，积极展开“三教”改革实际探索。有效提升教师的综合水平，解决教材建设与企业生产实际脱节、内容陈旧且更新不及时、选用不规范等问题，为开发线上线下结合运用的“立体式”教材提供资源支持，从而提升学生对专业的了解，提高实训效率。

（六）校企协同共同建设城市轨道交通虚拟仿真实训基地

依托企业，联合各大虚拟现实设备制造企业和生产企业，协同打造城市轨道交通虚拟仿真实训基地，实现虚拟仿真资源共享，重点围绕城市轨道交通运营、轨道交通机电维修等领域开发虚拟仿真案例资源和实训资源，依托本基地，开展列车行车、行车组织、运营和地面设备实操等综合实训，实现理实一体化教学、线上线下结合等混合式教学，有效提升教学质量。

（七）开展面向社会多类型、多层次的培训活动

依托虚拟仿真、虚拟现实、三维仿真等现代化技术与城市轨道交通相关专业技术的深度融合，打造实体化的实训环境和虚拟化的学习场景，创设丰富、有趣的情景，营造良好的学习氛围，激发培训者的探索热情，面向社会进行多功能、多层次的社会培训，为培训者提供思考的空间、合作的环境和实操的场景。通过虚拟仿真实训中心的前沿性及示范性，进而更准确、完善地发挥虚拟仿真实训基地对社会化服务的影响。

（八）虚实结合，创建基于动态更新机制的多感知实训教学环境

坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高城市轨道交通相关专业学生的实践能力和专业素养为宗旨，以提高学生的职业竞争力为核心，以企业需求为导向，创建基于动态更新机制的多感知实训教学环境。

1.虚实结合

依托现有硬件实训基地，与现有实训设备相结合，作为硬件实训设备的重要补充和增强，提供优质的虚拟仿真实训教学体验，完美实现虚实结合，弥补学生不能到场体验学习的缺憾。

2.突破时空限制

突破现场实体空间限制和开放时间限制，打造教学期间不间歇的教学实训基地，且数字内容更便于扩展升级和更替。

3.可扩展性

实训教学环境对应的虚拟仿真内容要保证可不断扩展的可能，便于后续灵活扩展专业及不同主题内容。做到一室多用，可兼容各类各专业虚拟仿真实训资源。

四、预期成效

（一）服务地方产业，引领技能创新人才培养

建成对接城市轨道交通真实生产环境、工作岗位的一体化综合性虚拟仿真实训基地。按照育训结合、长短结合、内外结合的要求，面向在校学生和企业职工及社会成员开展职业培训，主动服务地方经济发展。基于服务区域产业目标，企业主动参与职业教育发展，协同共建，探讨技能创新型人才培养模式。以党建为抓手，整合学院实训室资源、虚拟仿真资源、企业资源，明确学生的学习目标，培养学生的学习兴趣，激发主观能动性。培养理论—应用—实践的能力结构，增强学生解决实际工作问题的能力。

（二）打造岗课赛证融通、多要素融合的虚拟仿真应用中心

在人才培养方案中融入“X”证书、岗位需求和大赛标准，建成多要素融合的虚拟仿真实训中心，从而构建以“岗”促教的实践教学机制、以“课”促改的“三教”改革机制、以“赛”促学的学习激励机制和以“证”促训的人才评价机制。具体就是以地铁真实岗位能力需求为出发点，重构课程体系；以课程改革为抓手，着力全面推进“三教”改革；以职业技能大赛为载体，提升学生的综合职业能力；以职业技能等级证书为落脚点，构建育训并举的人才考核体制；以“岗课赛证”综合育人一体化设计为突破点，促进多要素的全员、全方位、全过程融合，通过多要素融合的虚拟仿真应用中心真正培养出一批具有复合能力的高素质、高水平技术技能人才[6]。支撑区域学生与社会人员、师资的培养培训，发挥基地对区域发展的示范、引领作用，打造成为区域内先进的虚拟仿真应用中心。