虛擬仿真實訓基地在職業教育人才培養中的應用研究
——以機電工程專業復合型技術技能人才為例

華磊

（南京工業職業技術大學 機械工程學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

十四五期間，我國需要培養出數量多、質量高的機電工程專業復合型技術技能人才支撐制造業高質量發展。虛擬仿真實訓基地可以利用自身技術特點，解決目前復合型技術技能人才培養過程中遇到的問題，有效提升實習實訓效果，對培養職業素養高、實操技能強、創新意識強的復合型技術技能人才有著重要意義。

1 研究背景與意義

1.1 國際國內發展環境

隨著全球新一輪科技革命和產業變革深入發展，新一代信息技術、生物技術、新材料技術、新能源技術等不斷突破，并與機械工程技術加速融合，為生產制造的高端化、智能化、綠色化發展提供了歷史機遇。根據2020年第七次人口普查數據顯示，2020年，我國60歲及以上的老年人口總量為2.64億人，已占到總人口的18.7%，接近5個人中就有一個老年人的比例。以上海為例，截至2020年12月31日上海市戶籍人口1478.09萬人，其中60歲及以上老年人口533.49萬人，占總人口的36.1%。受未來人口老齡化問題影響，勞動力供給缺口和人力成本上升將加速制造業向自動化、數字化、智能化轉型。2021年，我國提出了碳達峰、碳中和目標，“十四五”時期，作為碳排放第二領域的工業領域，發展和應用節能減排技術已經成為全國制造企業必須面對的問題[1]。生產制造企業將通過先進的機械工程和電子信息技術提升設備節能效果、提高資源利用效率來進一步降低碳排放量。因此生產制造企業選用智能化高效設備、雇傭機電工程專業復合型技術技能人才是未來發展的主流趨勢。

江蘇是制造大省，也是全國裝備制造業最發達的地區之一，其中以機電產品為主體的裝備制造業是國民經濟發展的基礎工業，因此對于機電工程專業復合型技術技能人才需求巨大。同時隨著數字化水平的不斷提高，需要促進從業人員技術和知識結構升級，對在職人員、轉崗人員的數字化技能要求越來越高，要求掌握必備的電子信息技術。

1.2 虛擬仿真實訓基地是職業院校重點建設內容

2021年10月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于推動現代職業教育高質量發展的意見》，明確指出“職業教育是國民教育體系和人力資源開發的重要組成部分，肩負著培養多樣化人才、傳承技術技能、促進就業創業的重要職責”，同時要求“各地要把促進企業參與校企合作、培養技術技能人才作為產業發展規劃、產業激勵政策、鄉村振興規劃制定的重要內容”。隨著信息化技術的高度發展，面向“新技術、新產業、新模式、新業態”，培養適合產業發展的復合型人才已成為職業教育的重要使命。為適應人才培養模式創新需求，進一步強化教學、學習、實訓相融合，有效彌補職業教育實訓中“看不到、進不去、成本高、危險性大”等特殊困難，全國職業院校正在推進虛擬仿真實訓基地建設。2021年8月3日，教育部職業教育與成人教育司印發《關于公布職業教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目名單的通知》（教職成司函〔2021〕35號），確定215個職業教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目，是我國職業院校未來的重點建設內容。長三角地區高職院校積極建設虛擬仿真實訓基地。根據本次基地名單顯示，長三角地區共有35個職業教育示范性虛擬仿真實訓基地。

2 復合型職業技能人才培養過程中存在困難

2.1 工科專業“課程思政”存在困難

目前大部分學生能根據自己的理想要求規劃好自己的大學夢和人生夢，樹立正確是世界觀、人生觀和價值觀。但目前一些不良的市場競爭手段和價值觀傳遞使得一些大學生不同程度地出現價值扭曲，過分強調“個人主義”，過分追求個人利益注重個人價值而忽略了自身在社會所應承擔的責任和義務，出現明顯的“拜金主義”傾向和“享樂主義”觀念，對國家大事漠不關心[2]。

《高等學校課程思政建設指導綱要》明確要求，把思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀[3]。課程思政建設是全面提高人才培養質量的重要任務，因此越來越多的職業院校開始注重將思想政治教育理念引入專業課程教育中，做好價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體的教學工作。機械工程學科專業主要是以認識新一代信息技術和生產制造過程中各種關鍵技術和事物發展規律為主要目的，反映的是物體物理原理和自然發展規律，客觀性很強。各種專業課程的設置與課程思政的聯系不緊密，再加上個別工科同學對課程思政有一定誤解，產業一定排斥性，因此在實際教學中，工科專業的“課程思政”與具有主觀意識的人文社科專業相比在教法上更有難度。

2.2 未來產業發展急需復合型技術技能人才

復合型技術人才指具有兩個或兩個以上專業或學科領域的基本知識和基本能力的人才[4]。以機電工程設計人員為例,專業知識包括機械和電氣專業知識，需要設計人員具備機械、自動化、數據分析和創新等專業能力。我國未來產業迫切需要培養大批與之相適應的復合型技術技能人才。

以長三角地區中上海、南京、杭州、寧波等核心城市為例，目前各自發揮產業優勢，培育了一批優勢突出、特色鮮明的機械工程產業集群，急需大量復合型技術技能人才。但受地域、課程、設備和師資等因素影響，目前長三角區域職業院?，F有機械工程類專業教育仍以傳統機械工程專業為主，融合信息技術和人工智能技術的課程較少，現代化教學條件基礎不強，各學科教學資源水平還有待提升，難以滿足復合型技術技能人才培養需求。

2.3 企業實踐資源不足制約了人才培養過程

職業教育中想要高質量發展，必須做到專業建設與產業發展對接，必須要突出實踐教學，其中企業實踐是職業教育必不可少的教學環節。但是現有與職業院校合作的企業較少，且企業生產任務重、安全要求高，難以為學生提供足夠的實習崗位。目前部分職業院校開展形式多樣的校企合作，嘗試與企業合作進行實踐合作教學，但很多實踐教學沒有融合企業的生產理念和工作模式，沒有將信息化、數字化、自動化等人工智能技術融入實踐教學內容中，教學內容與企業生產實際和社會發展需求脫節，學生缺乏生產現場體驗與認知，影響了學生的職業素養和職業能力培養，影響了工程機械學科專業復合型技術技能人才培養。

2.4 高端裝備的“三高三難”特點影響了學生學習深度

高端裝備價格昂貴，科技元素高，結構精密和復雜，內部構造系統和儀器表征較為縝密，在教學實施過程中存在“高投入、高耗材、高危險、難實施、難觀摩、難再現”的“三高三難”問題，如果大量應用于日常教學，讓學生獨立自主操作，設備損壞概率加大，尤其進口設備，不管是維修或更換零配件，學校都要支付巨額的費用。因此，目前不少職業院校的實訓操作環節，學生僅是走馬觀花，動手操作的機會少之甚少，無法對高端裝備進行深入了解，影響和制約著學生的實踐能力的提高，更不利于學生創新精神和創新思維的培養。

2.5 實習實訓評價不全面影響教學效果

不少職業院校在管理制造類實訓實驗室時采用人工或手工形式，實訓課教師和實訓室管理人員水平參差不齊，導致實習實訓只有最后的考核結果，缺少過程數據記錄和分析，沒有科學的學習效果評價體系，無法找出教學薄弱環節和改進方法，長此以往對教學沒有積極幫助，也不利于教師挑選出一些實際動手能力強、創新意識強的學生參加各種比賽，影響了整個實踐教學效果[5]。

2.6 學生頂崗實習受新冠疫情影響

目前新冠疫情偶有發生，嚴重影響了學生正常的實習實訓。2021年暑期，南京發生了祿口機場新冠疫情。隨即江蘇省教育廳印發通知，要求“一律不新安排在校生參加暑期集中實習實訓活動。正在進行的校內外實訓活動一律暫停，在中高風險地區開展的實習實訓活動一律暫停。對于已暫停實習實訓，滯留在中高風險地區的學生，職業院校切實做好跟蹤指導。”疫情發生期間，學生在企業進行實習實訓，存在生產安全和身體健康的風險，特別是在中高風險地區其風險性極大。疫情的發生，影響了學生頂崗實習的正常進行，影響了學習進度，急需可以保證學生健康安全的方法來保障頂崗實習順利進行。

3 虛擬仿真實訓基地的應用研究

虛擬仿真實訓基地是以社會和市場需求為導向，在院校和企業協同合作下，依托虛擬現實和人工智能等新一代信息技術，兼顧跨專業交叉實訓和社會培訓，圍繞學科專業內容，通過場地建設、硬件購置和軟件開發等，搭建具有技術先進、行業專業、模式創新的實訓環境[6]。

3.1 利用新一代信息技術，創建具有“課程思政”功能的實訓環境

虛擬仿真實訓基地引進新一代信息技術，采用虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、數字博物館、交互式媒體等開發平臺[7]，提供形象直觀的交互式學習環境，開發創建類似央視《大國工匠》、《大國重器》的視頻和沉浸式黨建知識智能答題闖關等豐富的教學資源?；卦趯嵺`課程中展示和體驗各類“課程思政”資源，著重打造新媒體技術研究及資源開發能力，旨在培養學生胸懷祖國、服務人民的愛國精神，在科技領域中敢為人先的創新精神，追求真理、嚴謹治學的求實精神，淡泊名利、投入工業的奉獻精神，引導學生認識創新在我國現代化建設全局中的核心地位，理解科技作為國家發展戰略支撐的重大意義，努力把科技自立自強信念自覺融入人生追求之中[8]。

3.2 利用“理、虛、實”一體化教學，創建多學科交叉融合的實訓環境

“理、虛、實”一體化教學中，“理”是指基于數控加工、工業機器人、智能系統等理論基礎知識；“虛”是指應用VR技術實現的虛擬仿真實訓軟件，做到了維度、真實、交互三個方面的升級；“實”表示真實的工作流程與技巧?；诶碚摶A知識，采用虛擬技術，虛擬仿真實訓實現模擬真實工作的多科學交叉融合實訓?；乩谩袄?、虛、實”一體化教學，創建多學科交叉融合的實訓課程，并且實現真實、維度、交互的升級，使學生完成從被動學習到主動學習的轉變，有效地強化了理論教學與技能實訓的融合，提升教學質量與效果。

以某工業機器人虛擬仿真實訓平臺為例，實訓平臺主要包含工業機器人示教編程虛擬仿真實訓、工業機器人工作站虛擬仿真實訓、工業機器人裝調虛擬仿真、工業機器人系統集成虛擬仿真實訓、工業機器人性能檢測虛擬仿真實訓等，培養學生的機器人示教編程、機器人運動規劃、機器人安裝維護、機器人系統集成、機器人設備調試、機器人性能檢測技術的能力[9]。

圖1 基于多學科交叉融合的工業機器人虛擬仿真實訓平臺

3.3 利用靈活豐富的數字資源，創建具有最新行業知識的實訓環境

虛擬仿真實訓基地積極發揮共建雙方的主觀能動性，根據人才培養的知識點、技能點需求，結合虛擬仿真資源優勢和數字教材特點，優化人才培養方案和實訓課程體系，由學校教師和企業兼職教師組建虛擬仿真數字化教材編寫團隊，共同研討教學需求，建設虛擬仿真活頁式或工作手冊式的教材，構建模塊化課程，進行“最新行業知識+數字化虛擬仿真課程資源”的一體化建設。將數字化教材與現有機電工程專業課程體系對接，把行業規范融入虛擬場景，建設工匠工坊方面數字化教材，提升學生職業素養，通過數字教材的交互臨感技術培養制造業現代工匠型人才。同時，隨著信息技術和產業升級情況，及時更新教材內容，如碳達峰、碳中和目標內涵等，為學生提供不同行業、不同產品的制造車間運行過程和崗位體驗，提升學校學生職業素養，完善制造職業教育數字化虛擬仿真教材體系建設。

3.4 利用沉浸性和交互性功能，創建最接近真實設備車間的實訓環境

虛擬仿真實訓基地按照能實不虛、以實帶虛、虛實結合的原則，使用先進的數字技術，根據真實的企業流程、工作環境、制造設備、關鍵崗位、生產任務和業務流程開發虛擬仿真實訓軟件和任務，使用者可從虛擬仿真系統中獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種工業現場感知，從而獲得猶如身在車間的感受，同時使用者可以按照自己意愿對智能設備進行控制，虛擬設備能夠對使用者的操作予以實時的反應。實訓基地把工業開發與虛擬現實無縫對接，教學內容完全實戰化，學生先通過模擬訓練掌握高端裝備的工作原理、操作步驟和加工關鍵點，然后再真機實操，就可以在保證設備完好的前提下將知識學深學透。

3.5 利用大數據分析技術，創建具備大數據聚合與分析的實訓環境

虛擬仿真實訓基地系統平臺基于大數據理念開發，對所有數據自動采集并做對比分析。從學生到教師、從學院到學校、從單元再到全平臺，實現數據全覆蓋。所有采集數據均有可視化圖表展示，滿足教師教學、教務管理、實驗管理、成果展示方面的數據需求。平臺不僅可實現老師對學生個體、班級整體的學習效果進行及時的評估和針對性的改善，形成行為分析并進行持續改進；還可實現學校對全體老師、學生的教學大數據的聚合與管理，通過這些學習反饋，學生可以知道自己學得如何；教師查看學習反饋知道自己教得怎么樣。通過多維度、多層次的數據對比分析，充分體現教育信息化的實施進程，引領教育信息化的發展方向。

平臺基于大數據分析技術可實現對師生虛擬仿真實訓結果的智能分析與精準評估功能。對于學生，通過針對虛擬仿真實訓數據的自動采集，依據指標體系和評估規則對實訓中的問題進行評估分析，并給出評估分數、優勢之處和不足之處，根據評估結果有針對性地改進實訓方法，支持學生的日常體培訓。對具有創新意識和創業想法的學生進行“一人一師、一人一策”的專項輔導，也可將相關數據提供給學校競賽賽前訓練使用。對于學校管理層以及政府和社會監督力量，綜合匯聚各類實訓過程、人員、場地、裝備、計劃和考核數據，通過云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術的加工處理，并針對校（院）、政府機構或社會監督力量關注的重點領域進行多層級多維度的可視化分析與挖掘，輔助校（院）科學決策，實現全面實訓情況的綜合分析和輔助決策，以及呈報實訓基地的綜合使用情況。

3.6 利用獨立可控的基地，創建保障師生健康安全的實訓環境

根據教育部《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》文件精神，疫情期間要做好“停課不停教、停課不停學”等工作。對于職業教育，頂崗實習是高等職業教育實踐性教學環節的重要組成部分,在人才培養中起著十分重要的作用。疫情發生時，校園不同于企業，通過封閉管理等更嚴格的措施保障在校師生的健康安全[10]。

虛擬仿真實訓基地建設在大學校園內，有固定的教學場地，對于疫情防控的要求符合高校疫情防控要求。虛擬仿真實訓基地通過虛擬仿真技術，模擬制造企業生產流程，重現企業生產過程，在保障學生安全健康的基礎上確保學生能較高質量地完成實習實訓。大家在健康的環境中進行頂崗實習，心態平穩，可確保相關的實習實訓安全進行，保障師生安全。

4 結語

虛擬仿真實訓基地的建設，使教育教學場景呈現可視化、立體化、交互化、真實化、數據化等特點，提供了工科專業“課程思政”新模式，融合了多學科專業知識，推動了數字化資源的場景應用，體驗了真實生產設備和制造流程，增強了學習效果評價功能，保障了師生健康安全，創新了復合型技術技能人才培養模式，有助于提高學生的理論學習、實踐操作、創新應用能力。