軌道交通虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)資源共建共享平臺

［摘 要］ 虛擬仿真實訓(xùn)是適應(yīng)我國未來職業(yè)教育發(fā)展，主動適應(yīng)變革的重要舉措。我國軌道交通行業(yè)發(fā)展迅猛，行業(yè)技能型專業(yè)人才數(shù)量和素質(zhì)卻未能同步跟進。針對軌道交通領(lǐng)域的虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)展開研究，分析了職業(yè)教育教學(xué)資源共享共建機制，并建立了軌道交通專業(yè)群協(xié)同虛擬實訓(xùn)平臺，進一步通過校企合作貫通了培養(yǎng)院校聯(lián)盟及領(lǐng)辦軌道交通職教集團，實現(xiàn)實訓(xùn)教學(xué)資源的統(tǒng)一建設(shè)與管理，形成虛實結(jié)合的軌道交通職業(yè)教育實踐教學(xué)模式，促進職業(yè)教育向?qū)I(yè)集群化培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，有效提高教學(xué)效果與職業(yè)教育水平。

［關(guān)鍵詞］ 軌道交通；虛擬實訓(xùn)；職業(yè)教育；教育資源共享

［基金項目］ 2022年度教育部高等學(xué)校科學(xué)研究發(fā)展中心專項課題“虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用”（ZJXF2022127）

［作者簡介］ 曹 勇（1968—），男，四川成都人，碩士，成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通學(xué)院教授，主要從事鐵道工程研究；陳愛平（1972—），男，四川成都人，本科，成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通學(xué)院副教授，主要從事鐵道工程研究；劉凱文（1985—），男，重慶人，博士，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事鐵道工程研究。

［中圖分類號］ G712 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）45-0057-04 ［收稿日期］ 2023-09-12

引言

當(dāng)前我國軌道交通類高職專業(yè)人才培養(yǎng)在實踐教學(xué)方面存在一定的不足，實訓(xùn)設(shè)備昂貴、設(shè)備占地面積大、設(shè)備型號舊、設(shè)備故障率高等問題長期制約著專業(yè)人才的培養(yǎng)。在行業(yè)不斷發(fā)展進步過程中，軌道交通相關(guān)技術(shù)、設(shè)備等也在不斷發(fā)展變化，這就要求在教學(xué)中盡可能創(chuàng)設(shè)接近現(xiàn)實的情境，有利于讓學(xué)生沉浸其中并高效學(xué)習(xí)，以勝任將來軌道交通方面的工作。虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸融入高等職業(yè)教育已是大勢所趨，并為軌道交通類專業(yè)實踐教學(xué)帶來新的活力。例如，陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院陸續(xù)開展并建成“國家級土木工程檢測技術(shù)國家級教學(xué)資源庫”“國家級地下與隧道工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫”等相關(guān)虛擬仿真教學(xué)資源［1-2］。成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院搭建多項虛擬仿真實訓(xùn)項目，并在階段性的人才培養(yǎng)中發(fā)揮了積極的作用［3］。

在交通土建行業(yè)迅猛發(fā)展的時代背景下，依托信息技術(shù)與交通土建工程的融合，借力重大工程參與、重點科研項目推進、重點實驗室建設(shè)，國內(nèi)以西南交通大學(xué)等為代表的高校較早開啟了交通土建工程虛擬仿真實驗的探索，在虛擬仿真實驗技術(shù)上獲得了大量資源積累［4-6］。

筆者主動響應(yīng)教育部《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓(xùn)基地建設(shè)工作的通知》文件精神，通過云（邊緣）渲染技術(shù)、交互技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等新興信息化技術(shù)，針對軌道交通專業(yè)群虛擬仿真實訓(xùn)基地教學(xué)管理及建設(shè)共享管理平臺展開相關(guān)研究。

一、現(xiàn)有軌道交通職業(yè)教育虛擬實訓(xùn)教學(xué)局限

軌道交通專業(yè)群虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)中心建設(shè)是高職實踐教學(xué)主動適應(yīng)變革的重要舉措。然而，當(dāng)前的虛擬仿真項目普遍存在如下局限。

第一，缺乏頂層設(shè)計和整體規(guī)劃。學(xué)校在信息化的建設(shè)過程中缺少頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃，學(xué)校不同部門各自建立了很多管理系統(tǒng)和教學(xué)系統(tǒng)，存在一定程度的低效重復(fù)建設(shè)、信息孤島等現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用脫節(jié)，無法產(chǎn)生統(tǒng)一的教育管理、教學(xué)評價、教學(xué)決策。由此造成已建成的校園網(wǎng)和多媒體設(shè)施難以在教育教學(xué)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用和效益，制約了教育信息化工作的深入開展。

第二，虛擬仿真資源的不足給持續(xù)開展實訓(xùn)帶來阻礙。虛擬仿真實訓(xùn)平臺的最大優(yōu)勢是可以根據(jù)社會發(fā)展需求定制企業(yè)對于人才需求的教學(xué)資源。目前，各院校鑒于虛擬仿真教學(xué)資源開發(fā)難度大且后續(xù)持續(xù)增加資源費用較高，所運用的虛擬仿真資源多，給企業(yè)需求及人才培養(yǎng)帶來了較大的阻礙，并沒有完全發(fā)揮虛擬仿真實訓(xùn)資源對高職院校人才培養(yǎng)的作用。

第三，沒有統(tǒng)一的管理平臺，造成應(yīng)用孤島、信息孤島、數(shù)據(jù)孤島。在“互聯(lián)網(wǎng)+”教育的大環(huán)境下，有的學(xué)校還沒有實訓(xùn)基地管理等教學(xué)相關(guān)系統(tǒng)，有的學(xué)校采購了多個教學(xué)系統(tǒng)，教師自主選擇教學(xué)系統(tǒng)并進行教學(xué)。這種情況導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源分散在多個不互通的系統(tǒng)中，產(chǎn)生了大量的應(yīng)用孤島、信息孤島、數(shù)據(jù)孤島，各個不同機構(gòu)平臺采集的數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)結(jié)果不一致，院校較難統(tǒng)一對在線課程的授課質(zhì)量和授課過程等數(shù)據(jù)進行回收、匯總和跟蹤，無法形成對學(xué)生在線學(xué)習(xí)行為的形成性評價。

第四，資源建設(shè)分散，無法形成優(yōu)質(zhì)資源庫及共建共享機制。學(xué)校采購不同的獨立的教學(xué)、實訓(xùn)等系統(tǒng)，由教師自主選擇將課程資源放在哪個系統(tǒng)中進行授課，在這種情況下無法形成教師優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的匯聚，無法通過日常積累形成校本資源庫。有的學(xué)校采購了優(yōu)質(zhì)的在線資源內(nèi)容，但僅供自己校內(nèi)使用，很難形成更大范圍的共享，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，資源也需要不斷更新，學(xué)校還需要反復(fù)購買。

二、軌道交通虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)思路

（一）總體目標(biāo)

搭建四大板塊“實訓(xùn)教學(xué)、資源共建共享、教學(xué)支持與數(shù)據(jù)服務(wù)、智慧門戶”與十大中心體系“教學(xué)中心、課程中心、素材中心、實訓(xùn)中心、資源管理系統(tǒng)中心、共建共享中心、公共基礎(chǔ)與支持中心、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、應(yīng)用中心、用戶中心”，以共享優(yōu)質(zhì)實訓(xùn)教學(xué)資源，實現(xiàn)虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)場所、虛擬仿真實訓(xùn)設(shè)施設(shè)備和虛擬仿真實訓(xùn)資源的跨專業(yè)、跨院校、跨地域統(tǒng)籌管理，賦能軌道交通專業(yè)群高素質(zhì)技術(shù)技能人才培養(yǎng)新需求。

（二）平臺架構(gòu)

本平臺結(jié)構(gòu)采用B/S架構(gòu)，依托云計算、霧計算和邊緣計算等技術(shù)，順應(yīng)5G發(fā)展趨勢，將仿真運算程序和3D模型資源留在服務(wù)器上，僅將仿真和渲染后的3D界面推送給“瘦客戶端”，降低信息處理開銷和數(shù)據(jù)傳輸總量。

服務(wù)器端采用面向切面編程思想，使系統(tǒng)更易維護和擴展，同時降低系統(tǒng)耦合度且提高了軟件可維護性。系統(tǒng)在設(shè)計時使用多層架構(gòu)開發(fā)模式，包括：設(shè)備層、技術(shù)層、基礎(chǔ)層、資源層、應(yīng)用層、用戶層，可以讓系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)的顯示與業(yè)務(wù)邏輯分離，使得各模塊更加易于測試。

1.用戶層：可面向校內(nèi)教師、學(xué)生、管理人員，校外上級主管部門等分別提供相關(guān)VR教學(xué)實訓(xùn)服務(wù)。

2.應(yīng)用層：面向不同人員與角色，可提供虛擬仿真資源共享、VR教學(xué)、仿真實訓(xùn)、實訓(xùn)診斷與分析等相關(guān)功能。

3.資源層：主要負責(zé)資源的管理，具體包括教學(xué)資源和VR仿真實訓(xùn)資源（VR資源、AR實訓(xùn)資源、數(shù)字孿生實訓(xùn)資源、半實物仿真實訓(xùn)資源）等。

4.基礎(chǔ)層：提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心、統(tǒng)一身份認證、統(tǒng)一門戶平臺、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口等相關(guān)服務(wù)。

5.技術(shù)層：虛擬仿真實訓(xùn)管理與資源共享平臺涉及技術(shù)面廣泛，主要的底層支撐技術(shù)包括資源交互與兼容技術(shù)、跨平臺多終端適配技術(shù)、VR快速開發(fā)工具、大數(shù)據(jù)采集與挖掘技術(shù)、云渲染技術(shù)、云計算技術(shù)等。

6.設(shè)備層：主要包括多形態(tài)VR設(shè)備（桌面式操作一體機、沉浸式LED智能大屏、多通道CAVE系統(tǒng)、大空間多人協(xié)同交互系統(tǒng)、4K幻影成像系統(tǒng)、720°全息投影系統(tǒng)、可穿戴智能設(shè)備、數(shù)字孿生設(shè)備）以及文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、渲染GPU服務(wù)集群等。

（三）功能建設(shè)

本系統(tǒng)在搭建過程中，采用市面上主流的云渲染技術(shù)、交互技術(shù)和跨平臺瀏覽器和多硬件終端適配技術(shù)等，其主要優(yōu)勢如下：（1）云渲染/邊緣渲染技術(shù)。復(fù)雜渲染場景或?qū)崟r交互性較弱的實訓(xùn)內(nèi)容采用云渲染模式，簡單場景渲染內(nèi)容或?qū)崟r性要求較高的場景采用邊緣渲染模式。（2）交互技術(shù)。在Web3D、WebXR、OpenXR和CloudXR等通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，綜合制定2D/3D模型，資源的保存、壓縮、傳輸、呈現(xiàn)和交互標(biāo)準(zhǔn)，保證虛擬仿真實訓(xùn)資源來源的多樣性以及與現(xiàn)有在線教學(xué)資源的兼容性。（3）跨平臺瀏覽器和多硬件終端適配技術(shù)。虛擬仿真實訓(xùn)資源在不同的硬件平臺之間均能通過瀏覽器無縫展示及交互，獲得授權(quán)的用戶均能通過多形態(tài)虛擬仿真終端設(shè)備在任意地點、時間經(jīng)多種瀏覽器訪問，使用虛擬仿真實訓(xùn)資源。（4）軟件開發(fā)工具技術(shù)。虛擬仿真實訓(xùn)資源軟件開發(fā)工具包（SDK），使不懂源代碼編程的人員也能借助3D可視化開發(fā)工具制作出個性化的仿真模型、3D動畫、交互式場景等，并打包發(fā)布至云端，經(jīng)加密或版權(quán)保護處理后發(fā)布。（5）數(shù)據(jù)采集及挖掘技術(shù)。通過傳感器、監(jiān)視器等實時跟蹤采集虛擬仿真實訓(xùn)“教、學(xué)、考、練、評”過程的數(shù)據(jù)，利用人工智能手段對實訓(xùn)過程大數(shù)據(jù)進行挖掘分析并畫像，為虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量的診斷和改進提供依據(jù)。（6）與第三方接口的數(shù)據(jù)對接。系統(tǒng)通過接口與第三接口同步基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以減少重復(fù)性的數(shù)據(jù)錄入工作功能，包括API接口功能、任務(wù)計劃同步功能、多人協(xié)同操作功能。

三、虛實結(jié)合實踐教學(xué)及資源共建共享機制

軌道交通系統(tǒng)體系龐大，包括信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，對應(yīng)實際工作環(huán)境復(fù)雜，需要多專業(yè)協(xié)同作業(yè)。因此，軌道交通職業(yè)教育除技術(shù)能力提升外，還須注重培養(yǎng)團隊合作和協(xié)調(diào)能力，滿足實際生產(chǎn)的需要。本文構(gòu)建了以“軌道專業(yè)群+仿真實訓(xùn)基地+校企合作”為核心的軌道交通職業(yè)教育培養(yǎng)體系，涵蓋多崗位、多工種的專業(yè)群體，貫通院校實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)，構(gòu)建具有作業(yè)環(huán)境屬性的軌道交通專業(yè)群虛擬仿真實訓(xùn)平臺共建共享平臺。

（一）“以群建院”建成區(qū)域高水平軌道交通類特色專業(yè)群

學(xué)校堅持“以群建院”的辦學(xué)思路，主動服務(wù)軌道交通運營維護產(chǎn)業(yè)鏈，打造軌道交通專業(yè)群，立足軌道交通運營維護領(lǐng)域，服務(wù)軌道交通高端產(chǎn)業(yè)，服務(wù)“成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈”。其中，鐵道交通運營管理專業(yè)為全國職業(yè)院校交通運輸大類專業(yè)示范點、鐵道信號自動控制專業(yè)為四川省現(xiàn)代學(xué)徒制試點、高鐵綜合維修專業(yè)為我院新開設(shè)專業(yè)。

通過對現(xiàn)有的軌道交通專業(yè)實訓(xùn)場地進行資源整合、合理布局，構(gòu)建一個多崗位、多工種、多工位的綜合性虛擬仿真實訓(xùn)實踐基地。輻射以軌道交通的鐵道交通運營管理、鐵道車輛技術(shù)、鐵道信號自動控制、鐵道工程技術(shù)為代表的多個專業(yè)，可以滿足專業(yè)學(xué)生或從業(yè)人員的實訓(xùn)、實習(xí)、教學(xué)、考核、培訓(xùn)、技能鑒定以及應(yīng)急演練等。

（二）“虛實結(jié)合”建成區(qū)域高水平虛擬仿真實訓(xùn)基地

依托虛擬現(xiàn)實、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)應(yīng)用水平的不斷提升，將信息技術(shù)和實訓(xùn)設(shè)施深度融合，以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合，建設(shè)符合要求并滿足需求的虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)場所。堅持“一館區(qū)、兩平臺、三中心”的基本思路，通過“政、行、企、校、研”聯(lián)動，共建、共享、共用軌道交通虛擬仿真實訓(xùn)基地，并對外開放30余個虛擬仿真實訓(xùn)項目，其中線上虛擬仿真實訓(xùn)項目6個、線下虛擬仿真實訓(xùn)項目24個，最終形成集“理論學(xué)習(xí)+虛擬訓(xùn)練+真技實操+仿真體驗科普”于一體的高效教學(xué)、實訓(xùn)場所和社會公益服務(wù)基地。

（三）“校企合作”打造區(qū)域示范性共建共享實訓(xùn)管理平臺

學(xué)校秉承“校企合作、產(chǎn)教融合”的原則，與虛擬教學(xué)頭部企業(yè)深度合作，依托學(xué)校軌道交通專業(yè)群優(yōu)秀的教育教學(xué)資源，結(jié)合國家級軌道交通虛擬仿真實訓(xùn)基地建設(shè)的要求，共同打造區(qū)域示范性共建共享實訓(xùn)管理平臺。

通過本校牽頭的中高職人才貫通培養(yǎng)院校聯(lián)盟，以及領(lǐng)辦的軌道交通職教集團，開展多路徑校際、校企、軍民合作，共建共享平臺資源庫，實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一；構(gòu)建不同用戶角色，可以根據(jù)不同的角色設(shè)定系統(tǒng)框架，針對不同的用戶提供多種功能的接口。要能夠適應(yīng)不同的用戶角色，有良好的擴展性，可以實現(xiàn)不同專業(yè)、不同程度用戶的學(xué)習(xí)和考核。

四、虛擬仿真實訓(xùn)平臺應(yīng)用成效

本文以軌道交通領(lǐng)域仿真實訓(xùn)教學(xué)為目標(biāo)，建立軌道交通虛擬實訓(xùn)教學(xué)管理平臺，聚焦高校虛擬實訓(xùn)教學(xué)，涉及理論學(xué)習(xí)、虛擬訓(xùn)練、真技實操、仿真體驗科普以及校企合作教育信息化。有效提高了教學(xué)效果，提升了職業(yè)教育水平。具體如下：（1）實訓(xùn)教學(xué)資源統(tǒng)一管理。平臺集實訓(xùn)資源管理、實訓(xùn)用戶管理、實訓(xùn)模塊管理、實訓(xùn)數(shù)據(jù)管理、實訓(xùn)內(nèi)容管理、實訓(xùn)考核管理、實訓(xùn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)互通于一體的功能。學(xué)校所有的虛擬仿真實訓(xùn)軟件資源都可以接入此實訓(xùn)平臺，通過不同方式進行統(tǒng)一登錄—管理—流程實訓(xùn)—考核。（2）實訓(xùn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。軟件同時支持學(xué)生實訓(xùn)習(xí)慣大數(shù)據(jù)分析、學(xué)生實訓(xùn)內(nèi)容智能AI考核等功能，實訓(xùn)資源可以根據(jù)需求通過不同對接方式將實訓(xùn)結(jié)果統(tǒng)一推送平臺進行管理，精細化進行學(xué)情管理和教學(xué)效果評估。（3）實訓(xùn)資源統(tǒng)一開放共享。系統(tǒng)可以根據(jù)需求，對學(xué)院級、校級更廣范圍內(nèi)的實訓(xùn)資源統(tǒng)一開放共享，還可以支持學(xué)校端與互聯(lián)網(wǎng)端雙服務(wù)器運行，并做到教學(xué)數(shù)據(jù)互通，解決教育網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)的開放瓶頸問題。（4）教學(xué)資源的可持續(xù)開發(fā)平臺可以根據(jù)需求，開放可視化可持續(xù)開發(fā)功能，結(jié)合教學(xué)實際，優(yōu)化教學(xué)路徑、完善教學(xué)建設(shè)流程、形成虛擬仿真實訓(xùn)項目建設(shè)閉環(huán)。

參考文獻

［1］高妮.基于智慧職教平臺的專業(yè)教學(xué)資源庫課程建設(shè)與應(yīng)用探索：以土木工程檢測技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫為例［J］.職業(yè)技術(shù)，2020，19（1）：18-22.

［2］高攀科.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高職專業(yè)教學(xué)資源庫建設(shè)研究：以地下與隧道工程技術(shù)專業(yè)為例［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2020，19（18）：63-64.

［3］陳顏.基于OpenStack的云虛擬網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)室的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2020（8）：82-83.

［4］張光遠，何必勝，魯工圓，等.交通運輸類虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建與實踐［J］.實驗室研究與探索，2023，42（2）：165-169.

［5］常海超，馮佰威，詹成勝.船舶與海洋工程專業(yè)虛擬仿真實驗平臺建設(shè)及教學(xué)策略探究［J］.高教學(xué)刊，2023，9（16）：114-117.

［6］劉五祥，吳昊，趙紅曉，等.轉(zhuǎn)動慣量虛擬仿真實驗設(shè)計［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2022（S2）：89-93.

Virtual Simulation Training and Teaching Resource Sharing Platform in the Field of Rail Transit

CAO Yong1， CHEN Ai-ping1， LI Ning-chuan1， LIU Kai-wen2

（1. Rail Transit College， Chengdu Vocational amp; Technical College of Industry， Chengdu， Sichuan 610200， China; 2. School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan 610031， China）

Abstract： Virtual simulation training is an important initiative to adapt to the future development of vocational education in China and proactively respond to changes. The rapid development of the rail transit industry in China has not been matched by the quantity and quality of skilled professionals. This paper focuses on the virtual simulation training in the rail transit field， analyzing the mechanism of shared and co-built teaching resources in vocational education. A collaborative virtual simulation training platform for the rail transit professional group has been established， and through school-enterprise cooperation， an alliance of training institutions and leading rail transit vocational education groups has been created. This has achieved unified construction and management of training resources， forming a practice teaching model that combines virtual and real elements in rail transit vocational education. This approach promotes the transformation of vocational education towards specialized cluster training， effectively improving teaching effectiveness and the level of vocational education.

Key words： rail transit; virtual training; vocational education; sharing of educational resources