基于虛擬仿真技術的防雷減災職業技能實訓模式研究

摘 要：雷電災害具有極大的破壞性和不確定性，防雷減災專業的實訓活動存在較高風險，傳統的實訓方式無法達到比較好的教學效果。為提高防雷減災實訓教學質量，采取虛擬仿真技術開發建設雷電防護裝置設計和檢測實訓資源具有重要的現實意義。對此，闡明了虛擬仿真技術在教育教學的融入，分析了防雷減災實訓對虛擬仿真的要求，提出了防雷減災虛擬仿真實訓資源設計與建設思路，以期為相關教學模式改革提供參考。

關鍵詞：虛擬仿真技術；防雷減災；職業技能；實訓模式；技能實訓

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

根據《關于推動現代職業教育高質量發展的意見》《關于深化現代職業教育體系建設改革的意見》等文件精神，相關機構應積極推動現代信息技術與教育教學方法進行深度融合，提高課堂教學質量。尤其要針對專業實訓教學中“高投入高難度高風險、難實施難觀摩難再現”等現實問題，結合自身實際，創建職業教育虛擬仿真實訓環境，運用虛擬現實、數字孿生等信息技術，開發資源、升級設備、構建課程、組建團隊，革新傳統實訓模式，有效服務專業實訓和社會培訓。

防雷減災職業教育的目的是培養和訓練防雷減災技能型人才，提升學員的防雷減災能力素養[1]。雷電災害具有極大的破壞性和不確定性，防雷減災專業實訓活動存在較高風險，且不便于開展大規模的現場觀摩和實踐，傳統的實訓方式無法達到比較好的教學效果。而在國家政策大力支持和教學實際迫切需要的背景下，將現代教育的虛擬仿真技術應用于防雷減災實訓教學，建立虛擬仿真系統和平臺，對實習、實訓環境進行模擬，可以解決實踐教學環境欠缺和學員不便去實際現場進行操作等問題，具有重要的現實意義[2]。

1 虛擬仿真教學概述

虛擬仿真教學具有豐富的理論基礎，其符合構建主義理論的要求，重視學生的主體地位，并能充分調動學生學習的主動性[3]。在虛擬仿真教學中，教師只起輔助作用，將仿真過程和任務呈現給學生，學生自主完成情境化模擬操作，通過仿真軟件鞏固舊知識、探究新知識，逐漸促進知識間的聯結，形成課程內容的意義建構。虛擬仿真技術可為學生提供不同的學習場景，學生在不同情境中對知識進行對比和歸納，建立獨有的知識結構。虛擬仿真教學也符合生活教育理論的要求，注重教育與能力間的關系，注重教學與生活實際的聯系[4]。

在虛擬仿真教學中，以“做”為核心，學生和教師共同合作學習，在鍛煉學生實踐能力的同時實現教師的自我提升。教師選取與生活有實際聯系的仿真教學素材，通過創建“類生活”的教育場景，使學生產生共鳴，激發其學習興趣。

此外，虛擬仿真教學還符合具身認知理論的要求，充分調動多感官參與學習，注重知識與情境的交互[5]。虛擬仿真教學使學生充分利用自身多種感官與虛擬環境進行交互作用，以達到改善教學效果的目的。例如：通過創建動態化三維模型調動學生視覺感官，激發學生學習興趣；通過鼠標、鍵盤等輸入設備調動觸覺感官，實現實踐技能演練；通過合成授課輔助語音調動聽覺感官，有助于知識的理解與記憶等。虛擬仿真教學用虛擬場景中的體驗代替真實環境的實踐操作，在情境中感知課程內容，促進知識的有效理解。

2 虛擬仿真技術在教育教學中的融入

美國計算機科學家Jaron Lanier最早于1989年提出并使用“虛擬現實”一詞以統一對新的人機交互技術進行表述。虛擬現實技術包括計算機、電子信息、仿真技術等，其基本實現方式是對現實環境進行虛擬化和數字化處理，具有沉浸性、交互性和構想性等特征，給人以環境沉浸感[6]。虛擬仿真教學實現了科技與教育的高度融合，已經成為教育領域的一種新型教學模式。我國在20世紀90年代開始研究虛擬仿真技術，逐漸將其應用于教育領域。隨著教育信息化的快速發展，虛擬仿真技術已得到廣泛應用，并取得了一定的研究成果，主要體現在以下3個方面。

一是實訓教學系統的建設，主要是對虛擬仿真實訓室和實驗中心建設、教學平臺開發等進行研究。大連理工大學基于教學資源、綜合平臺和教學與管理手段3個方面建設具有自身特色的電工電子國家級實驗教學仿真中心[7]。山東農業大學集農業機械類、機械設計類等5種虛擬仿真教學平臺為一體，建設農業機械化及其自動化虛擬仿真實驗教學中心[8]。劉海波等[9]依托現代信息網絡技術研發工程教育視域下的虛擬仿真實驗教學資源、開發虛擬仿真網絡教學平臺。仿真實訓教學系統既可以打破時間空間限制、實現資源共享，也有利于拓展教學內容，增強教學效果，其建設經驗可供其他學校和教育工作者借鑒。

二是教學改革的探索，主要從理論角度對虛擬仿真教學改革的需求、原則及對策進行研究。吳丹等[10]對實訓課程中存在的學生參與度不高、配套教學資源不足等問題提出教學改革路徑，探索虛擬仿真教學新模式。劉亞豐等[11]從建立統籌規劃機制、堅持虛實結合原則、健全練習和考核工作模式等7個方面提出了虛擬仿真教學資源建設要遵循的原則與標準。張小輝[12]

從教學資源、教學管理體系、教學模式和教學平臺4個方面針對仿真教學特點和課程現狀提出教學改革對策，以實現虛擬與真實有效融合。作為新興教學模式，虛擬仿真技術受到教育界廣泛關注，為課程教學改革奠定堅實的理論基礎。

三是教學應用的研究，主要關于虛擬仿真技術在具體專業和課程中的應用設計及其意義。黎紅梅等[13]結合課程案例對電工學虛擬仿真實驗展開教學設計，實踐證明，該教學模式能夠調動學生積極性，有效增強教學效果。谷艷華等[14]在工程圖學課程中將虛擬仿真教學與混合式教學模式相結合開展教學實踐，研究結果表明兩者結合有助于學生自主學習和創新能力的提高。葛圓等[15]在護理學專業中運用虛擬仿真工具創設模擬教學環境，從課前、課中、課后進行教學過程設計并付諸實踐，取得良好的反饋效果。虛擬仿真教學主要應用在電工電子、機械、醫療等學科領域，其教學模式能突破時空限制，實現虛實融合，激發興趣，增強學習效果，促進實踐能力和創新能力的提高。

3 防雷減災實訓對虛擬仿真的要求

防雷減災是為減少雷電災害對人民生命財產安全和經濟社會發展的影響而采取的一系列措施，主要包括雷電防護裝置設計、雷電防護裝置檢測及雷電災害監測、調查、鑒定和評估等。雷電防護裝置的設計是一個復雜的技術過程，需要遵循國家及行業的標準和規范，在了解防護對象的結構、用途、地理位置、土壤電阻率等信息的基礎上，根據其重要性、使用功能、人員密度等因素進行風險評估，繪制防雷裝置的施工圖紙，包括平面圖、立面圖、剖面圖等，標注詳細的材料規格、施工要求和驗收標準等。雷電防護裝置檢測是為確定雷電防護裝置是否滿足標準要求而進行的檢查、測量及信息綜合分析處理的全過程，詳細記錄檢測數據、測試條件、使用的儀器設備等信息，根據檢測結果編寫報告，報告內容包括檢測結論、存在的問題、整改建議等內容，是確保防雷系統安全有效的重要環節。

防雷減災實訓主要涉及雷電防護裝置設計和檢測等內容。其目標是培養學員的識圖制圖能力、雷電防護裝置設計能力、雷電防護裝置檢測能力和數據分析處理能力等[16]。主要的內容是對接真實職業場景和工作情境，進行雷電防護裝置制圖識圖、雷電防護裝置設計、雷電防護裝置檢測等。

防雷減災實訓對虛擬仿真的一般性要求是將計算機視覺理論與圖形圖像處理等相關理論進行結合，利用信息處理設備構建數字化虛擬場景，通過顯示系統使用戶能夠獲得視覺信息，并利用圖像處理與識別、網絡通信等手段實現學員在虛擬空間環境中的實踐訓練。

防雷減災實訓需要虛擬仿真技術實現人機交互，利用仿真任務和資源引導學員積極參與教學，達到“互動式”的教學效果，并能夠與其他先進教學方法相結合，充分發揮各自的優點，以取得更好的教學效果。

防雷減災實訓需要虛擬仿真技術激發學習興趣，利用虛擬仿真教學資源以具象化的形式呈現知識內容，將學員迅速帶入虛擬工作場景，自主操作把握課程內容，加強實踐操作訓練，將學習方式由靜態變為動態，充分調動學員的學習積極性和主動性。

防雷減災實訓需要虛擬仿真技術滿足實踐教學要求，受教學時間、設備數量、安全性等的限制，需要利用虛擬仿真技術構建虛擬實訓室，以減少安全隱患、降低實訓器材消耗的目的，實現學員真正參與實訓教學，成為課堂的主體，從而更好地掌握知識和技能。

4 防雷減災虛擬仿真實訓資源設計與建設思路

防雷減災實訓教學是掌握防雷減災技能的重要環節。學好防雷減災知識和技能必須掌握雷電防護裝置設計和檢測的基本知識和原理[17]。但在雷電防護裝置設計和檢測的實際教學過程中發現，大多數學員獲取知識和技能的學習風格屬于直觀型，即偏重視覺上的直觀感受，不善于對知識細節進行深度思考。而防雷減災技術偏重理論和概念，采用傳統的灌輸式教學難以達到預期的效果。因此，構建防雷減災虛擬仿真實訓資源對推動課程教學改革和增強教學效果具有極其重要的意義。

防雷減災虛擬仿真實訓資源的建設思路是以具有代表性且雷電防護設施豐富完整的建筑作為原型，建立雷電防護裝置設計和檢測技能實訓的虛擬場景，同時將設計、檢查、測量的規范要求及圖集做法和設備使用等知識通過圖片或影像的形式嵌入場景內，使得虛擬場景具有交互的功能。

雷電防護設施是用于避免和減小雷擊造成人身傷害和物理損害的系統，主要分為外部雷電防護系統和內部雷電防護系統兩部分。其中，外部雷電防護系統由接閃器、引下線和接地裝置組成。接閃器是用于攔截雷擊的金屬部件，主要形式有接閃桿、接閃帶、接閃網、接閃線等；引下線是用于將雷電流從接閃器傳導至接地裝置的導體；接地裝置是用于將雷電流傳導并散入大地的導體。而內部雷電防護系統主要包括磁屏蔽、防雷等電位連接、電涌保護器等。磁屏蔽是將需要保護的空間包圍起來的閉合金屬格柵或連續型屏蔽體，其目的是減少電氣和電子系統的失效；防雷電電磁脈沖的屏蔽包括格柵型空間屏蔽、引進的線路屏蔽、屏蔽板（網）和屏蔽室（盒）等；防雷等電位連接是將分開的諸金屬物體直接用連接導體或經電涌保護器連接到防雷裝置上以減少雷電流引發的地位差；電涌保護器是用于限制瞬態過電壓和泄放電涌電流的電器，其至少包括一個非線性的元件，并且具有適當的連接裝置，是一個裝備完整的部件。

防雷減災虛擬仿真實訓資源的具體建設內容是根據雷電防護裝置設計和檢測內容，設計實訓模塊，列出重點、難點，確定需要制作虛擬仿真教學資源的知識點。同時，通過優質教學資源的有效組合，規范專業實訓教學的基本要求，使實訓內容與行業需求相結合[18]。

防雷減災虛擬仿真實訓資源具體內容見表1。

表1" 防雷減災虛擬仿真實訓資源建設內容

實訓模塊 實訓重點與難點 虛擬仿真實訓資源 資源建設要求

接閃器 （1）接閃器類型及敷設；（2）接閃器規格及安裝；（3）接閃器固定支架要求；（4）接閃器與保護物間距；（5）接閃器保護范圍 ①接閃器類型和方式仿真；②接閃器敷設和位置仿真；③接閃器材料和規格仿真；④接閃器安裝工藝仿真；⑤接閃器固定支架仿真；⑥接閃器網格尺寸仿真；⑦接閃器連接性能仿真；⑧接閃器與保護物間距仿真；⑨防側擊措施仿真；⑩接閃器保護范圍仿真 1.以一套完整合規的建筑物雷電防護裝置設計圖紙為依據，按照由外部防雷措施到內部防雷措施的順序進行學習、實訓和考核

2.涵蓋雷電防護常用規范和標準，具備自由練習模式和任務實訓模式

3.通過文字、圖片、視頻能夠模擬雷電防護裝置設計和檢測具體作業條件要求，對設計、檢測過程及步驟進行詳細說明，能夠進行文字和語音引導等

4.將知識考核融入模擬操作過程，在重點環節中能夠顯示相應的標準規范內容及來源

5.根據不同雷電防護裝置可以模擬選擇不同材料和規格

引下線 （1）引下線類型及規格；（2）引下線安裝工藝；（3）引下線支架及斷接卡；（4）跨步電壓及旁側閃絡；（5）引下線數量及間距 ①引下線類型和敷設仿真；②引下線材料和規格仿真；③引下線安裝工藝仿真；④引下線固定支架仿真；⑤引下線斷接卡及保護仿真；⑥防跨步電壓和旁側閃絡仿真；⑦引下線與保護物間距仿真；⑧引下線電氣連接仿真；⑨引下線數量及間距仿真

接地裝置 （1）接地裝置類型及布置；（2）接地裝置材料和規格；（3）共用接地裝置；（4）接地電阻測量 ①接地裝置類型及布置仿真；②接地裝置材料和規格仿真；③接地裝置焊接及防腐仿真；④接地裝置間隔距離仿真；⑤共用接地裝置仿真；⑥接地電阻測量仿真

磁屏蔽 （1）磁屏蔽位置

（2）磁屏蔽效果 ①磁屏蔽位置仿真；②磁屏蔽等電位連接性能仿真；③磁屏蔽效果仿真

防雷等電位連接 （1）防雷等電位連接位置及結構。

（2）防雷等電位連接材料和規格

（3）防雷等電位連接性能 ①防雷等電位連接位置仿真；②防雷等電位連接結構仿真；③防雷等電位連接材料和規格仿真；④防雷等電位連接工藝仿真；⑤防雷等電位連接性能仿真；⑥防雷等電位接地基準點性能仿真

電涌保護器 （1）電涌保護器布置及參數

（2）連接導體材料和規格

（3）電涌保護器級間配合

（4）電涌保護器過流保護 ①電涌保護器布置仿真；②電涌保護器參數仿真；③連接導體材料和規格仿真；④電涌保護器連接工藝仿真；⑤防護級數和級間配合仿真；⑥電涌保護器過流保護仿真；⑦電涌保護器壓敏電壓仿真；⑧電涌保護器泄漏電流仿真；⑨電涌保護器絕緣電阻仿真

防雷減災虛擬仿真實訓資源的建設方案是根據教學內容，按照模塊分步制定。具體實施步驟：首先，收集重點、難點的相關素材（包括各雷電防護裝置的圖紙、圖片和錄像等）；其次，編寫虛擬仿真模型制作腳本（包括雷電防護裝置模型、檢查順序、設備使用等腳本）；再次，由項目組專業教師與虛擬仿真專業技術人員合作開發虛擬仿真模型；最后，進行試用、改進、

推廣[19-20]。

防雷減災虛擬仿真實訓資源設計和建設中要做好資源分類，做到易查、易選、易用、易操作和易更新，要與防雷技術和標準規范的發展趨勢相結合。同時，要為學生自主學習和教師授課提供技術服務，讓教師帶領學生進行自主學習，將課堂講授內容與教學資源庫緊密聯系，引導學生進行網絡學習。此外，虛擬仿真實訓資源要做精做細，利用動畫、微課等形式提高資源的使用率，激發學生學習興趣。

5 結論

防雷減災虛擬仿真實訓教學模式是服務于教師、學員、企業、專家和社會的創新性教學方式。虛擬仿真技術利用計算機軟件模擬防雷減災真實工作場景，讓學員在仿真情境中學習探究，直觀體驗實際設計和檢測過程，對知識和技能的提升具有重要的現實意義。

一方面，虛擬仿真技術利用三維模型、仿真動畫和分析圖像將防雷減災實訓知識以直觀化和形象化的方式呈現，降低課程內容難度，調動學員的學習積極性，轉變其學習態度，促進對防雷減災知識的正確理解與應用。

另一方面，虛擬仿真技術便于學員不受時間、空間、材料、設備等因素限制，進行反復多次實踐訓練。通過循序漸進的訓練，達到雷電防護裝置設計和檢測的理論與實踐相結合的教學效果，從而提高教學質量，改善防雷減災專業課程的教學現狀。

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收稿日期：2024-07-19

基金項目：河北省職業教育科學研究“十四五”規劃“基于虛擬仿真技術的防雷減災職業技能實訓模式研究”（JZY24369）。

作者簡介：梁景峰（1980—），男，河北保定人，高級工程師，研究方向為防雷減災職業教育培訓。#通信作者：朱旭敏（1986—），女，河北邯鄲人，工程師，研究方向為氣象觀測，E-mail：596010919@qq.com。