基于虚拟仿真技术的实训体系重构探索研究

基于虚拟仿真技术的实训体系重构探索研究摘要：中等职业学校建筑工程施工专业实训投资成本大、训练费用高、危险程度高，建筑工程场景很难搬移至学校中。虚拟仿真技术可以有效的解决实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”痛点和难点，基于此我校建筑工程施工专业团队依托虚拟仿真技术，对实训教学体系进行了重构研究，重组实训教学内容，转变实施方式，改造教学情境，把基于工作岗位项目教学引入职业学校课程教学，借鉴企业岗位人员工作流程与工作标准，使职校学生通过课程学习不断熟悉今后岗位工作标准与典型工作任务，在今后就业中能迅速适应工作环境并快速进入工作状态，有着非常重要的意义。关键词：建筑工程施工，实训体系，虚拟仿真，工作导向研究背景教育部印发《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》中指出：适应国家战略和数字经济发展要求，紧盯产业转型升级，融合新《职业教育专业目录》规定，将职业教育示范性虚拟仿真实训基地打造成集教学、实训、培训、科研、竞赛、科普等功能于一体的综合性实训基地、虚拟仿真实训教学资源校企协同开发平台和虚拟仿真实训技术成果展示与应用推广平台；解决实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”痛点和难点；服务新时代复合型技术技能人才培养、服务“双师型”教师队伍建设、服务企业员工和各类人员就业培训、服务区域经济转型升级和乡村振兴、服务行业企业技术创新、服务“一带一路”沿线国家和地区发展；发挥示范、引领、辐射、带动作用,为推动现代职业教育高质量发展增效赋能。二、中等职业教育建筑专业实训现状职业教育的技能实训能有效增强学生的实操动手能力，拉近学生与职业岗位之间的距离，减少就业过程中人岗不匹配的矛盾。中等职业教育建筑工程施工专业以培养建筑工程一线技能型人员为培养目标，主要就业岗位群包括施工、测量、试验等生产与施工一线岗位。建筑类专业实训需要学生在工程场景下培养学生的操作技能，而建筑工程场景很难搬移至学校中，属于投资成本大、训练费用高、危险程度高的特点。在传统技能实训方面以动画演示工艺流程、工具软件使用训练，结合模拟环境下实操训练方式为主。动画展示工程实施工艺过程作为建筑工艺教学资源对于教学过程中工艺性形象化讲解起到比较大的作用，但应用与工艺实训缺乏交互性，不能达到以学生行动导向为目标的流程实训目的；实操训练以钢筋绑扎、砌筑实训训练作为操作训练主要项目，已经难以满足建筑行业大力发展装配式建筑实现行业转型需求。作为以培养一线技能操作人员为目标的中职建筑类专业实训需要满足构件生产、建筑施工主要操作训练需求。三、虚拟仿真技术在建筑专业中的应用前景随着虚拟仿真技术快速发展，3D仿真、AR、VR、MR技术已经逐步应用到教学实训过程中，结合不同教学情境需要可以选择不同虚拟仿真技术应用，解决实训过程不同问题，起到助力技能实训的目标。3D仿真主要指采用3D建模技术构建虚拟场景，在虚拟场景中既可以展示工程建设过程中的工艺细节，也可以通过人机交互使得工艺过程被人为操作所改变，展示过程称为动画视频或动画软件（操作人可以从不同角度进行场景展示），人机交互可以改变工艺过程的软件称为“岗位模拟”，是学生达到通过软件训练工艺流程、操作规范、工艺标准的实训目的；AR技术是人工智能与3D技术结合应用成果，在实时实物场景中展现建筑物内部结构、工艺动画等，在建筑结构认知和工艺过程展示中效果明显；VR指沉浸式3D，全3D场景，体验者视野被3D场景完全占有，让人有种身临其境的感觉在，同时，虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统，VR存在两个方面的困难，首先是目前沉浸式方式（VR眼镜）只能单人体验并对于眼镜存在一定程度损伤，其次是真正能发挥沉浸式虚拟场景优势的资源成本高、难度大等；MR是AR技术和VR技术结合称之为“混合现实”，真实场景与3D沉浸式场景深度融合，目前处于试验阶段，还未广泛应用到教学与实训过程中。虚拟仿真技术能够解决专业实训中重复性训练，规范性操作，掌握、理解并应用质量标准的训练，但不能训练学生的操作技能和手感，所以，虚拟仿真需要结合实际操作过程中的操作与流程训练才能发挥在建筑类专业中的作用。四、基于“虚拟仿真技术”重构建筑工程施工专业实训体系。我校建筑工程施工教学团队通过组织专业骨干教师广泛查阅相关资料，前往兄弟院校参观学习，收集广大学生的意见和建议，并与山东新之筑信息科技有限公司积极合作，开发内容丰富的以装配式建筑为核心的虚拟仿真教学系统。进行了以下尝试：1，重构实训课程体系：打破传统学科型课程体系，依托虚拟仿真技术，针对实际工作体系重新构建实训课程体系。2，重组实训教学内容：打破传统学科型课程以学科知识逻辑为主线、专业理论知识为主体的教学内容，针对实际工作任务需要，以职业活动为主线，以培养职业能力为本位，重新组织和设计实训教学内容。3，转变实施方式：打破学科型课程主要进行知识灌输、学生被动接受、实践与理论脱节的实施方式，形成主要进行任务实施、学生主动构建、实践与理论一体化的实施方式。4，改造教学情境：在虚拟仿真环境下，打破单一的教学模式、课堂化教学环境，创设尽可能与工作实境接近的教学环境，实现学校环境与工作环境、校园文化与企业文化的有机融合。五、基于工作过程导向的教学虚拟仿真实训设计随着社会发展进步，经济产业结果在不断优化与调整，企业对员工聘用标准也在不断提高，高技能人才需求大于高学历趋势越来越明显，高技能专门型人才缺口越来越大。对于职业院校人才培养来说，把基于工作岗位项目教学引入职业学校课程教学，借鉴企业岗位人员工作流程与工作标准，使职教学生通过课程学习不断熟悉今后岗位工作标准与典型工作任务，使学生在今后就业中能迅速适应工作环境并快速进入工作状态，有着非常重要的意义。1，通过实地深入的装配式生产和施工企业调研，梳理装配式专业未来就业岗位工作标准和典型工作任务，以建筑专业骨干教师为设计主导，以虚拟仿真软件为载体，设计出匹配教师教学思维的教学实训解决方案，打破以知识内容为教学方向的传统教学模式。教学解决方案包括活页式教学实训教材、教学资源和基于工作过程教学实训的虚拟仿真类教学产品。2，互动体验式教学训练模式。经过专业总结，学生使用仿真教学的学习兴趣持续性不强，主要是因为当前多数仿真教学产品以步骤化仿真，内容简单，形式单一，学生像看知识动画一样步骤化的操作下一步完成仿真操作，无带入性和挑战性。同时大部分老师不擅长与仿真的操作，所以仿真训练时无教师正确引导等多方面原因导致学生无法长时间保持对实训的专注态度。打破常态化的仿真教学模式，通过多元化融入的互动体验式教学训练模式来保持学生学习的兴趣和保证学生的学习质量。将“教师”、“学生”、“教学内容”，融入教学元素，将“学生移动手机”、“计算机”、“仿真硬件环境”结合为教学条件（也即“三元”），通过教师干预、学生团队的形式来完成教学体验的过程，让“所有人所有设备”动起来，最后再融入智能化考评系统，对团队、个人进行评价。3，工况处理和典型案例教学融合。仿真教学的优势在于能给通过虚拟的环境还原现实的状态，但是当前仿真教学产品的重点在于常态化知识内容的仿真，缺乏异常情况的教学内容。如：工地遇到火灾的处理预案和应急处理办法，暴雨地震的处理预案，人员事故的处理办法和流程，这些都是典型但不常见的建筑业工况，现实中很难遇到，但是又是职业人需要掌握的内容，那么通过虚拟仿真技术还原这种工况来训练学生，才能提升学生的综合职业素养，体现虚拟仿真技术的明显优势。本课题组计划查阅资料和实地调研，将典型案例的工况进行仿真，融入教学内容来培养综合素质人才。六、多维度多层次一体化教学方案设计展望在虚拟仿真应用于教学的初期，仿真教学的教学设计基本上是从其他专业应用模式生搬硬套，同时因为教学内容尚不完善，所以仿真教学内容不系统，碎片化严重无法与课堂教学内容匹配，多数仿真教学内容只能被作为课堂教学知识的资源调用，失去了其仿真实践的意义；再者不同教学阶段教学内容重复，浪费了教学资源和教学成本。我们计划从装配式建筑专业学生学习初期到临近毕业的实习期整个职业教学周期中，全方位多维度的打造一体化教学方案。通过虚拟仿真技术，在第一学年的认知学习期，应用最新虚拟仿真技术，VR软件3D沉浸式认知装配式建筑设计、生产、施工过程，AR软件使得学生认知装配式建筑典型节点和关键工艺；在第二学年的技能实训期，通过单人单岗、单人多岗的仿真教学，培养学生的岗位技能、岗位标准和原理知识；在第三学年的仿真实习期，通过多岗多角色的案例综合仿真实训，将知识内容串联以案例项目形式完成团队的协作实训，培养学生的项目案例经验、团队协作能力。总之，实训体系重构虽然还在摸索实践阶段，希望通过实际工程案例使用虚拟仿真技术实现多人多岗模式下