虚拟仿真实训基地在职业教育人才培养中的应用研究——以机电工程专业复合型技术技能人才为例

华磊

（南京工业职业技术大学 机械工程学院，江苏 南京 210023）

0 引言

十四五期间，我国需要培养出数量多、质量高的机电工程专业复合型技术技能人才支撑制造业高质量发展。虚拟仿真实训基地可以利用自身技术特点，解决目前复合型技术技能人才培养过程中遇到的问题，有效提升实习实训效果，对培养职业素养高、实操技能强、创新意识强的复合型技术技能人才有着重要意义。

1 研究背景与意义

1.1 国际国内发展环境

随着全球新一轮科技革命和产业变革深入发展，新一代信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术等不断突破，并与机械工程技术加速融合，为生产制造的高端化、智能化、绿色化发展提供了历史机遇。根据2020年第七次人口普查数据显示，2020年，我国60岁及以上的老年人口总量为2.64亿人，已占到总人口的18.7%，接近5个人中就有一个老年人的比例。以上海为例，截至2020年12月31日上海市户籍人口1478.09万人，其中60岁及以上老年人口533.49万人，占总人口的36.1%。受未来人口老龄化问题影响，劳动力供给缺口和人力成本上升将加速制造业向自动化、数字化、智能化转型。2021年，我国提出了碳达峰、碳中和目标，“十四五”时期，作为碳排放第二领域的工业领域，发展和应用节能减排技术已经成为全国制造企业必须面对的问题[1]。生产制造企业将通过先进的机械工程和电子信息技术提升设备节能效果、提高资源利用效率来进一步降低碳排放量。因此生产制造企业选用智能化高效设备、雇佣机电工程专业复合型技术技能人才是未来发展的主流趋势。

江苏是制造大省，也是全国装备制造业最发达的地区之一，其中以机电产品为主体的装备制造业是国民经济发展的基础工业，因此对于机电工程专业复合型技术技能人才需求巨大。同时随着数字化水平的不断提高，需要促进从业人员技术和知识结构升级，对在职人员、转岗人员的数字化技能要求越来越高，要求掌握必备的电子信息技术。

1.2 虚拟仿真实训基地是职业院校重点建设内容

2021年10月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于推动现代职业教育高质量发展的意见》，明确指出“职业教育是国民教育体系和人力资源开发的重要组成部分，肩负着培养多样化人才、传承技术技能、促进就业创业的重要职责”，同时要求“各地要把促进企业参与校企合作、培养技术技能人才作为产业发展规划、产业激励政策、乡村振兴规划制定的重要内容”。随着信息化技术的高度发展，面向“新技术、新产业、新模式、新业态”，培养适合产业发展的复合型人才已成为职业教育的重要使命。为适应人才培养模式创新需求，进一步强化教学、学习、实训相融合，有效弥补职业教育实训中“看不到、进不去、成本高、危险性大”等特殊困难，全国职业院校正在推进虚拟仿真实训基地建设。2021年8月3日，教育部职业教育与成人教育司印发《关于公布职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目名单的通知》（教职成司函〔2021〕35号），确定215个职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目，是我国职业院校未来的重点建设内容。长三角地区高职院校积极建设虚拟仿真实训基地。根据本次基地名单显示，长三角地区共有35个职业教育示范性虚拟仿真实训基地。

2 复合型职业技能人才培养过程中存在困难

2.1 工科专业“课程思政”存在困难

目前大部分学生能根据自己的理想要求规划好自己的大学梦和人生梦，树立正确是世界观、人生观和价值观。但目前一些不良的市场竞争手段和价值观传递使得一些大学生不同程度地出现价值扭曲，过分强调“个人主义”，过分追求个人利益注重个人价值而忽略了自身在社会所应承担的责任和义务，出现明显的“拜金主义”倾向和“享乐主义”观念，对国家大事漠不关心[2]。

《高等学校课程思政建设指导纲要》明确要求，把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观[3]。课程思政建设是全面提高人才培养质量的重要任务，因此越来越多的职业院校开始注重将思想政治教育理念引入专业课程教育中，做好价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体的教学工作。机械工程学科专业主要是以认识新一代信息技术和生产制造过程中各种关键技术和事物发展规律为主要目的，反映的是物体物理原理和自然发展规律，客观性很强。各种专业课程的设置与课程思政的联系不紧密，再加上个别工科同学对课程思政有一定误解，产业一定排斥性，因此在实际教学中，工科专业的“课程思政”与具有主观意识的人文社科专业相比在教法上更有难度。

2.2 未来产业发展急需复合型技术技能人才

复合型技术人才指具有两个或两个以上专业或学科领域的基本知识和基本能力的人才[4]。以机电工程设计人员为例,专业知识包括机械和电气专业知识，需要设计人员具备机械、自动化、数据分析和创新等专业能力。我国未来产业迫切需要培养大批与之相适应的复合型技术技能人才。

以长三角地区中上海、南京、杭州、宁波等核心城市为例，目前各自发挥产业优势，培育了一批优势突出、特色鲜明的机械工程产业集群，急需大量复合型技术技能人才。但受地域、课程、设备和师资等因素影响，目前长三角区域职业院校现有机械工程类专业教育仍以传统机械工程专业为主，融合信息技术和人工智能技术的课程较少，现代化教学条件基础不强，各学科教学资源水平还有待提升，难以满足复合型技术技能人才培养需求。

2.3 企业实践资源不足制约了人才培养过程

职业教育中想要高质量发展，必须做到专业建设与产业发展对接，必须要突出实践教学，其中企业实践是职业教育必不可少的教学环节。但是现有与职业院校合作的企业较少，且企业生产任务重、安全要求高，难以为学生提供足够的实习岗位。目前部分职业院校开展形式多样的校企合作，尝试与企业合作进行实践合作教学，但很多实践教学没有融合企业的生产理念和工作模式，没有将信息化、数字化、自动化等人工智能技术融入实践教学内容中，教学内容与企业生产实际和社会发展需求脱节，学生缺乏生产现场体验与认知，影响了学生的职业素养和职业能力培养，影响了工程机械学科专业复合型技术技能人才培养。

2.4 高端装备的“三高三难”特点影响了学生学习深度

高端装备价格昂贵，科技元素高，结构精密和复杂，内部构造系统和仪器表征较为缜密，在教学实施过程中存在“高投入、高耗材、高危险、难实施、难观摩、难再现”的“三高三难”问题，如果大量应用于日常教学，让学生独立自主操作，设备损坏概率加大，尤其进口设备，不管是维修或更换零配件，学校都要支付巨额的费用。因此，目前不少职业院校的实训操作环节，学生仅是走马观花，动手操作的机会少之甚少，无法对高端装备进行深入了解，影响和制约着学生的实践能力的提高，更不利于学生创新精神和创新思维的培养。

2.5 实习实训评价不全面影响教学效果

不少职业院校在管理制造类实训实验室时采用人工或手工形式，实训课教师和实训室管理人员水平参差不齐，导致实习实训只有最后的考核结果，缺少过程数据记录和分析，没有科学的学习效果评价体系，无法找出教学薄弱环节和改进方法，长此以往对教学没有积极帮助，也不利于教师挑选出一些实际动手能力强、创新意识强的学生参加各种比赛，影响了整个实践教学效果[5]。

2.6 学生顶岗实习受新冠疫情影响

目前新冠疫情偶有发生，严重影响了学生正常的实习实训。2021年暑期，南京发生了禄口机场新冠疫情。随即江苏省教育厅印发通知，要求“一律不新安排在校生参加暑期集中实习实训活动。正在进行的校内外实训活动一律暂停，在中高风险地区开展的实习实训活动一律暂停。对于已暂停实习实训，滞留在中高风险地区的学生，职业院校切实做好跟踪指导。”疫情发生期间，学生在企业进行实习实训，存在生产安全和身体健康的风险，特别是在中高风险地区其风险性极大。疫情的发生，影响了学生顶岗实习的正常进行，影响了学习进度，急需可以保证学生健康安全的方法来保障顶岗实习顺利进行。

3 虚拟仿真实训基地的应用研究

虚拟仿真实训基地是以社会和市场需求为导向，在院校和企业协同合作下，依托虚拟现实和人工智能等新一代信息技术，兼顾跨专业交叉实训和社会培训，围绕学科专业内容，通过场地建设、硬件购置和软件开发等，搭建具有技术先进、行业专业、模式创新的实训环境[6]。

3.1 利用新一代信息技术，创建具有“课程思政”功能的实训环境

虚拟仿真实训基地引进新一代信息技术，采用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、数字博物馆、交互式媒体等开发平台[7]，提供形象直观的交互式学习环境，开发创建类似央视《大国工匠》、《大国重器》的视频和沉浸式党建知识智能答题闯关等丰富的教学资源。基地在实践课程中展示和体验各类“课程思政”资源，着重打造新媒体技术研究及资源开发能力，旨在培养学生胸怀祖国、服务人民的爱国精神，在科技领域中敢为人先的创新精神，追求真理、严谨治学的求实精神，淡泊名利、投入工业的奉献精神，引导学生认识创新在我国现代化建设全局中的核心地位，理解科技作为国家发展战略支撑的重大意义，努力把科技自立自强信念自觉融入人生追求之中[8]。

3.2 利用“理、虚、实”一体化教学，创建多学科交叉融合的实训环境

“理、虚、实”一体化教学中，“理”是指基于数控加工、工业机器人、智能系统等理论基础知识；“虚”是指应用VR技术实现的虚拟仿真实训软件，做到了维度、真实、交互三个方面的升级；“实”表示真实的工作流程与技巧。基于理论基础知识，采用虚拟技术，虚拟仿真实训实现模拟真实工作的多科学交叉融合实训。基地利用“理、虚、实”一体化教学，创建多学科交叉融合的实训课程，并且实现真实、维度、交互的升级，使学生完成从被动学习到主动学习的转变，有效地强化了理论教学与技能实训的融合，提升教学质量与效果。

以某工业机器人虚拟仿真实训平台为例，实训平台主要包含工业机器人示教编程虚拟仿真实训、工业机器人工作站虚拟仿真实训、工业机器人装调虚拟仿真、工业机器人系统集成虚拟仿真实训、工业机器人性能检测虚拟仿真实训等，培养学生的机器人示教编程、机器人运动规划、机器人安装维护、机器人系统集成、机器人设备调试、机器人性能检测技术的能力[9]。

图1 基于多学科交叉融合的工业机器人虚拟仿真实训平台

3.3 利用灵活丰富的数字资源，创建具有最新行业知识的实训环境

虚拟仿真实训基地积极发挥共建双方的主观能动性，根据人才培养的知识点、技能点需求，结合虚拟仿真资源优势和数字教材特点，优化人才培养方案和实训课程体系，由学校教师和企业兼职教师组建虚拟仿真数字化教材编写团队，共同研讨教学需求，建设虚拟仿真活页式或工作手册式的教材，构建模块化课程，进行“最新行业知识+数字化虚拟仿真课程资源”的一体化建设。将数字化教材与现有机电工程专业课程体系对接，把行业规范融入虚拟场景，建设工匠工坊方面数字化教材，提升学生职业素养，通过数字教材的交互临感技术培养制造业现代工匠型人才。同时，随着信息技术和产业升级情况，及时更新教材内容，如碳达峰、碳中和目标内涵等，为学生提供不同行业、不同产品的制造车间运行过程和岗位体验，提升学校学生职业素养，完善制造职业教育数字化虚拟仿真教材体系建设。

3.4 利用沉浸性和交互性功能，创建最接近真实设备车间的实训环境

虚拟仿真实训基地按照能实不虚、以实带虚、虚实结合的原则，使用先进的数字技术，根据真实的企业流程、工作环境、制造设备、关键岗位、生产任务和业务流程开发虚拟仿真实训软件和任务，使用者可从虚拟仿真系统中获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种工业现场感知，从而获得犹如身在车间的感受，同时使用者可以按照自己意愿对智能设备进行控制，虚拟设备能够对使用者的操作予以实时的反应。实训基地把工业开发与虚拟现实无缝对接，教学内容完全实战化，学生先通过模拟训练掌握高端装备的工作原理、操作步骤和加工关键点，然后再真机实操，就可以在保证设备完好的前提下将知识学深学透。

3.5 利用大数据分析技术，创建具备大数据聚合与分析的实训环境

虚拟仿真实训基地系统平台基于大数据理念开发，对所有数据自动采集并做对比分析。从学生到教师、从学院到学校、从单元再到全平台，实现数据全覆盖。所有采集数据均有可视化图表展示，满足教师教学、教务管理、实验管理、成果展示方面的数据需求。平台不仅可实现老师对学生个体、班级整体的学习效果进行及时的评估和针对性的改善，形成行为分析并进行持续改进；还可实现学校对全体老师、学生的教学大数据的聚合与管理，通过这些学习反馈，学生可以知道自己学得如何；教师查看学习反馈知道自己教得怎么样。通过多维度、多层次的数据对比分析，充分体现教育信息化的实施进程，引领教育信息化的发展方向。

平台基于大数据分析技术可实现对师生虚拟仿真实训结果的智能分析与精准评估功能。对于学生，通过针对虚拟仿真实训数据的自动采集，依据指标体系和评估规则对实训中的问题进行评估分析，并给出评估分数、优势之处和不足之处，根据评估结果有针对性地改进实训方法，支持学生的日常体培训。对具有创新意识和创业想法的学生进行“一人一师、一人一策”的专项辅导，也可将相关数据提供给学校竞赛赛前训练使用。对于学校管理层以及政府和社会监督力量，综合汇聚各类实训过程、人员、场地、装备、计划和考核数据，通过云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的加工处理，并针对校（院）、政府机构或社会监督力量关注的重点领域进行多层级多维度的可视化分析与挖掘，辅助校（院）科学决策，实现全面实训情况的综合分析和辅助决策，以及呈报实训基地的综合使用情况。

3.6 利用独立可控的基地，创建保障师生健康安全的实训环境

根据教育部《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》文件精神，疫情期间要做好“停课不停教、停课不停学”等工作。对于职业教育，顶岗实习是高等职业教育实践性教学环节的重要组成部分,在人才培养中起着十分重要的作用。疫情发生时，校园不同于企业，通过封闭管理等更严格的措施保障在校师生的健康安全[10]。

虚拟仿真实训基地建设在大学校园内，有固定的教学场地，对于疫情防控的要求符合高校疫情防控要求。虚拟仿真实训基地通过虚拟仿真技术，模拟制造企业生产流程，重现企业生产过程，在保障学生安全健康的基础上确保学生能较高质量地完成实习实训。大家在健康的环境中进行顶岗实习，心态平稳，可确保相关的实习实训安全进行，保障师生安全。

4 结语

虚拟仿真实训基地的建设，使教育教学场景呈现可视化、立体化、交互化、真实化、数据化等特点，提供了工科专业“课程思政”新模式，融合了多学科专业知识，推动了数字化资源的场景应用，体验了真实生产设备和制造流程，增强了学习效果评价功能，保障了师生健康安全，创新了复合型技术技能人才培养模式，有助于提高学生的理论学习、实践操作、创新应用能力。