工训大赛牵引下的虚拟仿真教学模式探索

马可　苑明海　马亚生　庄曙东

摘   要：教育部高等教育司主办的全国大学生工程训练综合能力竞赛，是面向全国在校学生开展科技创新工程实践活动的全国性大赛。通过深入分析大赛工程场景数字化赛项与创新实践能力培养的关系，文章提出“虚实结合，以赛促教，以赛促改”的创新实践能力培养模式。针对此培养模式，研究者构建以工程基础认知、虚拟仿真实训、生产现场操作三个训练层次为核心的虚拟仿真教学体系，并详细阐述体系中各类课程与工训大赛深度融合而进行的改革与建设。以基于虚拟现实技术的大型电动机轴承更换游戏的开发为实例，文章验证工训大赛牵引下的虚拟仿真教学模式的具体实施及效果。研究结果表明，大赛牵引下的虚拟仿真教学模式对提升学生的创新实践能力，以及促进工程训练中心的建设，都有积极作用。

关键词：工训大赛;工程场景数字化;虚拟仿真;教学模式;创新实践能力

中图分类号：G424.28 文献标志码：A        文章编号：1673-8454（2022）02-0117-06

在2018年的全国教育大会上，习近平总书记强调要在增强综合素质上下工夫，教育引导学生培养综合能力，培养创新思维，并明确指出高校要着重培养创新型、复合型、应用型人才。[1-2]近年来，各类竞赛层出不穷，通过竞赛培养学生的创新思维和创新技能已成教育行业的共识，[3-4]现有的各类竞赛虽然数量众多，但水平参差不齐，大多缺少真正的实践环节，学生获得的还仅仅是理论知识的学习或者创新设计的锻炼。[5]实践是创新的源泉，教育改革应注重实践能力的培养。[6-7]全国大学生工程训练综合能力竞赛（简称“工训大赛”），开展的目的就是为了全面提升大学生的工程创新综合素质和能力水平。[8]目前，工训大赛由于对学生能力的培养和考核较为全面，受到越来越多的高校关注和参与，含金量逐年攀升，在中国高等教育学会发布的全国普通高校学科竞赛排行榜上名列前茅。[9]

在工训大赛组委会最新发布的赛项设置中，增加了虚拟仿真赛道——工程场景数字化赛项，本赛项重点围绕“两化融合”“数字工匠”“通专融合”，落实新工科建设与跨学科综合能力培养。现以工训大赛工程场景数字化赛项为牵引，凝练多年大赛的指导经验，构建虚拟仿真教学体系，以全面提升工程人才培养质量为目标，探索培养学生虚拟工程开发实践能力的培养模式。同时展示数字媒体形态下的工程创新能力，传播工程知识，普及先进技术，促进人才发展。

一、工程场景数字化赛项与创新实践能力培养的相关性分析

2020年9月出台的《关于举办第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛的通知》中提出，本届大赛的举办，将“深入推进工程教育改革，全面提升大学生工程创新综合素质和能力水平”。[10]大赛的目标是以赛促学、以赛促教、以赛促改、以赛促建，打造具有中国特色、世界一流的工程实践与创新教育体系，全面提升工程人才培养质量，推动建設宏大的知识型、技术型、创新型劳动者大军。要达到这个目标，必须以学生为主体，结合大赛各赛项探究人才创新实践能力培养的模式，并构建相应的创新实践教学体系。[11]

1.工程场景数字化赛项的工程内涵及能力要求

此赛项要求以工程类为主题，自主设计并开发围绕工程方面的游戏，游戏类型不限。鼓励开发具有独创性、新颖性、合理开脑洞的跨领域、跨学科题材，可以体现知识科普、模拟经营、技能操作、社会公益等方面的内容。游戏作品可用休闲游戏、角色扮演等形式，采用Demo、幻灯片、视频等方式展示。

从比赛内容要求来看，工程场景数字化赛项的工程内涵包括两个方面。

（1）游戏内容应与工程知识相融合：游戏的形式应与工程知识内容相匹配;游戏操作模式和交互模式与实际工程场景具有很高的相似性。

（2）工程知识体系的完整性与准确性：游戏包含的工程知识较为完整地涵盖某一个领域或专业模块的内容;所涉及的工程知识无明显错误。

从该赛项的工程内涵可以看出：第一，游戏主题设计环节主要考察学生的创新思维能力;第二，游戏内容的策划环节主要考察学生掌握和运用工程知识的能力;第三，游戏的开发环节主要考察学生掌握相关工程实践技能的程度;第四，现场决赛主要考察学生的表达能力、适应能力和团队合作能力。因此，工程场景数字化比赛中好成绩的取得，来源于参赛学生所具备的创新思维和工程知识，以及参赛队伍的实践技能和团队协作等能力，而该赛项的设置对学生工程素质和创新能力进行了全方位考评。

2.工程场景数字化赛项培养学生创新实践能力的途径

该赛项重点考察和培养学生与工程实践相关的虚拟工程场景设计、美术创意以及数字化实现的能力，是培养学生创新实践能力的重要途径，其主要含义如图1所示。

该赛项具有高度综合性的特点，对学生的创新实践能力提出了很高的要求，若想完成整个参赛流程并取得好的成绩，必须牢固掌握相关的理论知识，具备较高超的实践技能，并在此基础上不断提高个人和团队的创新能力和实践能力，赛项的设置充分体现了“守德崇劳工程创新求卓越，服务社会智造强国勇担当”的大赛主题。因此，在比赛的牵引下，探索如何行之有效地提升学生的创新实践能力，具有十分重要的意义。

二、大赛牵引下的学生创新实践能力培养模式

1.人才培养模式

通过总结以往指导工训大赛的经验，结合最新的大赛规程，构建了以学生为培养主体、以工训大赛工程场景数字化赛项为载体、以专业能力和非专业能力培养为两翼、以培养和提升学生创新实践能力为目标的人才培养模式，如图2所示。

（1）“以赛促教”，提升专业能力。实现工程场景数字化的前提是对相关专业工程知识的深度理解和消化吸收，进而进行创新实践，而现有的专业课程往往以课堂理论知识传授为主，缺乏具有代表性的案例教学，专业课程之间也缺乏相关性，难以形成对学生综合专业能力的培养。因此，以工程场景数字化竞赛为载体，将与专业相关的制造车间、施工现场等场景引入课程，并结合工程训练中心丰富的实践教学资源，有利于逐步构建一个面向实际工程的、系统的专业课程体系，提升学生解决复杂工程问题的能力。

（2）“以赛促学”，培养专业外能力。当代社会对复合型人才的需求不断增加，学生在本专业以外的非专业能力十分重要，不但要求学生有扎实的专业知识和技能，同时要求学生具备专业之外的工程实践能力和表达、应变、团队协作等能力。学生在参与工程场景数字化比赛的过程中，工程场景的构建，除了需要专业工程实践能力外，还必须具备一定的虚拟工程开发实践能力、创意及其深度、美术设计等方面的能力，在现场实践与考评环节，要具备解决突发问题、复杂问题、未知问题的能力。因此，以工程场景数字化竞赛为牵引有利于促进学生非专业能力的培养、提升学生的综合实践能力。

（3）“以赛促建”，建立竞赛指导团队，构建竞赛训练平台。在工训大赛中，学生是培养主体，教师则是培养质量的保障，而竞赛平台是基础与支撑。学生能力的培养，一方面是通过课程教学获得，另一方面是通过工程经验和参赛经验的传承获得，这两方面显然都离不开一支指导经验丰富并且知识和技能水平高的教师队伍。由于参赛团队成员组成是不断变化的，特别是学生是流动的，因此，必须建设一个稳定的竞赛训练平台，为新参赛队员的选拔、训练和适应新的比赛要求提供支持。

总之，学生创新实践能力的提升，与学生专业和非专业能力的培养以及教师队伍和竞赛平台的建设密不可分，如果能够规划得当，建设一个机制完善、资源丰富的竞赛平台，在此平台之上构建一套面向工程场景数字化竞赛的虚拟仿真教学体系，并且实施到位，则将形成教学、竞赛、能力提升间相互促进的良性循环，形成一种具有可复制和推广性的学生创新实践能力培养模式。

2.基于工程训练中心构建虚拟仿真教学体系

工程场景数字化赛项属于工训大赛的虚拟仿真赛道，从以上对此赛项工程内涵的分析可以看出，比赛对学生的工程知识掌握和运用能力、虚拟工程场景的开发能力，以及创新精神有很高要求，而这些知识和能力的获得主要来自于理论和实践教学，因此，随着竞赛对学生知识面、知识层次以及实践技能要求的不断提高，构建一套面向竞赛的教学体系非常关键。工程训练中心结合工程场景数字化赛项以及中心多年相关课程教学的丰富经验，构建了以工程训练中心为平台，以学生创新精神培养和实践技能训练为目标，以工程基础认知、虚拟仿真实训、生产现场操作三个训练层次为核心的虚拟仿真教学体系，如图3所示。

（1）以工程训练中心为平台。工程训练中心是将理论付诸于实践的最佳平台，中心以竞赛为牵引，实践教学的实施始终坚持两个突出：一是突出工程应用，拓宽工程实践范围，引导学生参与真实工程课题，将校内的教学和学生现场的感性认知结合起来，激励工程创新精神;二是突出综合素质，中心教师从实践教学实际出发，结合自身科研项目，开发仿真教学装备和软件，将校内的虚拟仿真操作与真实生产现场统一起来，锻炼学生综合工程能力，践行工程习惯。通过中心平台的建设，为在教学过程中遴选优秀参赛队员，以及竞赛团队的高效运作提供保障。

（2）以三个训练层次为核心。掌握相关工程现场及设备、原理、技术等，培养学生对工程的基本认识，为后续比赛打下坚实的基础。虚拟仿真实训通过桌面式虚拟实验、交互式仿真训练和亲历式互动实训等模式，借助大量仿真教学装备和软件，进行各种虚拟工程场景仿真体验和操作训练，使学生掌握基本的实践操作技能。在完成虚拟仿真训练的基础上，利用中心以及合作企业生产现场，在教师和工程师的指导下，进行生产现场实操训练，增强学生对工程场景的直观认识和感受，培养学生对工程的兴趣和创新精神。

（3）以进阶式软件培训为手段。虚拟工程场景的实现，要求学生能够熟练使用相关编程、工程应用以及游戏开发软件，以完成三维建模、数据库构建和虚拟现实开发，因此课程体系采用基于通用编程软件（如JAVA、C#）、工程应用软件（如SolidWorks）、专用开发软件（如Unity 3D）的进阶式培训模式，使学生具备开发虚拟工程场景所需的实践技能。

最后，通过参加工程场景数字化比赛，检验和评价教学体系实施效果，将有益经验和不足之处形成反馈，以支持课程体系的持续改进。

三、面向工程场景数字化的虚拟仿真教学实例

电动机是典型的机电设备，也是电能转换成旋转机械能输出的原动机，特别是以大型电动机为原动机的水利机械、疏浚装备、水电机组等水利行业大型机械装备，具有重量大、价格昂贵、能耗大等特点，设备运行过程时间长，空间跨度大、不可逆、运行成本高，进行现场教学实验难以使用原型设备进行真实操作。而建立仿真模型，进行相关的虚拟仿真实验，不仅可以解决无法进行实物实验的问题，更重要的是可以根据虚拟实验，使学生深入地研究和分析大型电动机的原理和结构，了解真实的动态轴承更换过程，与将要开发的工程场景进行零距离接触。

现以大型电动机的轴承更换过程为例，以其工程场景数字化为主题，以开发游戏并参加比赛为目标，探讨虚拟仿真实验教学的具体实施方案。

1.工程基础认知——体现核心技术，夯实参赛基础

本工程項目涉及大型电动机轴承外部结构件的拆卸、专用工具的使用、轴承的电磁感应加热等多个操作步骤，实验内容多，步骤烦琐，实验技术要求高，实验时间长，原型实验难以实施。以轴承电磁感应加热为例，被加热的轴承温度高达100℃以上，之后须自然冷却至室温再进行后续工序操作，该过程耗时长，且存在烫伤的危险性。因此，本阶段对学生主要进行工程基础认知教育，通过工程训练中心开设的《认识实习》课程实施，组织学生到工程现场参观学习，深入了解工程施工工艺以及主要设备、工具情况，主要教学内容包括：①深入了解电动机的基本组成和结构，掌握电动机轴承更换的原理、方法和更换流程;②掌握常用工具和专用工器具的使用技能;③了解不同配合类型前提下，轴承如何进行装配;④加深对轴类零件定位固定方法知识点的理解和掌握。在有限的时间内，将主要内容教授给学生，学习过程中进行过程考核并最终提交实习报告，全面提升学生的理论基础知识水平，夯实工程实践基础。

2.虚拟仿真实训——培养工程兴趣，提高创新能力

虚拟仿真教学主要采用两种模式： ①桌面虚拟实验，利用工程训练中心现有的虚拟现实设备模拟典型的工业过程，用虚拟设备代替实物，形成三维虚拟场景，保证实际操作的安全，实现对工程现场和施工工艺的可视化模拟，并在学生计算机桌面上展示;②交互式仿真训练，利用VR技术生成的逼真虚拟环境，学生佩戴交互设备在虚拟场景中模拟机床操作、事故处理等活动。通过以上教学过程，有利于学生对工程场景数字化的基本研究方法、操作流程、注意事项等有全面系统的认识，同时可充分调动学生学习的主动性，培养浓厚的工程兴趣，提高学生的思考能力、动手能力、分析问题和解决问题的能力，更重要的是提高学生的创新能力。

3.生产现场操作——强化实践教学，增强实践技能

为了提高学习效率，保证教师和学生安全，在真实工程现场主要采用组织学生进行生产过程参观、与工程师面对面交流的教学方式;实际动手操作环节则采用学生亲历式互动实训方式，在工程训练中心由教师指导完成，中心根据真实工程场景，将设备按一定的比例制作成具备真实结构、功能的模型，学生在教师指导下对模型进行多次拆装，重复训练，提高实践动手能力。

4.工程场景模拟——营造竞赛氛围，提升竞赛技能

学生以小组形式参与，以3～4个学生（竞赛要求每个参赛队3～4名学生）为一组，包括1名三年级学生为组长，其他2～3名低年级学生为成员，配备具有丰富大赛指导经验的教师，以大型电动机更换轴承为参赛主题，基于虚拟现实技术营造工程场景。根据大赛要求及主题特点，利用三维建模软件，构建大型电动机各部件、主要检修工具等三维模型，采用JAVA、C#等语言开发的服务端系统管理、考核等程序，利用Unity 3d虚拟现实技术进行实验步骤开发，以Oracle数据库技术搭建实验所需工器具、大型电动机模型等数据库，最后整体发布。在基于虚拟现实技术的大型电动机更换轴承工程场景游戏界面，用户可利用常规鼠标键盘对大型电动机轴承更换工程进行交互体验。最后，工程训练中心组织专家组，按照大赛决赛要求，组织参赛小组参与作品演讲、游戏体验以及提问解答等考察环节，并给出成绩。通过以上过程，提升参赛团队设计构思、工程内涵梳理、游戏架构设计、合理组织开发过程等综合能力。

四、结语

本文通过分析工训大赛新设工程场景数字化赛项与学生创新实践能力培养的相关性，将竞赛引入学生创新实践能力的培养过程之中，探讨了通过“以赛促教”“以赛促学”“以赛促建”提升和培养学生创新实践能力的模式，详细阐述了基于工程训练中心构建虚拟仿真教学体系的思路，该体系以工训大赛为牵引，工程训练中心为平台，工程基础认知、虚拟仿真实训、生产现场操作三个训练层次为核心，最终实现学生创新精神培养和实践技能提升的目标。最后，以基于虚拟现实技术的大型电动机更换轴承游戏的开发为实例，讨论了虚拟仿真教学在竞赛过程中的具体实施，游戏开发的结果表明，大赛牵引下的虚拟仿真教学模式对提升学生的创新实践能力、促进工程训练中心的建设，都起到了积极作用。

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[10]全国大学生工程训练综合能力竞赛组委会.关于举办第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛的通知：工训赛字7-01[2020][EB/OL].http：//www.gcxl.edu.cn/new/match_news01.html， 2020-09-16/2020-12-13.

[11]何岚岚，张海光，胡庆夕.学科竞赛牵引下的工程素质培养模式探究[J].实验室研究与探索，2019，38（9）：151-155.

作者简介：

马可，河海大学常州校区工程训练中心副主任、实验师，邮箱：make@hhu.edu.cn;

苑明海，河海大学机电工程学院副院长、副教授;

马亚生，河海大学常州校区工程训练中心讲师;

庄曙东，河海常州校区工程训练中心主任、高级实验师。

Abstract： National undergraduate engineering training integration ability competition （engineering training competition） sponsored by the Department of higher education of the Ministry of education is a national competition for students to carry out scientific and technological innovation engineering practice activities. Through penetrating into the relationship between the digitalization of engineering scene competition， the cultivation of innovation， and practice ability， this paper proposes the cultivation mode of innovation and practice ability based on the idea of “promotion of teaching by competition， promotion of learning by competition， and promotion of reform by competition”. In view of this training mode， this paper constructs a virtual simulation teaching system with three training level based on the engineering basic cognition， the virtual simulation training， and cored production field operation as the core. in addition， it elaborates the reform and construction of all kinds of courses in the system and the deep integration of engineering training competition. Taking the development of large motor bearing replacement game based on virtual reality technology as an example， the specific implementation effect of virtual simulation teaching mode with the guidance of industrial training competition is further verified. The results show that the virtual simulation teaching mode with the guidance of engineering training competition has played a positive role in both improving students’ innovative ability of practices and promoting the construction of engineering training center.

Keywords： Engineering training competition; Digitalization of engineering scene; Virtual simulation;  Teaching mode; Innovation and practice ability

編辑：王天鹏   校对：王晓明