水利职业工种培训鉴定虚拟仿真实践教学探索

［摘 要］ 近年来，国务院大力推行社会化职业技能等级认定工作。为解决水利工种职业技能培训与鉴定工作中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现等问题，同时推进智慧水利虚拟仿真教学在工种培训中的应用，针对社会需求量巨大的河道修防工、灌排工程工、灌排泵站运行工三个水利职业工种，开发相应的工种培训鉴定虚拟仿真系统。系统的成功开发可以为地方政府、企事业单位、在校学生及社会其他人员提供优质的培训鉴定服务，为高素质水利技术技能人才的培养做出重大贡献。

［关 键 词］ 水利职业工种；虚拟仿真；智慧水利；实践教学

［中图分类号］ G712 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）20-0117-04

水利技术技能人才的培养是推动我国水利工程建设与管理技术创新、保障国计民生、促进经济发展和社会进步的重要工作。进行水利职业工种培训鉴定，有利于提升劳动者专业技能，保证水利工程建设的管理质量。伴随着智慧水利时代的到来，水利职业工种培训鉴定工作所遇到的高投入、高损耗、高风险以及难实施、难观摩、难再现等问题正在被逐步克服。虚拟仿真培训鉴定系统的成功开发将为水利职业工种培训鉴定工作提供低成本、低风险、多样化的虚拟实操环境，具有显著的现实意义。

一、水利职业工种培训鉴定现状分析

2019年，国务院大力推行社会化职业技能等级认定，形成以国家职业资格、职业技能等级、专项职业能力三部分组成的技能人才评价体系[1]，对加强职业技能培训、提高劳动者素质、促进劳动者就业创业、激励引导技能人才成长成才具有重要作用，对企业高质量发展和个人职业发展具有重要意义[2]。同时，全国水利工作会议提出，智慧水利是智慧社会的组成部分，是推进新时代水利现代化的重要举措，也是水利信息化的发展方向[3]。积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针，离不开大量基础扎实、工程素养高、实践与创新能力强的高级工程技术人才。目前，虚拟仿真技术在教育教学中的应用已经非常成熟[4-5]，但在水利职业工种培训鉴定工作中的应用尚未展开。我国在开展水利职业工种技能培训与鉴定的过程中，普遍存在综合实验条件缺乏、实践训练不足等问题，传统的教学培训模式中的“三高三难”问题正亟待解决。另外，水利从业工作者对水利工种职业技能等级认定工作的认知度不高，大部分从业者均没有获得相应工种职业技能等级证书，获得证书的少部分工作者其证书获得年限距今已超过十年，均未及时更新，加大职业技能鉴定的宣传力度已迫在眉睫[6]。

为积极响应国家号召，大力推进智慧水利在行业内的应用，进一步解决工种培训鉴定工作的“三高三难”问题，本文针对社会需求量巨大的三个水利职业工种，开发相对应的河道修防工、灌排工程工和灌排泵站运行工培训鉴定虚拟仿真系统。系统的开发严格按照相应工种国家职业技能标准的具体要求进行。工种培训鉴定虚拟仿真系统的开发，成功构建开放式虚拟实训环境，并融入多种交互式操作和多媒体技术，实现工种培训及认定工作的高效开展，为水利技术技能人才的培养提供强有力的技术支持，为水利职业技能培训与工种鉴定提供低成本、低风险、多样化的虚拟仿真实践训练平台，具有显著的现实意义。

二、水利职业工种培训鉴定虚拟仿真系统开发

本文以河道修防工、灌排工程工和灌排泵站运行工三个工种为案例，采用三维虚拟仿真技术与Unity 3D、C#等技术手段，综合应用多媒体、人机交互等方式，进行水利职业工种培训鉴定虚拟仿真系统的开发，旨在打造完整的可操作、可互动的水利职业工种三维虚拟仿真实训系统。

（一）虚拟仿真系统介绍

1.河道修防工培训鉴定虚拟仿真系统

围绕《国家职业技能标准：河道修防工（2019年版）》中的鉴定方式和工作要求，构建河道及周边环境的三维虚拟仿真场景，进行系统开发。系统包含9个模块，分技能培训和工种考核两部分：技能培训包括工程运行检查、工程观测、工程养护、工程维修、防汛抢险、工作记录和综合训练7个模块，工种考核包括理论考核模块与三维虚拟仿真实操考核模块。

工程运行检查模块中，通过建立河道、堤防、护坡、穿堤/跨堤建筑物等三维仿真场景，搭载三维引擎进行模块开发。学员可在三维虚拟仿真场景中进行漫游，自主查看并发现堤防、护坡等出现的变形、裂缝等，选择工具进行裂缝宽度和深度的测量；搭载混凝土剥蚀、裂缝、溶蚀和冻融破坏等异常情况，穿堤/跨堤建筑物对堤顶交通、防汛抢险、管理维修等产生影响的不同情景以及不同林草病虫害类型、林草人为破坏类型等运行异常情况的三维场景，学员可直观地对不同异常工况进行深入检查。

工程观测模块中，针对堤防工程、水位或潮位、渗透测压等观测要求构建三维场景，搭载测量工具、数据记录表格和初步数据统计分析功能。学员可自主创建堤防工程变形标志点，选择堤防沉降及位移观测的测量工具进行准确测量后填写记录表；搭载堤防和测压管水位观测场景，水位可在设定范围内变动，学员可自主读取自记水位计数据或测压管水位数据，能通过观察不同的浑浊度体验不同管涌程度的特征。

工程养护模块中，针对堤防工程、穿堤/跨堤建筑物、管护设施及防汛物料、堤防林草等构建三维场景，包含泥结碎石路面养护、抛石坡面局部坍塌、护脚石局部缺失、护坡垫层局部流失、排水孔堵塞、穿堤建筑物进出口处堤防的局部破损及残缺、上堤道路局部破损等场景，嵌入小型管护机械设备保养、草皮补植、林木修剪、防汛备土及砂石料保持等养护措施三维场景，让学员自行判断是否需要养护，分步骤引导学员进行各场景的修复和养护。

工程维修模块中，针对堤防工程、堤岸防护、害堤动物防治等，构建包含不同破碎程度的堤顶泥结碎石路面，不同残缺或损坏程度的干砌石、浆砌石、混凝土护坡及存在塌坑、冲沟的堤岸防护工程等三维场景，学员自主判断并选择相应材料和工器具进行维修；搭载土料含水量和干密度测定的三维场景，包含测量工具、测量应用场景，含水量、干密度记录表等，让学员进行测量操作并记录数据；嵌入害堤动物虚拟仿真场景，设置诱杀装置及防治害堤动物的器械，供学员自主操练。

防汛抢险模块中，构建不同程度的工程渗水、漫溢和风浪险情虚拟场景，内置测量工具、测量应用场景，让学员对险情进行鉴别，并对险情数据进行测量；嵌入各种险情处理方法的三维场景，分步骤引导学员进行渗水抢护、防漫溢抢护、防风浪抢护等，增强险情真实感，提高学员实训的代入感。

工作记录模块主要用于存储各模块数据结果、操作记录等，并支持随时调用和修改。

综合训练模块内置多套河道修防工相关考核试题，支持学员进行理论考试训练，可进行错误试题分析讲解，辅助学员理解相关理论知识；支持学员进行河道修防工实操考核内容三维虚拟仿真实训，对实训内容进行讲解。

理论考核模块中，分知识点嵌入河道修防工职业技能标准、教材、理论考试题库，分权重、按比例进行理论知识考核，嵌套随机出题功能，实现随机出题组卷，保证知识分布结构合理性，实现理论考试题目不重样的效果。

三维虚拟仿真实操考核模块中，嵌套河道修防工技能标准中的考核要点，并分权重、按比例进行技能要求考核，嵌套随机出题功能，实现随机技能考核，让每位学员技能考核题目都不重样。

2.灌排工程工培训鉴定虚拟仿真系统

围绕《国家职业技能标准：灌排工程工（2010年修订）》中的鉴定方式和工作要求，构建农田、渠道、泵房、作物及周边环境等的三维虚拟仿真场景，进行系统开发。系统包含6个模块，分技能培训和工种考核两大部分：技能培训包括灌排工程施工、灌排工程运行、灌排工程管护和综合训练4个模块；工种考核包括理论考核模块和三维虚拟仿真实操考核模块。

灌排工程施工模块中，针对灌排渠/沟、灌排渠/沟系建筑物、机井和小型泵站等的施工，构建三维场景，搭载三维引擎进行全方位工程施工操作系统开发。包括：构建工程施工三维互动式场景供学员进行漫游，随时查看并记录各工程施工进度；设置灌排渠/沟、灌排渠/沟系建筑物施工测量放样工具及应用场景；构建包含测量工具、测量应用场景，数据记录表等的回填土含水量和干密度测定场景；设置衬砌、护坡、软基处理、基坑支挡、开挖机械选择、钢筋制作安装等工序的互动施工场景；设置各种场景下的机电、金属结构物的互动安装现场，如水泵、管道、闸阀、螺杆式启闭机、拦污栅等；设置基坑排水施工工序三维场景及量测工具，提供基坑积水量、渗水量表；设置混凝土试块取样、抽水试验等现场试验场景等。

灌排工程运行模块中，针对灌排渠/沟、灌排渠/沟系建筑物、机井和小型泵站等，构建各类运行异常三维互动式场景。包括：构建工程运行三维场景供学员进行漫游，随时查看并记录工程运行情况；设置沟渠运行水位及各种正常/非正常流态、闸门启闭前后水流流态，供学员自主判断并记录异常情况；构建渠堤裂缝沉陷、变形，排水沟淤堵、塌坡，机井井口、井壁管变形、裂缝等异常情景；设置管道工程及配套设施，水泵、主电机运行情况的互动场景，供学员自主检查异常情况并记录等。

灌排工程管护模块中，通过构建灌排工程各异常情况的三维互动场景，内置处理方式，为学员提供互动式工程管护体验。包括：构建灌排渠道隐患探测、堤坡坍塌加固、管道工程及配套设施漏水沉陷维修、渠道排水设施维修养护等场景；构建渡槽伸缩缝杂物清理、止水修补更换等场景；构建干砌护坡、浆砌石结构、混凝土和钢筋混凝土建筑物、机井井口和井壁管等建筑物异常情况处理场景；构建其他管护设备施用场景，如建筑物进出口设立水尺，水泵、电机油质、油位检查，压力油系统和润滑油系统注油等。

综合训练模块、理论考核模块和三维虚拟仿真实操考核模块的开发，与河道修防工培训鉴定虚拟仿真系统相应模块类似。

3.灌排泵站运行工培训鉴定虚拟仿真系统

围绕《国家职业技能标准：泵站运行工（征求意见稿）》中的鉴定方式和工作要求，构建泵站及周边环境的三维虚拟仿真场景，进行系统开发。系统包含6个模块，分技能培训和工种考核两大部分：技能培训包括机械设备运行、电气设备运行、金属结构设备运行和综合训练4个模块；工种考核包括理论考核模块与三维虚拟仿真实操考核模块。

机械设备运行模块中，通过构建包括设备检查、设备操作、工况巡视、设备养护等的机械设备运行三维互动式仿真场景进行系统开发。构建互动式检查操作场景，进行真空破坏阀、水泵填料函的密闭性检查，油、气、水、抽真空设备外部有无漏油、漏水、漏气、缺损和闸门启闭的状态检查，油系统中油压槽、回油箱和储油箱等油位的检查；设置可调节的全调节水泵叶片角度，内置主机组停机时的手动制动操作，提供液压设备或千斤顶供学员进行顶起主机组转子作业。构建各类工况互动式巡视场景，设置摆度测量仪器、主机组及辅助设备外壳温度计，设置水泵填料函压紧螺栓调整操作等。构建各类设备互动式养护场景，包括温度表、压力表、真空表的更换，主机组和油系统用油的取样送检，油、气、水管道接头阀门的渗漏处理等。

电气设备运行模块中，通过构建电气设备运行的三维互动式场景，供学员对电气设备检查、设备操作、工况巡视、设备养护等进行深入学习。搭建互动式检查场景，使用兆欧表测量电动机、互感器、直流系统等的绝缘电阻及吸收比；检查和紧固电动机接线；检查电气设备及电力电缆、控制电缆的外壳接地或接零线有无松动、断开等。搭建互动式操作场景，包括主机组开、停机操作；高压电容器柜、高压互感器柜和主电动机高压开关柜等的隔离开关和断路器的分、合闸操作等。搭建互动式巡视场景，包括电气设备渗油、漏油、喷油现象的处理；油位计、油温表等指示不正常现象的处理，根据系统各类监测仪表数值的变化判断系统运行是否正常等。搭建互动式养护场景，包括进行停电、验电、装设接地线；更换二次回路端子排、连线和熔断器；对蓄电池进行充、放电活化操作等。

金属结构设备运行模块中，通过构建金属结构设备运行的三维互动式场景，供学员对金属结构设备检查、设备操作、工况巡视、设备养护进行深入学习。搭建互动式检查场景，包括闸门充水、止水装置中吊耳和吊杆是否牢靠；真空破坏阀打开、关闭是否灵活；清污机转动是否灵活；闸门是否存在变形、开裂；压力管道是否存在凹陷、变形等。搭建互动式操作场景，包括移动式启闭机启闭闸门操作；液压启闭机启闭闸门、拍门操作；闸门、拍门开启度调节；拦污栅人工排冰操作；发生事故停机时关闭快速闸门、拍门等。搭建互动式巡视场景，包括闸门位置有无变化、倾斜、跑偏；拦污栅前后水位差是否正常等。搭建互动式养护场景，包括金属结构除锈、涂漆处理；闸门的滚轮、滑块、拍门绞、吊耳及铰座的清洗、润滑；闸门、拍门的止水橡皮和压紧螺栓的检查和紧固等。

综合训练模块、理论考核模块和三维虚拟仿真实操考核模块的开发，与河道修防工培训鉴定虚拟仿真系统相应模块类似。

（二）虚拟仿真系统优势体现

工种培训鉴定虚拟仿真系统可以满足地方政府、企事业单位、在校学生及社会其他人员的技能等级培训及认定需求，具有非常显著的应用价值和广阔的市场前景。系统的优势体现如下：

1.打破时空限制

工种培训鉴定虚拟仿真系统可以通过互联网进行远程实训，支持学员在虚拟环境中多次反复练习和实践，不受时间和空间的限制，可反复实训直至熟练。

2.提升培训鉴定效果

工种培训鉴定虚拟仿真系统借助虚拟仿真技术和手段，将国家职业技能标准中的实践要点以虚拟仿真的形式一一展示出来，受训人员可以身临其境地体验和操作各种设备和工具，学习正确的操作流程和安全规范，提升培训鉴定效果。

3.降低培训鉴定成本

传统的工种培训需要到实际训练场地进行大量的基础技能教学、工程案例讲解，而工种培训鉴定虚拟仿真系统可以提供低成本、低风险、多样化的虚拟实操环境，使实践教学内容与水利职业教育更加紧密地结合在一起。

（三）虚拟仿真系统开发重难点

工种培训鉴定虚拟仿真系统开发过程中的重点和难点问题如下：

1.为实现工种职业技能标准与虚拟仿真技术有机融合，系统的开发需要深入调研实际水利类工程，克服各种限制，尽可能真实地模拟相应工种的工作环境和操作流程，确保模拟的真实性和准确性，以实现更有效的培训效果。

2.为实现系统与使用者之间的良好互动，需要考虑如何实现交互式模拟和虚拟仿真操作，以提高软件的易用性和学员的参与度。

3.为满足大规模数据存储、检索和分析等方面的管理需求，系统需要设计合适的数据库结构和算法，确保高效且可靠的交互管理系统所产生的大量学员数据、培训记录和评估结果等信息。

4.工种培训鉴定虚拟仿真软件需要长时间运行，面临各种复杂的使用环境和操作流程，需要充分测试及优化，确保系统的可靠性和稳定性。

三、结论

（一）有效落实国家职业技能标准，提升社会服务质量

工种培训鉴定虚拟仿真系统技术先进、实用性强，可为地方政府、企事业单位岗前培训、在职培训、待岗人员再就业培训、在校学生、社会其他人员培训及技能鉴定提供低成本、低风险、多样化的沉浸式人机交互虚拟实操环境。有效落实工种国家职业技能标准对实践教学的要求，充分践行工种技能鉴定培训方案，全方位为学员提供综合实践的场所，提高社会服务质量和服务水平，从而助力高技能、高素质的实践型水利职业人才的培养。

（二）有效助力新兴课程开发建设，提升人才培养质量

工种培训鉴定虚拟仿真系统的成功开发，有效助力“防洪抢险技术”“智慧水利运维管理”“灌溉与排水工程设计”“泵站工程设计”等课程的开发建设，从一定程度上提高学生的学习乐趣，增加学生的动手参与机会，加深学生对理论知识的理解，有利于实现人才培养模式由注重基础理论和专业知识传授向提高工程实践能力和创新意识的转变，为高素质、创新型水利技术技能人才的培养赋能增效。

（三）有效推动智慧水利教育实践，提升教育信息化水平

工种培训鉴定虚拟仿真系统在教学中的成功实践，为学生提供接触虚拟仿真技术前沿的机会，提高学生对虚拟仿真技术的认识和实践应用能力，从人才培养的源头上推动水利智慧化升级，实现人才培养与水利行业数字化、智能化建设与管理的有效接轨，从而实现教育信息化水平的有效提升。

参考文献：

［1］ 人力资源和社会保障部.国家职业技能标准汇编［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2011.

［2］ 陈李翔.实行职业技能等级制度是新时代技能人才培养使用机制的一场革命［J］.职业，2020（20）：6-7.

［3］ 原雪，宋兵.从《水利工程管理与施工技术》看“互联网+智慧水利”在水利工程施工管理中的应用［J］.人民黄河，2024，46（1）：170-171.

［4］ 赵妮娜.职业教育虚拟仿真教学资源开发研究［J］.现代职业教育，2023（9）：135-138.

［5］ 杨启贵.水利工程虚拟仿真技术应用研究［J］.人民长江，2015，46（21）：61-64.

［6］ 杨雅轩.新时代推行职业技能等级制度的思考及建议［J］.四川劳动保障，2022（8）：26.

◎编辑 栗国花