基于虚拟仿真技术的防雷减灾职业技能实训模式研究

摘 要：雷电灾害具有极大的破坏性和不确定性，防雷减灾专业的实训活动存在较高风险，传统的实训方式无法达到比较好的教学效果。为提高防雷减灾实训教学质量，采取虚拟仿真技术开发建设雷电防护装置设计和检测实训资源具有重要的现实意义。对此，阐明了虚拟仿真技术在教育教学的融入，分析了防雷减灾实训对虚拟仿真的要求，提出了防雷减灾虚拟仿真实训资源设计与建设思路，以期为相关教学模式改革提供参考。

关键词：虚拟仿真技术；防雷减灾；职业技能；实训模式；技能实训

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

根据《关于推动现代职业教育高质量发展的意见》《关于深化现代职业教育体系建设改革的意见》等文件精神，相关机构应积极推动现代信息技术与教育教学方法进行深度融合，提高课堂教学质量。尤其要针对专业实训教学中“高投入高难度高风险、难实施难观摩难再现”等现实问题，结合自身实际，创建职业教育虚拟仿真实训环境，运用虚拟现实、数字孪生等信息技术，开发资源、升级设备、构建课程、组建团队，革新传统实训模式，有效服务专业实训和社会培训。

防雷减灾职业教育的目的是培养和训练防雷减灾技能型人才，提升学员的防雷减灾能力素养[1]。雷电灾害具有极大的破坏性和不确定性，防雷减灾专业实训活动存在较高风险，且不便于开展大规模的现场观摩和实践，传统的实训方式无法达到比较好的教学效果。而在国家政策大力支持和教学实际迫切需要的背景下，将现代教育的虚拟仿真技术应用于防雷减灾实训教学，建立虚拟仿真系统和平台，对实习、实训环境进行模拟，可以解决实践教学环境欠缺和学员不便去实际现场进行操作等问题，具有重要的现实意义[2]。

1 虚拟仿真教学概述

虚拟仿真教学具有丰富的理论基础，其符合构建主义理论的要求，重视学生的主体地位，并能充分调动学生学习的主动性[3]。在虚拟仿真教学中，教师只起辅助作用，将仿真过程和任务呈现给学生，学生自主完成情境化模拟操作，通过仿真软件巩固旧知识、探究新知识，逐渐促进知识间的联结，形成课程内容的意义建构。虚拟仿真技术可为学生提供不同的学习场景，学生在不同情境中对知识进行对比和归纳，建立独有的知识结构。虚拟仿真教学也符合生活教育理论的要求，注重教育与能力间的关系，注重教学与生活实际的联系[4]。

在虚拟仿真教学中，以“做”为核心，学生和教师共同合作学习，在锻炼学生实践能力的同时实现教师的自我提升。教师选取与生活有实际联系的仿真教学素材，通过创建“类生活”的教育场景，使学生产生共鸣，激发其学习兴趣。

此外，虚拟仿真教学还符合具身认知理论的要求，充分调动多感官参与学习，注重知识与情境的交互[5]。虚拟仿真教学使学生充分利用自身多种感官与虚拟环境进行交互作用，以达到改善教学效果的目的。例如：通过创建动态化三维模型调动学生视觉感官，激发学生学习兴趣；通过鼠标、键盘等输入设备调动触觉感官，实现实践技能演练；通过合成授课辅助语音调动听觉感官，有助于知识的理解与记忆等。虚拟仿真教学用虚拟场景中的体验代替真实环境的实践操作，在情境中感知课程内容，促进知识的有效理解。

2 虚拟仿真技术在教育教学中的融入

美国计算机科学家Jaron Lanier最早于1989年提出并使用“虚拟现实”一词以统一对新的人机交互技术进行表述。虚拟现实技术包括计算机、电子信息、仿真技术等，其基本实现方式是对现实环境进行虚拟化和数字化处理，具有沉浸性、交互性和构想性等特征，给人以环境沉浸感[6]。虚拟仿真教学实现了科技与教育的高度融合，已经成为教育领域的一种新型教学模式。我国在20世纪90年代开始研究虚拟仿真技术，逐渐将其应用于教育领域。随着教育信息化的快速发展，虚拟仿真技术已得到广泛应用，并取得了一定的研究成果，主要体现在以下3个方面。

一是实训教学系统的建设，主要是对虚拟仿真实训室和实验中心建设、教学平台开发等进行研究。大连理工大学基于教学资源、综合平台和教学与管理手段3个方面建设具有自身特色的电工电子国家级实验教学仿真中心[7]。山东农业大学集农业机械类、机械设计类等5种虚拟仿真教学平台为一体，建设农业机械化及其自动化虚拟仿真实验教学中心[8]。刘海波等[9]依托现代信息网络技术研发工程教育视域下的虚拟仿真实验教学资源、开发虚拟仿真网络教学平台。仿真实训教学系统既可以打破时间空间限制、实现资源共享，也有利于拓展教学内容，增强教学效果，其建设经验可供其他学校和教育工作者借鉴。

二是教学改革的探索，主要从理论角度对虚拟仿真教学改革的需求、原则及对策进行研究。吴丹等[10]对实训课程中存在的学生参与度不高、配套教学资源不足等问题提出教学改革路径，探索虚拟仿真教学新模式。刘亚丰等[11]从建立统筹规划机制、坚持虚实结合原则、健全练习和考核工作模式等7个方面提出了虚拟仿真教学资源建设要遵循的原则与标准。张小辉[12]

从教学资源、教学管理体系、教学模式和教学平台4个方面针对仿真教学特点和课程现状提出教学改革对策，以实现虚拟与真实有效融合。作为新兴教学模式，虚拟仿真技术受到教育界广泛关注，为课程教学改革奠定坚实的理论基础。

三是教学应用的研究，主要关于虚拟仿真技术在具体专业和课程中的应用设计及其意义。黎红梅等[13]结合课程案例对电工学虚拟仿真实验展开教学设计，实践证明，该教学模式能够调动学生积极性，有效增强教学效果。谷艳华等[14]在工程图学课程中将虚拟仿真教学与混合式教学模式相结合开展教学实践，研究结果表明两者结合有助于学生自主学习和创新能力的提高。葛圆等[15]在护理学专业中运用虚拟仿真工具创设模拟教学环境，从课前、课中、课后进行教学过程设计并付诸实践，取得良好的反馈效果。虚拟仿真教学主要应用在电工电子、机械、医疗等学科领域，其教学模式能突破时空限制，实现虚实融合，激发兴趣，增强学习效果，促进实践能力和创新能力的提高。

3 防雷减灾实训对虚拟仿真的要求

防雷减灾是为减少雷电灾害对人民生命财产安全和经济社会发展的影响而采取的一系列措施，主要包括雷电防护装置设计、雷电防护装置检测及雷电灾害监测、调查、鉴定和评估等。雷电防护装置的设计是一个复杂的技术过程，需要遵循国家及行业的标准和规范，在了解防护对象的结构、用途、地理位置、土壤电阻率等信息的基础上，根据其重要性、使用功能、人员密度等因素进行风险评估，绘制防雷装置的施工图纸，包括平面图、立面图、剖面图等，标注详细的材料规格、施工要求和验收标准等。雷电防护装置检测是为确定雷电防护装置是否满足标准要求而进行的检查、测量及信息综合分析处理的全过程，详细记录检测数据、测试条件、使用的仪器设备等信息，根据检测结果编写报告，报告内容包括检测结论、存在的问题、整改建议等内容，是确保防雷系统安全有效的重要环节。

防雷减灾实训主要涉及雷电防护装置设计和检测等内容。其目标是培养学员的识图制图能力、雷电防护装置设计能力、雷电防护装置检测能力和数据分析处理能力等[16]。主要的内容是对接真实职业场景和工作情境，进行雷电防护装置制图识图、雷电防护装置设计、雷电防护装置检测等。

防雷减灾实训对虚拟仿真的一般性要求是将计算机视觉理论与图形图像处理等相关理论进行结合，利用信息处理设备构建数字化虚拟场景，通过显示系统使用户能够获得视觉信息，并利用图像处理与识别、网络通信等手段实现学员在虚拟空间环境中的实践训练。

防雷减灾实训需要虚拟仿真技术实现人机交互，利用仿真任务和资源引导学员积极参与教学，达到“互动式”的教学效果，并能够与其他先进教学方法相结合，充分发挥各自的优点，以取得更好的教学效果。

防雷减灾实训需要虚拟仿真技术激发学习兴趣，利用虚拟仿真教学资源以具象化的形式呈现知识内容，将学员迅速带入虚拟工作场景，自主操作把握课程内容，加强实践操作训练，将学习方式由静态变为动态，充分调动学员的学习积极性和主动性。

防雷减灾实训需要虚拟仿真技术满足实践教学要求，受教学时间、设备数量、安全性等的限制，需要利用虚拟仿真技术构建虚拟实训室，以减少安全隐患、降低实训器材消耗的目的，实现学员真正参与实训教学，成为课堂的主体，从而更好地掌握知识和技能。

4 防雷减灾虚拟仿真实训资源设计与建设思路

防雷减灾实训教学是掌握防雷减灾技能的重要环节。学好防雷减灾知识和技能必须掌握雷电防护装置设计和检测的基本知识和原理[17]。但在雷电防护装置设计和检测的实际教学过程中发现，大多数学员获取知识和技能的学习风格属于直观型，即偏重视觉上的直观感受，不善于对知识细节进行深度思考。而防雷减灾技术偏重理论和概念，采用传统的灌输式教学难以达到预期的效果。因此，构建防雷减灾虚拟仿真实训资源对推动课程教学改革和增强教学效果具有极其重要的意义。

防雷减灾虚拟仿真实训资源的建设思路是以具有代表性且雷电防护设施丰富完整的建筑作为原型，建立雷电防护装置设计和检测技能实训的虚拟场景，同时将设计、检查、测量的规范要求及图集做法和设备使用等知识通过图片或影像的形式嵌入场景内，使得虚拟场景具有交互的功能。

雷电防护设施是用于避免和减小雷击造成人身伤害和物理损害的系统，主要分为外部雷电防护系统和内部雷电防护系统两部分。其中，外部雷电防护系统由接闪器、引下线和接地装置组成。接闪器是用于拦截雷击的金属部件，主要形式有接闪杆、接闪带、接闪网、接闪线等；引下线是用于将雷电流从接闪器传导至接地装置的导体；接地装置是用于将雷电流传导并散入大地的导体。而内部雷电防护系统主要包括磁屏蔽、防雷等电位连接、电涌保护器等。磁屏蔽是将需要保护的空间包围起来的闭合金属格栅或连续型屏蔽体，其目的是减少电气和电子系统的失效；防雷电电磁脉冲的屏蔽包括格栅型空间屏蔽、引进的线路屏蔽、屏蔽板（网）和屏蔽室（盒）等；防雷等电位连接是将分开的诸金属物体直接用连接导体或经电涌保护器连接到防雷装置上以减少雷电流引发的地位差；电涌保护器是用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流的电器，其至少包括一个非线性的元件，并且具有适当的连接装置，是一个装备完整的部件。

防雷减灾虚拟仿真实训资源的具体建设内容是根据雷电防护装置设计和检测内容，设计实训模块，列出重点、难点，确定需要制作虚拟仿真教学资源的知识点。同时，通过优质教学资源的有效组合，规范专业实训教学的基本要求，使实训内容与行业需求相结合[18]。

防雷减灾虚拟仿真实训资源具体内容见表1。

表1" 防雷减灾虚拟仿真实训资源建设内容

实训模块 实训重点与难点 虚拟仿真实训资源 资源建设要求

接闪器 （1）接闪器类型及敷设；（2）接闪器规格及安装；（3）接闪器固定支架要求；（4）接闪器与保护物间距；（5）接闪器保护范围 ①接闪器类型和方式仿真；②接闪器敷设和位置仿真；③接闪器材料和规格仿真；④接闪器安装工艺仿真；⑤接闪器固定支架仿真；⑥接闪器网格尺寸仿真；⑦接闪器连接性能仿真；⑧接闪器与保护物间距仿真；⑨防侧击措施仿真；⑩接闪器保护范围仿真 1.以一套完整合规的建筑物雷电防护装置设计图纸为依据，按照由外部防雷措施到内部防雷措施的顺序进行学习、实训和考核

2.涵盖雷电防护常用规范和标准，具备自由练习模式和任务实训模式

3.通过文字、图片、视频能够模拟雷电防护装置设计和检测具体作业条件要求，对设计、检测过程及步骤进行详细说明，能够进行文字和语音引导等

4.将知识考核融入模拟操作过程，在重点环节中能够显示相应的标准规范内容及来源

5.根据不同雷电防护装置可以模拟选择不同材料和规格

引下线 （1）引下线类型及规格；（2）引下线安装工艺；（3）引下线支架及断接卡；（4）跨步电压及旁侧闪络；（5）引下线数量及间距 ①引下线类型和敷设仿真；②引下线材料和规格仿真；③引下线安装工艺仿真；④引下线固定支架仿真；⑤引下线断接卡及保护仿真；⑥防跨步电压和旁侧闪络仿真；⑦引下线与保护物间距仿真；⑧引下线电气连接仿真；⑨引下线数量及间距仿真

接地装置 （1）接地装置类型及布置；（2）接地装置材料和规格；（3）共用接地装置；（4）接地电阻测量 ①接地装置类型及布置仿真；②接地装置材料和规格仿真；③接地装置焊接及防腐仿真；④接地装置间隔距离仿真；⑤共用接地装置仿真；⑥接地电阻测量仿真

磁屏蔽 （1）磁屏蔽位置

（2）磁屏蔽效果 ①磁屏蔽位置仿真；②磁屏蔽等电位连接性能仿真；③磁屏蔽效果仿真

防雷等电位连接 （1）防雷等电位连接位置及结构。

（2）防雷等电位连接材料和规格

（3）防雷等电位连接性能 ①防雷等电位连接位置仿真；②防雷等电位连接结构仿真；③防雷等电位连接材料和规格仿真；④防雷等电位连接工艺仿真；⑤防雷等电位连接性能仿真；⑥防雷等电位接地基准点性能仿真

电涌保护器 （1）电涌保护器布置及参数

（2）连接导体材料和规格

（3）电涌保护器级间配合

（4）电涌保护器过流保护 ①电涌保护器布置仿真；②电涌保护器参数仿真；③连接导体材料和规格仿真；④电涌保护器连接工艺仿真；⑤防护级数和级间配合仿真；⑥电涌保护器过流保护仿真；⑦电涌保护器压敏电压仿真；⑧电涌保护器泄漏电流仿真；⑨电涌保护器绝缘电阻仿真

防雷减灾虚拟仿真实训资源的建设方案是根据教学内容，按照模块分步制定。具体实施步骤：首先，收集重点、难点的相关素材（包括各雷电防护装置的图纸、图片和录像等）；其次，编写虚拟仿真模型制作脚本（包括雷电防护装置模型、检查顺序、设备使用等脚本）；再次，由项目组专业教师与虚拟仿真专业技术人员合作开发虚拟仿真模型；最后，进行试用、改进、

推广[19-20]。

防雷减灾虚拟仿真实训资源设计和建设中要做好资源分类，做到易查、易选、易用、易操作和易更新，要与防雷技术和标准规范的发展趋势相结合。同时，要为学生自主学习和教师授课提供技术服务，让教师带领学生进行自主学习，将课堂讲授内容与教学资源库紧密联系，引导学生进行网络学习。此外，虚拟仿真实训资源要做精做细，利用动画、微课等形式提高资源的使用率，激发学生学习兴趣。

5 结论

防雷减灾虚拟仿真实训教学模式是服务于教师、学员、企业、专家和社会的创新性教学方式。虚拟仿真技术利用计算机软件模拟防雷减灾真实工作场景，让学员在仿真情境中学习探究，直观体验实际设计和检测过程，对知识和技能的提升具有重要的现实意义。

一方面，虚拟仿真技术利用三维模型、仿真动画和分析图像将防雷减灾实训知识以直观化和形象化的方式呈现，降低课程内容难度，调动学员的学习积极性，转变其学习态度，促进对防雷减灾知识的正确理解与应用。

另一方面，虚拟仿真技术便于学员不受时间、空间、材料、设备等因素限制，进行反复多次实践训练。通过循序渐进的训练，达到雷电防护装置设计和检测的理论与实践相结合的教学效果，从而提高教学质量，改善防雷减灾专业课程的教学现状。

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收稿日期：2024-07-19

基金项目：河北省职业教育科学研究“十四五”规划“基于虚拟仿真技术的防雷减灾职业技能实训模式研究”（JZY24369）。

作者简介：梁景峰（1980—），男，河北保定人，高级工程师，研究方向为防雷减灾职业教育培训。#通信作者：朱旭敏（1986—），女，河北邯郸人，工程师，研究方向为气象观测，E-mail：596010919@qq.com。