AI+数字化虚拟技术在教学中的应用与研究

" 一、引言

2020年9月，教育部职成司发布《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设的通知》中提出：建设职业教育虚拟仿真实训基地，既是改革传统教学育人手段，推进人才培养模式创新的迫切需要，也是强化教学、学习、实训相融合的教育教学活动，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的重要措施。以社会和市场需求为导向，用新思路、新机制、新模式设计基地建设实施方案，融合多方资源，探索建立院校主导、企业协同、各具特色的实训基地创新建设模式，搭建校企合作桥梁。

2021年9月，教育部科技发展中心研究制定并发布的《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》，指导职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目单位高效率、高质量开展建设工作，切实推进虚拟现实技术与职业教育教学的深度融合。

围绕“数字时代技术革新和产业变革对于人才需求的多元化和复杂性”，以深化产教融合机制，以创新实践为路径，建设新型专业，构建“专业技术、产业应用和商业能力”跨领域的人才培养体系，探索高素质复合型数字人才的新模式新范式。在持续深入开展现代人才培养研究和实施过程中，学校充分感受到培养“复合型数字人才”对于专业需要系统性重构对接产业的体系、不断升级教育教学要素的重要性和紧迫感以及传统专业育人方式的差异化，同时在实际工作中也遇到新的困难和问题。

" 二、实训教学建设中的问题

" 1.“三高三难”问题突出

①高投入：部分实训设施设备的购置和维护成本高昂，院校需要投入大量的资金。②高风险：某些实训操作存在一定的危险性。③高难度：一些专业领域的实训教学对教师的专业水平和教学能力要求极高。④难理解：部分实训内容涉及复杂的理论知识和专业技能，学生在学习过程中往往难以快速理解和掌握。⑤难实施：受环境、场地等因素的限制，许多实训教学环节难以顺利开展。⑥难再现：对于一些不可及、不可达、不可逆、不可复现的实训环节，传统实训方法束手无策。

" 2.实训设备更新换代慢

企业生产技术不断发展进步，而院校的实训设备由于资金有限等原因，更新换代速度远远跟不上企业的步伐。这就导致学生在学校所学的技能与企业实际需求之间存在较大差距，毕业后难以快速适应工作岗位。

" 3.学生实践操作时间不足

由于实训设备数量有限，学生人数众多，分配到每个学生操作实践的时间非常有限。

围绕上述问题，拟计划采用人工智能前沿技术以及其在数据大模型、元宇宙和数字孪生等领域的典型应用，通过开展教育教学全域全景数字化的创新实践，从而有效改善了学校专业本体和行业企业群体在协同育人的配合舒适度，在专业对接产业的效率以及复合型人才联合培养的顺畅度方面得到了极大的改进提升。

" 三、建设AI+数字化技术的虚拟仿真基地创新模式

通过构建数字化与智能化技术融合的技术平台，构建老师和学生的数字分身，解决全时段课程答疑与测评，提升真人老师数字教学能力，传承积累学校优质课程资产，通过开发并持续优化数字课程、打造沉浸式数字课堂和数字工程实践场景，推行虚拟交互式现场教学和工程实践，使得人才培养可以打破固有的限制，实现时间与空间的无限延伸。

具体的建设内容：

" 1.应用“聪明的数字导师”

运用人工智能建模、语音识别与动画合成技术，使用数字人编辑工具创作学校教师、企业讲师的虚拟形象，实现逼真且独特的数字分身。具体以照片或以软件拍照形式提供原始素材进行数字人建模，并进行面部特征、妆容、发型和服装的调整，实现人脸相似度高达70%以上的逼真效果，然后通过声音的合成以及根据需求搭建背景场景，实现高度个性化的虚拟形象呈现。同时运用AIGC+数据大模型的技术，围绕学校教学和企业实践的资源以及常见的考评、答疑题库进行学习训练，支持AI智能交互，使得“数字人聪明起来”，从而为学生提供智能导师、智能助教全时段辅导服务。

" 2.构建“全流程的数字场景”

以内容和形式全面创新的优质教材与课程资源、构建云网智联全谱系的学习资源矩阵；同时通过开发教师和学生的数字分身，生产沉浸式交互式数字课程，逐步建设复现产业典型工程项目和场景的数字空间，构建“人、课、场”三元结构的数字资产体系和资源库，从而促进教学标准和质量升级，提升教育工作效率效能，为实现全时段、定制化学习和推进终身教育服务奠定基础。

在解决方案设计环节，围绕智慧工厂、智能交通、智慧农业、智慧文旅等各类产业数字化升级改造的典型场景，提供系统集成工程设计、方案编制等方面的技术服务、项目训练或创新创业的平台环境，可以围绕项目实际要求，进行分析需求，设备选型配置、系统仿真集成设计等各方面岗位能力训练，让学习者将相关的知识点、技术与实际应用项目关联，深入掌握产业数字化应用设计思路及系统实现方法。

数字场景的开发与应用，实现了对于产业数字化各类系统集成和技术服务工程的复现，能够围绕项目方案设计、项目场景体验、应用便捷开发的实际工作，开展方案编写、设备选型、售前支持、系统集成、产品设计等全流程、综合性的创新实践，能够全面提升学习者的数字化素养和技能以及解决复杂工程问题的数字工作能力。

图1 全流程的数字场景设计界面

结合智能巡检机器人，通过智能组织管理、组织机器人、机器人检测项、路径管理、巡检点管理、关键设备、用户管理、机器人告警、机器人控制等功能，完成对数字孪生现场进行监控和管理。

图2 机房智能巡检机器人工作图

" 3.实现“新形态的教育教学”

通过AI技术和工具的运用，能够有效发挥专业群协同发展优势，将数字经济发展中技术融合、服务融合的新内容进行快速引入和转化，依托数字人、数字场景等的制作与应用，构建完整的数字资产体系和资源库，同时通过智能便捷的AI教学工具平台，可以快速开发数字课程，全面提升制作数字精品资源的效率和质量，同时基于数字虚拟的交互式教学，现场感的沉浸式的数字场景，打造全新的“数字课堂”，实现新形态的教育教学。

" 四、预计成效

教育教学改革创新一定需要以人工智能为代表的数字化技术的支撑，首先要通过深入扎实的工作找到实际难点和问题，然后以创新的工作思维、技术手段探索解决方案，以先进技术和核心能力作为重点，同时以深化机制建设奠定体系建设。

AI数字化应用预计在复合型数字人才培养、新型课程体系建设以及服务职业教育数字化及数字经济发展方面取得了一定成效成果，具体介绍如下：

" 1.复合型数字人才培养成效

真正将企业的生产工艺、技术标准、应用内容和业务流程落实到学生培养进程中，使学生能够早进项目、早进岗位、早进工作，从而提高复合型数字工作能力培养的质量。最终使得学生在获得行业认证、新职业证书等方面全面提升，并通过行业的高度认可充分证明该培养模式和效果。

" 2.新型课程体系建设成果

按照“国家级专业教学资源库工作手册”和“职业教育国家级精品在线开放课程”的建设标准，建设内容和形式全面创新的数字课程资源，形成了高素质复合型“数字技术工程师”的课程体系，其中包括“培养数字化生产能力和数字化创新能力”的数字化职业技能训练体系以及“强化数字化经营管理，数字安全保护及数字社会法治道德规范认知和能力”的数字化职业素养训练体系，最终形成国家及省级专业教学资源库、规划教材和在线课程项目等建设成果。

" 五、结语

在复合型数字人才培养、新型课程体系建设以及服务职业教育数字化及数字经济发展方面，依托AI+数字化技术平台的应用，基于复合型人才培养目标要求，进行人才培养创新。面向地方区域的企业员工，开展产业班、数字化课程、职业资格认证、职业培训、技能鉴定等服务，开发满足岗位要求的数字化培训资源包，以满足企业用人需求和职工数字化能力提升的需求。

未来将基于数字化体系性建设，充分发挥职业教育引领示范建设成果，为其他高校、行业和社会提供数字形象开发、数字资源和虚拟场景共享的数字化赋能服务。

基金项目：2023年江苏省高等教育教改研究立项课题（项目标号：2023JSJG705）。

（作者单位：南京信息职业技术学院）