探究基于虚拟仿真的轨道交通实训教学对提升学习效果的作用

摘"要：本研究旨在探讨虚拟仿真在轨道交通实训教学中的应用，以提升学习效果。通过对高速铁路动车组检修专业学生的虚拟仿真实训教学与传统实训教学进行对比分析，研究采用了课前、课中和课后三个阶段的教学设计，且对教学内容重构，并以学生学习动机、学习兴趣等方面的问卷调查和课业成绩考核作为评价指标。研究显示，虚拟仿真实训教学能够有效提高学生的实训技能水平。然而，在学习兴趣和操作熟练度等方面，虚拟仿真实训教学并没有显著优势。这表明学生的学习兴趣和技能水平的提高需要综合考虑虚拟仿真实训和传统实训的优势。此外，虚拟仿真系统的教学评价也为教师教学设计提供了新的思路。

关键词：虚拟仿真；轨道交通；实训教学；学习效果

一、概述

虚拟仿真实训是指利用计算机技术和虚拟现实技术，通过创建虚拟环境和场景，模拟真实世界的操作和流程，使学习者能够在虚拟环境中进行实践操作、演练技能、测试想法和研究等活动。与传统实训方式相比，虚拟仿真实训具有成本低、灵活性高、安全性好、数据可追溯等优点，为实训教学“三高三难”问题（高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现）提供了解决思路［1］。2023年7月11日，《教育部办公厅关于加快推进现代职业教育体系建设改革重点任务的通知》要求结合院校自身实际，建设职业教育虚拟仿真实训基地，推动职业院校技术技能人才实训教学模式创新。国家对于职业教育教学的重视，特别是体现在职业教育岗课赛证教学模式及虚拟仿真教学方面。

轨道交通类行业是一门实践导向的学科，在人才能力的培养中极其注重应用实践能力的培养。以高速动车检修专业为例，动车组地勤机械师作为典型的轨道交通行业岗位，其工作环境特殊。这类工作情景通常涉及高风险操作（例如供电），具备不可逆的风险特征；同时也伴随着高成本（需专业控制系统和设备）以及高资源消耗（例如设备测试），并且工作环境属于复杂的综合场景，难以进行真实地教学和研究。如果只依靠传统的现场观摩、书本授课等教学方式，学生很难在短时间内掌握复杂的动车组检修工艺［2］。显然采用虚拟仿真技术去解决动车组检修实训教学中的任务，则会更方便安全，也能节约成本。

二、文献综述

近年来关于虚拟仿真实训教学的研究中，可以按照以下几个方面进行分类：一是系统开发与应用研究。在虚拟仿真实训系统的开发与应用方面，研究者主要关注系统的构建和优化。虚拟仿真实训系统应强调对资源的开放性和共享性，以满足教育教学的多元化需求，通过构建虚拟仿真实训室，成功解决了学生数量多而实训设备不足的矛盾，提高了实训教学效率。二是教学应用与模式研究。在教学应用与模式方面，虚拟仿真实训教学能够为学生提供一个安全、可控的实践环境，有助于培养学生的实践能力和创新精神。基于虚拟仿真的教学模式，模拟真实的职业场景和任务，使学生在虚拟环境中进行实践操作，从而有效提升学生的职业能力［3］。三是教学效果与影响。研究在教学效果与影响方面，对比传统教学与虚拟仿真实训教学的效果，虚拟仿真实训教学能够显著提高学生的学习兴趣和积极性，同时也有助于改善学生的学习态度。此外，虚拟仿真实训教学还能有效促进学生对于知识原理和操作过程的掌握，从而提高其学习效果和成就感。

综上所述，虚拟仿真实训教学的研究涵盖了系统开发、教学应用与模式以及教学效果与影响等多个方面。通过不断优化虚拟仿真实训系统、探索新的教学模式和评估教学效果，可以进一步推动虚拟仿真实训教学的应用和发展。

三、虚拟仿真实训结合动车组机械设备检修的教学设计

高职实训课堂在教学过程中占据50%以上的比重，目前虚拟仿真实训平台在轨道交通专业中得到广泛使用。如何充分利用虚拟仿真实训平台资源提升学生综合能力，笔者在实际教学工作中总结了高速动车组虚拟仿真实训任务，形成了一套有机联合的教学模式体系，如下图所示。本着以学生为中心、教师为主导、岗位为主体的教学理念，本教学模式以学生、虚拟仿真平台实训流程、教师为主要环节，分别在教学三阶段——课前、课中、课后设立具体的步骤，根据具体教学阶段，结合专业特点，能够充分发挥虚拟仿真实训平台功能的同时，激发学生的学习兴趣，进而将课堂教学与虚拟仿真实训平台有机联合。

虚拟仿真教学模式体系图

四、动车组机械装置检修虚拟仿真实训教学效果调查与评价

（一）虚拟仿真实训教学效果调查与评价方法

本实验在研究前，选取重庆工信职业学院2022级高速铁路动车组检修专业的学生作为研究对象。本次研究对象随机选取了3班与5班，其中3班总人数44人，5班总人数50人，并随机选取3班作为实验组，5班作为对照组，由于本专业女生较少（全年级10名女生），进而在实训中可以忽略性别影响。但随着实验的进行，少部分同学并未完成实验，另外排除一些无效数据，最终选取3班有效样本30份，5班有效样本30份。结合上述分析中制订的教学方案，分别以课前、课中、课后三个阶段实施教学，教学效果评价采取匿名的方式。一方面，对学生学习动机、学习兴趣等方面进行问卷调查；另一方面，统计课业成绩考核，以及虚拟仿真实训成绩与传统实训教学成绩，再通过数据对比分析在动车组机械部件检修中传统教学成效与虚拟仿真实训教学效果差异。

问卷收集目的主要是分析班级间的差异性和学生理论基础知识水平，问卷采用李克特5级问卷（A完全符合=5，B基本符合=4，C符合=3，D基本不符合=2，E完全不符合=1）测量学生在动车组检修技术专业的学习兴趣、学习动机、学习能力等评价。

技能水平最能体现高职学生的学习效果。本次研究的关于动车组机械设备检修的虚拟仿真实训设备具备技能实训评价功能，评价检修标准与国家技能比赛检修标准一致。动车组虚拟仿真机械部件检修划分为四个模块：A模块动车组受电弓检修、B模块动车组客室车门检修、C模块动车组转向架检修、D模块整车车体检修。四个模块都采用100分制，最后总的实训成绩为四个模块加权。传统实训的学生的技能评价也采用了同样的评价标准，该部分的评分由教师进行打分。

（二）数据处理与分析

本次分析数据收集主要根据课程三阶段来完成。课前，通过问卷调查的形式收集对照组与实验组学习兴趣、学习动机、学习能力的数据；课中，数据收集主要是对照组采用传统教学形式的技能成绩；课后，测量作为实验组按照新的教学形式完成虚拟仿真实训后的技能成绩。本次实验数据采用SPSS27.0软件对数据进行处理，根据统计学处理原理，本次分析数据属于独立样本。因此，先要对实验数据进行方差齐性检验，然后根据样本是否具备方差齐性检验，对独立样本数据进行t检验和异方差t检验，再根据t检验数据判断两组数据是否存在显著性差异［4］。

采用传统动车组机械部件检修实训方式与采用虚拟仿真系统对动车组机械部件检修的学习方式，是否在课前的学习动机、学习兴趣、学习能力方面存在显著性差异。

本次实验组与对照组有效样本数量为30份，实验组与对照组课前学习能力前测如表1所示。

通过数据分析可知，实验组A与对照组B学习动机、学习兴趣、学习能力课前测数据平均值分别为72.13和7260，标准差分别为17.087和20.132。在显著性差异指标中，显著性Sig.的值为0.353＞0.05，说明原假定方差成立，进而得到相应的异方差均值t检验显著性水平Sig.的值为0.923＞0.05。由此可知，实验组A与对照组B没有差异，即采用传统动车组机械部件检修实训方式与采用虚拟仿真系统对动车组机械部件检修的学习方式，在课前的学习动机、学习兴趣、学习能力方面不存在显著性差异，满足实验要求。

采用传统实训教学与引入虚拟仿真的实训教学，学生是否在实训技能成绩方面存在显著性差异。

通过数据统计结果表2可知，采用虚拟仿真进行动车组机械装置检修的实验组A的技能成绩平均分为8057，采用传统方式进行实训的对照组B技能成绩平均分为7063，并且P=0.005＜0.05，说明具有显著性差异。因此，动车组机械装置实训课中引入虚拟仿真实训能够提高学生技能成绩和教学效果。

采用传统实训教学与引入虚拟仿真的实训教学，学生是否在实训理论知识成绩方面存在显著性差异。

通过数据统计结果表3可知，采用虚拟仿真进行动车组机械装置检修的实验组A的期末理论成绩平均分为88.97，采用传动方式进行实训的对照组B的期末理论成绩平均分为88.27，并且P=0.468＞0.05，数据显示不具备显著差异。通过对比发现，实验组与对照组在学习兴趣等方面也不存在显著差异，一方面，说明选取的实验组与对照组具备独立样本特性，样本选择不具备差异。另一方面，说明动车组机械装置检修虚拟仿真实训对于学生理论知识提高有限，对技能成绩提高明显。

在研究结束后，对实验组A与对照组B进行了调查问卷，采用传统实训教学与虚拟仿真实训教学是否在学习兴趣、提高动手能力、提高操作熟练度方面有显著差异。

通过数据统计结果表4可知，实验组A的学习兴趣平均值为1.40，对照组B为1.43，P=0.820＞0.05，不具备显著性差异；实验组A提高动手能力平均值为1.43，对照组B为1.43，P=1＞0.05，不具备显著性差异；实验组提高了操作熟练度平均值为1.33，对照组B为1.30，P=0.786＞005，也不具备显著性。通过以上数据显示，经过一学期的实验之后，采用虚拟仿真实训教学虽然能够在技能成绩方面取得一定的优势，但从长时间来看，优势并不能持久。因此，学生的学习兴趣、技能水平的提高需要综合多种因素，并不能简单依靠单一的技术提升来提高学习兴趣，还需要结合教师教学设计的改进、实训设备优化等多种环境。总的来说，虚拟仿真虽然能够提升学生技能成绩，但依然不能完全替代传统实物实训教学的直观感受。

五、研究总结

动车组设备检修的虚拟仿真实训项目分为四个模块，采取了任务驱动式的教学方式，通过虚拟仿真技术，模拟了真实的检修环境与检修任务，复刻了岗位真实情景，从而拉近了学生与真实岗位的距离，拓宽了学生的认知与视野。同时，与传统实训方式相比，虚拟仿真实训具有成本低、灵活性高、安全性好、数据可追溯等优点，也解决了轨道交通类实训教学“三高三难”问题［4］。学生综合水平得到了提高，特别是技能成绩提升显著，然而通过上述研究发现，虚拟仿真实训在动车组机械设备检修教学的实际运用中，并没有充分地挖掘其能力，虽然短时间内学生的技能成绩提升明显，但是学生学习能力、学习兴趣如何长期提高，还需要结合多种因素考虑。总的来说，虚拟仿真技术在轨道类专业群的实训中的确具备提高学习效果的能力，但还需要与能激发学生兴趣的教学设计相结合才能更好发挥其优势。

参考文献：

［1］李艳，陈琳，朱福根.国内虚拟仿真实训：现状、研究及启示［J］.现代远距离教育，2023（06）：1224.

［2］张嘉鹭，李晓鹏，张林.“动车组检修”课程虚拟仿真实验构建与学习指标评价体系研究［J］.科技风，2023（28）：5052.

［3］朱佩煜.“双减”政策下高职院校学前教育专业音乐审美教育高质量发展的探索［J］.琴童，2023（09）：120122.

［4］段祝庚，陈丰田，岳雄，等.虚实结合无人机摄影测量实验教学改革与效果评价［J］.实验室研究与探索，2021，40（10）：201205.

作者简介：万驰（1991—"），男，汉族，甘肃天水人，研究方向：电气化铁道供电。