轨道交通虚拟仿真实训教学资源共建共享平台

［摘 要］ 虚拟仿真实训是适应我国未来职业教育发展，主动适应变革的重要举措。我国轨道交通行业发展迅猛，行业技能型专业人才数量和素质却未能同步跟进。针对轨道交通领域的虚拟仿真实训教学展开研究，分析了职业教育教学资源共享共建机制，并建立了轨道交通专业群协同虚拟实训平台，进一步通过校企合作贯通了培养院校联盟及领办轨道交通职教集团，实现实训教学资源的统一建设与管理，形成虚实结合的轨道交通职业教育实践教学模式，促进职业教育向专业集群化培养转变，有效提高教学效果与职业教育水平。

［关键词］ 轨道交通；虚拟实训；职业教育；教育资源共享

［基金项目］ 2022年度教育部高等学校科学研究发展中心专项课题“虚拟仿真技术在职业教育教学中的创新应用”（ZJXF2022127）

［作者简介］ 曹 勇（1968—），男，四川成都人，硕士，成都工业职业技术学院轨道交通学院教授，主要从事铁道工程研究；陈爱平（1972—），男，四川成都人，本科，成都工业职业技术学院轨道交通学院副教授，主要从事铁道工程研究；刘凯文（1985—），男，重庆人，博士，西南交通大学土木工程学院教授，博士生导师（通信作者），主要从事铁道工程研究。

［中图分类号］ G712 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）45-0057-04 ［收稿日期］ 2023-09-12

引言

当前我国轨道交通类高职专业人才培养在实践教学方面存在一定的不足，实训设备昂贵、设备占地面积大、设备型号旧、设备故障率高等问题长期制约着专业人才的培养。在行业不断发展进步过程中，轨道交通相关技术、设备等也在不断发展变化，这就要求在教学中尽可能创设接近现实的情境，有利于让学生沉浸其中并高效学习，以胜任将来轨道交通方面的工作。虚拟现实技术逐渐融入高等职业教育已是大势所趋，并为轨道交通类专业实践教学带来新的活力。例如，陕西铁路工程职业技术学院陆续开展并建成“国家级土木工程检测技术国家级教学资源库”“国家级地下与隧道工程技术专业教学资源库”等相关虚拟仿真教学资源［1-2］。成都工业职业技术学院搭建多项虚拟仿真实训项目，并在阶段性的人才培养中发挥了积极的作用［3］。

在交通土建行业迅猛发展的时代背景下，依托信息技术与交通土建工程的融合，借力重大工程参与、重点科研项目推进、重点实验室建设，国内以西南交通大学等为代表的高校较早开启了交通土建工程虚拟仿真实验的探索，在虚拟仿真实验技术上获得了大量资源积累［4-6］。

笔者主动响应教育部《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》文件精神，通过云（边缘）渲染技术、交互技术、数据挖掘等新兴信息化技术，针对轨道交通专业群虚拟仿真实训基地教学管理及建设共享管理平台展开相关研究。

一、现有轨道交通职业教育虚拟实训教学局限

轨道交通专业群虚拟仿真实训教学中心建设是高职实践教学主动适应变革的重要举措。然而，当前的虚拟仿真项目普遍存在如下局限。

第一，缺乏顶层设计和整体规划。学校在信息化的建设过程中缺少顶层设计和统筹规划，学校不同部门各自建立了很多管理系统和教学系统，存在一定程度的低效重复建设、信息孤岛等现象，导致系统建设与应用脱节，无法产生统一的教育管理、教学评价、教学决策。由此造成已建成的校园网和多媒体设施难以在教育教学中发挥其应有的作用和效益，制约了教育信息化工作的深入开展。

第二，虚拟仿真资源的不足给持续开展实训带来阻碍。虚拟仿真实训平台的最大优势是可以根据社会发展需求定制企业对于人才需求的教学资源。目前，各院校鉴于虚拟仿真教学资源开发难度大且后续持续增加资源费用较高，所运用的虚拟仿真资源多，给企业需求及人才培养带来了较大的阻碍，并没有完全发挥虚拟仿真实训资源对高职院校人才培养的作用。

第三，没有统一的管理平台，造成应用孤岛、信息孤岛、数据孤岛。在“互联网+”教育的大环境下，有的学校还没有实训基地管理等教学相关系统，有的学校采购了多个教学系统，教师自主选择教学系统并进行教学。这种情况导致优质的教学资源分散在多个不互通的系统中，产生了大量的应用孤岛、信息孤岛、数据孤岛，各个不同机构平台采集的数据不统一、数据结果不一致，院校较难统一对在线课程的授课质量和授课过程等数据进行回收、汇总和跟踪，无法形成对学生在线学习行为的形成性评价。

第四，资源建设分散，无法形成优质资源库及共建共享机制。学校采购不同的独立的教学、实训等系统，由教师自主选择将课程资源放在哪个系统中进行授课，在这种情况下无法形成教师优质教学资源的汇聚，无法通过日常积累形成校本资源库。有的学校采购了优质的在线资源内容，但仅供自己校内使用，很难形成更大范围的共享，随着互联网技术的快速发展，资源也需要不断更新，学校还需要反复购买。

二、轨道交通虚拟仿真实训平台建设思路

（一）总体目标

搭建四大板块“实训教学、资源共建共享、教学支持与数据服务、智慧门户”与十大中心体系“教学中心、课程中心、素材中心、实训中心、资源管理系统中心、共建共享中心、公共基础与支持中心、数据服务中心、应用中心、用户中心”，以共享优质实训教学资源，实现虚拟仿真实训教学场所、虚拟仿真实训设施设备和虚拟仿真实训资源的跨专业、跨院校、跨地域统筹管理，赋能轨道交通专业群高素质技术技能人才培养新需求。

（二）平台架构

本平台结构采用B/S架构，依托云计算、雾计算和边缘计算等技术，顺应5G发展趋势，将仿真运算程序和3D模型资源留在服务器上，仅将仿真和渲染后的3D界面推送给“瘦客户端”，降低信息处理开销和数据传输总量。

服务器端采用面向切面编程思想，使系统更易维护和扩展，同时降低系统耦合度且提高了软件可维护性。系统在设计时使用多层架构开发模式，包括：设备层、技术层、基础层、资源层、应用层、用户层，可以让系统程序数据的显示与业务逻辑分离，使得各模块更加易于测试。

1.用户层：可面向校内教师、学生、管理人员，校外上级主管部门等分别提供相关VR教学实训服务。

2.应用层：面向不同人员与角色，可提供虚拟仿真资源共享、VR教学、仿真实训、实训诊断与分析等相关功能。

3.资源层：主要负责资源的管理，具体包括教学资源和VR仿真实训资源（VR资源、AR实训资源、数字孪生实训资源、半实物仿真实训资源）等。

4.基础层：提供统一数据中心、统一身份认证、统一门户平台、统一标准接口等相关服务。

5.技术层：虚拟仿真实训管理与资源共享平台涉及技术面广泛，主要的底层支撑技术包括资源交互与兼容技术、跨平台多终端适配技术、VR快速开发工具、大数据采集与挖掘技术、云渲染技术、云计算技术等。

6.设备层：主要包括多形态VR设备（桌面式操作一体机、沉浸式LED智能大屏、多通道CAVE系统、大空间多人协同交互系统、4K幻影成像系统、720°全息投影系统、可穿戴智能设备、数字孪生设备）以及文件服务器、数据库服务器、应用服务器、网络设备、渲染GPU服务集群等。

（三）功能建设

本系统在搭建过程中，采用市面上主流的云渲染技术、交互技术和跨平台浏览器和多硬件终端适配技术等，其主要优势如下：（1）云渲染/边缘渲染技术。复杂渲染场景或实时交互性较弱的实训内容采用云渲染模式，简单场景渲染内容或对实时性要求较高的场景采用边缘渲染模式。（2）交互技术。在Web3D、WebXR、OpenXR和CloudXR等通用标准的基础上，综合制定2D/3D模型，资源的保存、压缩、传输、呈现和交互标准，保证虚拟仿真实训资源来源的多样性以及与现有在线教学资源的兼容性。（3）跨平台浏览器和多硬件终端适配技术。虚拟仿真实训资源在不同的硬件平台之间均能通过浏览器无缝展示及交互，获得授权的用户均能通过多形态虚拟仿真终端设备在任意地点、时间经多种浏览器访问，使用虚拟仿真实训资源。（4）软件开发工具技术。虚拟仿真实训资源软件开发工具包（SDK），使不懂源代码编程的人员也能借助3D可视化开发工具制作出个性化的仿真模型、3D动画、交互式场景等，并打包发布至云端，经加密或版权保护处理后发布。（5）数据采集及挖掘技术。通过传感器、监视器等实时跟踪采集虚拟仿真实训“教、学、考、练、评”过程的数据，利用人工智能手段对实训过程大数据进行挖掘分析并画像，为虚拟仿真实训教学质量的诊断和改进提供依据。（6）与第三方接口的数据对接。系统通过接口与第三接口同步基础数据，以减少重复性的数据录入工作功能，包括API接口功能、任务计划同步功能、多人协同操作功能。

三、虚实结合实践教学及资源共建共享机制

轨道交通系统体系庞大，包括信号系统、通信系统、控制系统等，对应实际工作环境复杂，需要多专业协同作业。因此，轨道交通职业教育除技术能力提升外，还须注重培养团队合作和协调能力，满足实际生产的需要。本文构建了以“轨道专业群+仿真实训基地+校企合作”为核心的轨道交通职业教育培养体系，涵盖多岗位、多工种的专业群体，贯通院校实践培养环节，构建具有作业环境属性的轨道交通专业群虚拟仿真实训平台共建共享平台。

（一）“以群建院”建成区域高水平轨道交通类特色专业群

学校坚持“以群建院”的办学思路，主动服务轨道交通运营维护产业链，打造轨道交通专业群，立足轨道交通运营维护领域，服务轨道交通高端产业，服务“成渝地区双城经济圈”。其中，铁道交通运营管理专业为全国职业院校交通运输大类专业示范点、铁道信号自动控制专业为四川省现代学徒制试点、高铁综合维修专业为我院新开设专业。

通过对现有的轨道交通专业实训场地进行资源整合、合理布局，构建一个多岗位、多工种、多工位的综合性虚拟仿真实训实践基地。辐射以轨道交通的铁道交通运营管理、铁道车辆技术、铁道信号自动控制、铁道工程技术为代表的多个专业，可以满足专业学生或从业人员的实训、实习、教学、考核、培训、技能鉴定以及应急演练等。

（二）“虚实结合”建成区域高水平虚拟仿真实训基地

依托虚拟现实、人工智能、数字孪生等新一代信息技术应用水平的不断提升，将信息技术和实训设施深度融合，以实带虚、以虚助实、虚实结合，建设符合要求并满足需求的虚拟仿真实训教学场所。坚持“一馆区、两平台、三中心”的基本思路，通过“政、行、企、校、研”联动，共建、共享、共用轨道交通虚拟仿真实训基地，并对外开放30余个虚拟仿真实训项目，其中线上虚拟仿真实训项目6个、线下虚拟仿真实训项目24个，最终形成集“理论学习+虚拟训练+真技实操+仿真体验科普”于一体的高效教学、实训场所和社会公益服务基地。

（三）“校企合作”打造区域示范性共建共享实训管理平台

学校秉承“校企合作、产教融合”的原则，与虚拟教学头部企业深度合作，依托学校轨道交通专业群优秀的教育教学资源，结合国家级轨道交通虚拟仿真实训基地建设的要求，共同打造区域示范性共建共享实训管理平台。

通过本校牵头的中高职人才贯通培养院校联盟，以及领办的轨道交通职教集团，开展多路径校际、校企、军民合作，共建共享平台资源库，实现资源数据的统一；构建不同用户角色，可以根据不同的角色设定系统框架，针对不同的用户提供多种功能的接口。要能够适应不同的用户角色，有良好的扩展性，可以实现不同专业、不同程度用户的学习和考核。

四、虚拟仿真实训平台应用成效

本文以轨道交通领域仿真实训教学为目标，建立轨道交通虚拟实训教学管理平台，聚焦高校虚拟实训教学，涉及理论学习、虚拟训练、真技实操、仿真体验科普以及校企合作教育信息化。有效提高了教学效果，提升了职业教育水平。具体如下：（1）实训教学资源统一管理。平台集实训资源管理、实训用户管理、实训模块管理、实训数据管理、实训内容管理、实训考核管理、实训产品数据互通于一体的功能。学校所有的虚拟仿真实训软件资源都可以接入此实训平台，通过不同方式进行统一登录—管理—流程实训—考核。（2）实训数据统一管理。软件同时支持学生实训习惯大数据分析、学生实训内容智能AI考核等功能，实训资源可以根据需求通过不同对接方式将实训结果统一推送平台进行管理，精细化进行学情管理和教学效果评估。（3）实训资源统一开放共享。系统可以根据需求，对学院级、校级更广范围内的实训资源统一开放共享，还可以支持学校端与互联网端双服务器运行，并做到教学数据互通，解决教育网互联网的开放瓶颈问题。（4）教学资源的可持续开发平台可以根据需求，开放可视化可持续开发功能，结合教学实际，优化教学路径、完善教学建设流程、形成虚拟仿真实训项目建设闭环。