工訓大賽牽引下的虛擬仿真教學模式探索

馬可　苑明?！●R亞生　莊曙東

摘? ?要：教育部高等教育司主辦的全國大學生工程訓練綜合能力競賽，是面向全國在校學生開展科技創(chuàng)新工程實踐活動的全國性大賽。通過深入分析大賽工程場景數(shù)字化賽項與創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的關(guān)系，文章提出“虛實結(jié)合，以賽促教，以賽促改”的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式。針對此培養(yǎng)模式，研究者構(gòu)建以工程基礎(chǔ)認知、虛擬仿真實訓、生產(chǎn)現(xiàn)場操作三個訓練層次為核心的虛擬仿真教學體系，并詳細闡述體系中各類課程與工訓大賽深度融合而進行的改革與建設(shè)。以基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的大型電動機軸承更換游戲的開發(fā)為實例，文章驗證工訓大賽牽引下的虛擬仿真教學模式的具體實施及效果。研究結(jié)果表明，大賽牽引下的虛擬仿真教學模式對提升學生的創(chuàng)新實踐能力，以及促進工程訓練中心的建設(shè)，都有積極作用。

關(guān)鍵詞：工訓大賽;工程場景數(shù)字化;虛擬仿真;教學模式;創(chuàng)新實踐能力

中圖分類號：G424.28 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2022）02-0117-06

在2018年的全國教育大會上，習近平總書記強調(diào)要在增強綜合素質(zhì)上下工夫，教育引導學生培養(yǎng)綜合能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，并明確指出高校要著重培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合型、應用型人才。[1-2]近年來，各類競賽層出不窮，通過競賽培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能已成教育行業(yè)的共識，[3-4]現(xiàn)有的各類競賽雖然數(shù)量眾多，但水平參差不齊，大多缺少真正的實踐環(huán)節(jié)，學生獲得的還僅僅是理論知識的學習或者創(chuàng)新設(shè)計的鍛煉。[5]實踐是創(chuàng)新的源泉，教育改革應注重實踐能力的培養(yǎng)。[6-7]全國大學生工程訓練綜合能力競賽（簡稱“工訓大賽”），開展的目的就是為了全面提升大學生的工程創(chuàng)新綜合素質(zhì)和能力水平。[8]目前，工訓大賽由于對學生能力的培養(yǎng)和考核較為全面，受到越來越多的高校關(guān)注和參與，含金量逐年攀升，在中國高等教育學會發(fā)布的全國普通高校學科競賽排行榜上名列前茅。[9]

在工訓大賽組委會最新發(fā)布的賽項設(shè)置中，增加了虛擬仿真賽道——工程場景數(shù)字化賽項，本賽項重點圍繞“兩化融合”“數(shù)字工匠”“通專融合”，落實新工科建設(shè)與跨學科綜合能力培養(yǎng)?，F(xiàn)以工訓大賽工程場景數(shù)字化賽項為牽引，凝練多年大賽的指導經(jīng)驗，構(gòu)建虛擬仿真教學體系，以全面提升工程人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標，探索培養(yǎng)學生虛擬工程開發(fā)實踐能力的培養(yǎng)模式。同時展示數(shù)字媒體形態(tài)下的工程創(chuàng)新能力，傳播工程知識，普及先進技術(shù)，促進人才發(fā)展。

一、工程場景數(shù)字化賽項與創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的相關(guān)性分析

2020年9月出臺的《關(guān)于舉辦第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的通知》中提出，本屆大賽的舉辦，將“深入推進工程教育改革，全面提升大學生工程創(chuàng)新綜合素質(zhì)和能力水平”。[10]大賽的目標是以賽促學、以賽促教、以賽促改、以賽促建，打造具有中國特色、世界一流的工程實踐與創(chuàng)新教育體系，全面提升工程人才培養(yǎng)質(zhì)量，推動建設(shè)宏大的知識型、技術(shù)型、創(chuàng)新型勞動者大軍。要達到這個目標，必須以學生為主體，結(jié)合大賽各賽項探究人才創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的模式，并構(gòu)建相應的創(chuàng)新實踐教學體系。[11]

1.工程場景數(shù)字化賽項的工程內(nèi)涵及能力要求

此賽項要求以工程類為主題，自主設(shè)計并開發(fā)圍繞工程方面的游戲，游戲類型不限。鼓勵開發(fā)具有獨創(chuàng)性、新穎性、合理開腦洞的跨領(lǐng)域、跨學科題材，可以體現(xiàn)知識科普、模擬經(jīng)營、技能操作、社會公益等方面的內(nèi)容。游戲作品可用休閑游戲、角色扮演等形式，采用Demo、幻燈片、視頻等方式展示。

從比賽內(nèi)容要求來看，工程場景數(shù)字化賽項的工程內(nèi)涵包括兩個方面。

（1）游戲內(nèi)容應與工程知識相融合：游戲的形式應與工程知識內(nèi)容相匹配;游戲操作模式和交互模式與實際工程場景具有很高的相似性。

（2）工程知識體系的完整性與準確性：游戲包含的工程知識較為完整地涵蓋某一個領(lǐng)域或?qū)I(yè)模塊的內(nèi)容;所涉及的工程知識無明顯錯誤。

從該賽項的工程內(nèi)涵可以看出：第一，游戲主題設(shè)計環(huán)節(jié)主要考察學生的創(chuàng)新思維能力;第二，游戲內(nèi)容的策劃環(huán)節(jié)主要考察學生掌握和運用工程知識的能力;第三，游戲的開發(fā)環(huán)節(jié)主要考察學生掌握相關(guān)工程實踐技能的程度;第四，現(xiàn)場決賽主要考察學生的表達能力、適應能力和團隊合作能力。因此，工程場景數(shù)字化比賽中好成績的取得，來源于參賽學生所具備的創(chuàng)新思維和工程知識，以及參賽隊伍的實踐技能和團隊協(xié)作等能力，而該賽項的設(shè)置對學生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力進行了全方位考評。

2.工程場景數(shù)字化賽項培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的途徑

該賽項重點考察和培養(yǎng)學生與工程實踐相關(guān)的虛擬工程場景設(shè)計、美術(shù)創(chuàng)意以及數(shù)字化實現(xiàn)的能力，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的重要途徑，其主要含義如圖1所示。

該賽項具有高度綜合性的特點，對學生的創(chuàng)新實踐能力提出了很高的要求，若想完成整個參賽流程并取得好的成績，必須牢固掌握相關(guān)的理論知識，具備較高超的實踐技能，并在此基礎(chǔ)上不斷提高個人和團隊的創(chuàng)新能力和實踐能力，賽項的設(shè)置充分體現(xiàn)了“守德崇勞工程創(chuàng)新求卓越，服務(wù)社會智造強國勇?lián)敗钡拇筚愔黝}。因此，在比賽的牽引下，探索如何行之有效地提升學生的創(chuàng)新實踐能力，具有十分重要的意義。

二、大賽牽引下的學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式

1.人才培養(yǎng)模式

通過總結(jié)以往指導工訓大賽的經(jīng)驗，結(jié)合最新的大賽規(guī)程，構(gòu)建了以學生為培養(yǎng)主體、以工訓大賽工程場景數(shù)字化賽項為載體、以專業(yè)能力和非專業(yè)能力培養(yǎng)為兩翼、以培養(yǎng)和提升學生創(chuàng)新實踐能力為目標的人才培養(yǎng)模式，如圖2所示。

（1）“以賽促教”，提升專業(yè)能力。實現(xiàn)工程場景數(shù)字化的前提是對相關(guān)專業(yè)工程知識的深度理解和消化吸收，進而進行創(chuàng)新實踐，而現(xiàn)有的專業(yè)課程往往以課堂理論知識傳授為主，缺乏具有代表性的案例教學，專業(yè)課程之間也缺乏相關(guān)性，難以形成對學生綜合專業(yè)能力的培養(yǎng)。因此，以工程場景數(shù)字化競賽為載體，將與專業(yè)相關(guān)的制造車間、施工現(xiàn)場等場景引入課程，并結(jié)合工程訓練中心豐富的實踐教學資源，有利于逐步構(gòu)建一個面向?qū)嶋H工程的、系統(tǒng)的專業(yè)課程體系，提升學生解決復雜工程問題的能力。

（2）“以賽促學”，培養(yǎng)專業(yè)外能力。當代社會對復合型人才的需求不斷增加，學生在本專業(yè)以外的非專業(yè)能力十分重要，不但要求學生有扎實的專業(yè)知識和技能，同時要求學生具備專業(yè)之外的工程實踐能力和表達、應變、團隊協(xié)作等能力。學生在參與工程場景數(shù)字化比賽的過程中，工程場景的構(gòu)建，除了需要專業(yè)工程實踐能力外，還必須具備一定的虛擬工程開發(fā)實踐能力、創(chuàng)意及其深度、美術(shù)設(shè)計等方面的能力，在現(xiàn)場實踐與考評環(huán)節(jié)，要具備解決突發(fā)問題、復雜問題、未知問題的能力。因此，以工程場景數(shù)字化競賽為牽引有利于促進學生非專業(yè)能力的培養(yǎng)、提升學生的綜合實踐能力。

（3）“以賽促建”，建立競賽指導團隊，構(gòu)建競賽訓練平臺。在工訓大賽中，學生是培養(yǎng)主體，教師則是培養(yǎng)質(zhì)量的保障，而競賽平臺是基礎(chǔ)與支撐。學生能力的培養(yǎng)，一方面是通過課程教學獲得，另一方面是通過工程經(jīng)驗和參賽經(jīng)驗的傳承獲得，這兩方面顯然都離不開一支指導經(jīng)驗豐富并且知識和技能水平高的教師隊伍。由于參賽團隊成員組成是不斷變化的，特別是學生是流動的，因此，必須建設(shè)一個穩(wěn)定的競賽訓練平臺，為新參賽隊員的選拔、訓練和適應新的比賽要求提供支持。

總之，學生創(chuàng)新實踐能力的提升，與學生專業(yè)和非專業(yè)能力的培養(yǎng)以及教師隊伍和競賽平臺的建設(shè)密不可分，如果能夠規(guī)劃得當，建設(shè)一個機制完善、資源豐富的競賽平臺，在此平臺之上構(gòu)建一套面向工程場景數(shù)字化競賽的虛擬仿真教學體系，并且實施到位，則將形成教學、競賽、能力提升間相互促進的良性循環(huán)，形成一種具有可復制和推廣性的學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式。

2.基于工程訓練中心構(gòu)建虛擬仿真教學體系

工程場景數(shù)字化賽項屬于工訓大賽的虛擬仿真賽道，從以上對此賽項工程內(nèi)涵的分析可以看出，比賽對學生的工程知識掌握和運用能力、虛擬工程場景的開發(fā)能力，以及創(chuàng)新精神有很高要求，而這些知識和能力的獲得主要來自于理論和實踐教學，因此，隨著競賽對學生知識面、知識層次以及實踐技能要求的不斷提高，構(gòu)建一套面向競賽的教學體系非常關(guān)鍵。工程訓練中心結(jié)合工程場景數(shù)字化賽項以及中心多年相關(guān)課程教學的豐富經(jīng)驗，構(gòu)建了以工程訓練中心為平臺，以學生創(chuàng)新精神培養(yǎng)和實踐技能訓練為目標，以工程基礎(chǔ)認知、虛擬仿真實訓、生產(chǎn)現(xiàn)場操作三個訓練層次為核心的虛擬仿真教學體系，如圖3所示。

（1）以工程訓練中心為平臺。工程訓練中心是將理論付諸于實踐的最佳平臺，中心以競賽為牽引，實踐教學的實施始終堅持兩個突出：一是突出工程應用，拓寬工程實踐范圍，引導學生參與真實工程課題，將校內(nèi)的教學和學生現(xiàn)場的感性認知結(jié)合起來，激勵工程創(chuàng)新精神;二是突出綜合素質(zhì)，中心教師從實踐教學實際出發(fā)，結(jié)合自身科研項目，開發(fā)仿真教學裝備和軟件，將校內(nèi)的虛擬仿真操作與真實生產(chǎn)現(xiàn)場統(tǒng)一起來，鍛煉學生綜合工程能力，踐行工程習慣。通過中心平臺的建設(shè)，為在教學過程中遴選優(yōu)秀參賽隊員，以及競賽團隊的高效運作提供保障。

（2）以三個訓練層次為核心。掌握相關(guān)工程現(xiàn)場及設(shè)備、原理、技術(shù)等，培養(yǎng)學生對工程的基本認識，為后續(xù)比賽打下堅實的基礎(chǔ)。虛擬仿真實訓通過桌面式虛擬實驗、交互式仿真訓練和親歷式互動實訓等模式，借助大量仿真教學裝備和軟件，進行各種虛擬工程場景仿真體驗和操作訓練，使學生掌握基本的實踐操作技能。在完成虛擬仿真訓練的基礎(chǔ)上，利用中心以及合作企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，在教師和工程師的指導下，進行生產(chǎn)現(xiàn)場實操訓練，增強學生對工程場景的直觀認識和感受，培養(yǎng)學生對工程的興趣和創(chuàng)新精神。

（3）以進階式軟件培訓為手段。虛擬工程場景的實現(xiàn)，要求學生能夠熟練使用相關(guān)編程、工程應用以及游戲開發(fā)軟件，以完成三維建模、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和虛擬現(xiàn)實開發(fā)，因此課程體系采用基于通用編程軟件（如JAVA、C#）、工程應用軟件（如SolidWorks）、專用開發(fā)軟件（如Unity 3D）的進階式培訓模式，使學生具備開發(fā)虛擬工程場景所需的實踐技能。

最后，通過參加工程場景數(shù)字化比賽，檢驗和評價教學體系實施效果，將有益經(jīng)驗和不足之處形成反饋，以支持課程體系的持續(xù)改進。

三、面向工程場景數(shù)字化的虛擬仿真教學實例

電動機是典型的機電設(shè)備，也是電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能輸出的原動機，特別是以大型電動機為原動機的水利機械、疏浚裝備、水電機組等水利行業(yè)大型機械裝備，具有重量大、價格昂貴、能耗大等特點，設(shè)備運行過程時間長，空間跨度大、不可逆、運行成本高，進行現(xiàn)場教學實驗難以使用原型設(shè)備進行真實操作。而建立仿真模型，進行相關(guān)的虛擬仿真實驗，不僅可以解決無法進行實物實驗的問題，更重要的是可以根據(jù)虛擬實驗，使學生深入地研究和分析大型電動機的原理和結(jié)構(gòu)，了解真實的動態(tài)軸承更換過程，與將要開發(fā)的工程場景進行零距離接觸。

現(xiàn)以大型電動機的軸承更換過程為例，以其工程場景數(shù)字化為主題，以開發(fā)游戲并參加比賽為目標，探討虛擬仿真實驗教學的具體實施方案。

1.工程基礎(chǔ)認知——體現(xiàn)核心技術(shù)，夯實參賽基礎(chǔ)

本工程項目涉及大型電動機軸承外部結(jié)構(gòu)件的拆卸、專用工具的使用、軸承的電磁感應加熱等多個操作步驟，實驗內(nèi)容多，步驟煩瑣，實驗技術(shù)要求高，實驗時間長，原型實驗難以實施。以軸承電磁感應加熱為例，被加熱的軸承溫度高達100℃以上，之后須自然冷卻至室溫再進行后續(xù)工序操作，該過程耗時長，且存在燙傷的危險性。因此，本階段對學生主要進行工程基礎(chǔ)認知教育，通過工程訓練中心開設(shè)的《認識實習》課程實施，組織學生到工程現(xiàn)場參觀學習，深入了解工程施工工藝以及主要設(shè)備、工具情況，主要教學內(nèi)容包括：①深入了解電動機的基本組成和結(jié)構(gòu)，掌握電動機軸承更換的原理、方法和更換流程;②掌握常用工具和專用工器具的使用技能;③了解不同配合類型前提下，軸承如何進行裝配;④加深對軸類零件定位固定方法知識點的理解和掌握。在有限的時間內(nèi)，將主要內(nèi)容教授給學生，學習過程中進行過程考核并最終提交實習報告，全面提升學生的理論基礎(chǔ)知識水平，夯實工程實踐基礎(chǔ)。

2.虛擬仿真實訓——培養(yǎng)工程興趣，提高創(chuàng)新能力

虛擬仿真教學主要采用兩種模式： ①桌面虛擬實驗，利用工程訓練中心現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實設(shè)備模擬典型的工業(yè)過程，用虛擬設(shè)備代替實物，形成三維虛擬場景，保證實際操作的安全，實現(xiàn)對工程現(xiàn)場和施工工藝的可視化模擬，并在學生計算機桌面上展示;②交互式仿真訓練，利用VR技術(shù)生成的逼真虛擬環(huán)境，學生佩戴交互設(shè)備在虛擬場景中模擬機床操作、事故處理等活動。通過以上教學過程，有利于學生對工程場景數(shù)字化的基本研究方法、操作流程、注意事項等有全面系統(tǒng)的認識，同時可充分調(diào)動學生學習的主動性，培養(yǎng)濃厚的工程興趣，提高學生的思考能力、動手能力、分析問題和解決問題的能力，更重要的是提高學生的創(chuàng)新能力。

3.生產(chǎn)現(xiàn)場操作——強化實踐教學，增強實踐技能

為了提高學習效率，保證教師和學生安全，在真實工程現(xiàn)場主要采用組織學生進行生產(chǎn)過程參觀、與工程師面對面交流的教學方式;實際動手操作環(huán)節(jié)則采用學生親歷式互動實訓方式，在工程訓練中心由教師指導完成，中心根據(jù)真實工程場景，將設(shè)備按一定的比例制作成具備真實結(jié)構(gòu)、功能的模型，學生在教師指導下對模型進行多次拆裝，重復訓練，提高實踐動手能力。

4.工程場景模擬——營造競賽氛圍，提升競賽技能

學生以小組形式參與，以3～4個學生（競賽要求每個參賽隊3～4名學生）為一組，包括1名三年級學生為組長，其他2～3名低年級學生為成員，配備具有豐富大賽指導經(jīng)驗的教師，以大型電動機更換軸承為參賽主題，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)營造工程場景。根據(jù)大賽要求及主題特點，利用三維建模軟件，構(gòu)建大型電動機各部件、主要檢修工具等三維模型，采用JAVA、C#等語言開發(fā)的服務(wù)端系統(tǒng)管理、考核等程序，利用Unity 3d虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行實驗步驟開發(fā)，以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫技術(shù)搭建實驗所需工器具、大型電動機模型等數(shù)據(jù)庫，最后整體發(fā)布。在基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的大型電動機更換軸承工程場景游戲界面，用戶可利用常規(guī)鼠標鍵盤對大型電動機軸承更換工程進行交互體驗。最后，工程訓練中心組織專家組，按照大賽決賽要求，組織參賽小組參與作品演講、游戲體驗以及提問解答等考察環(huán)節(jié)，并給出成績。通過以上過程，提升參賽團隊設(shè)計構(gòu)思、工程內(nèi)涵梳理、游戲架構(gòu)設(shè)計、合理組織開發(fā)過程等綜合能力。

四、結(jié)語

本文通過分析工訓大賽新設(shè)工程場景數(shù)字化賽項與學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的相關(guān)性，將競賽引入學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)過程之中，探討了通過“以賽促教”“以賽促學”“以賽促建”提升和培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的模式，詳細闡述了基于工程訓練中心構(gòu)建虛擬仿真教學體系的思路，該體系以工訓大賽為牽引，工程訓練中心為平臺，工程基礎(chǔ)認知、虛擬仿真實訓、生產(chǎn)現(xiàn)場操作三個訓練層次為核心，最終實現(xiàn)學生創(chuàng)新精神培養(yǎng)和實踐技能提升的目標。最后，以基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的大型電動機更換軸承游戲的開發(fā)為實例，討論了虛擬仿真教學在競賽過程中的具體實施，游戲開發(fā)的結(jié)果表明，大賽牽引下的虛擬仿真教學模式對提升學生的創(chuàng)新實踐能力、促進工程訓練中心的建設(shè)，都起到了積極作用。

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作者簡介：

馬可，河海大學常州校區(qū)工程訓練中心副主任、實驗師，郵箱：make@hhu.edu.cn;

苑明海，河海大學機電工程學院副院長、副教授;

馬亞生，河海大學常州校區(qū)工程訓練中心講師;

莊曙東，河海常州校區(qū)工程訓練中心主任、高級實驗師。

Abstract： National undergraduate engineering training integration ability competition （engineering training competition） sponsored by the Department of higher education of the Ministry of education is a national competition for students to carry out scientific and technological innovation engineering practice activities. Through penetrating into the relationship between the digitalization of engineering scene competition， the cultivation of innovation， and practice ability， this paper proposes the cultivation mode of innovation and practice ability based on the idea of “promotion of teaching by competition， promotion of learning by competition， and promotion of reform by competition”. In view of this training mode， this paper constructs a virtual simulation teaching system with three training level based on the engineering basic cognition， the virtual simulation training， and cored production field operation as the core. in addition， it elaborates the reform and construction of all kinds of courses in the system and the deep integration of engineering training competition. Taking the development of large motor bearing replacement game based on virtual reality technology as an example， the specific implementation effect of virtual simulation teaching mode with the guidance of industrial training competition is further verified. The results show that the virtual simulation teaching mode with the guidance of engineering training competition has played a positive role in both improving students’ innovative ability of practices and promoting the construction of engineering training center.

Keywords： Engineering training competition; Digitalization of engineering scene; Virtual simulation;? Teaching mode; Innovation and practice ability

編輯：王天鵬? ?校對：王曉明