虛擬仿真在路面裂縫病害處治教學(xué)中的應(yīng)用*

李洪軍

（湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路與軌道學(xué)院，湖北 武漢430079）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)的課程教學(xué)中也得到了廣泛的應(yīng)用。教育部于2013年8月發(fā)文啟動(dòng)建設(shè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，每年認(rèn)定一批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)代化教學(xué)中發(fā)揮了很好的作用，取得了許多虛擬仿真教學(xué)成果。教育部2020年9月發(fā)布了《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)工作的通知》，提出為推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用，在職業(yè)院校開展示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)。對(duì)于難以實(shí)現(xiàn)、成本高、具有危險(xiǎn)性[1]的專業(yè)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)完成實(shí)訓(xùn)教學(xué)，提高學(xué)生的專業(yè)實(shí)操技能，并推動(dòng)職業(yè)教育教學(xué)和實(shí)訓(xùn)更好融合的教學(xué)改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。傳統(tǒng)教學(xué)方式在先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的沖擊下正面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)將成為一種新的教學(xué)手段，并改變現(xiàn)有的專業(yè)知識(shí)教學(xué)模式，這種新的教學(xué)手段符合國(guó)家對(duì)職業(yè)教育人才培養(yǎng)的新要求。

1 虛擬仿真技術(shù)教學(xué)的必要性

在道路養(yǎng)護(hù)與管理專業(yè)的專業(yè)課程教學(xué)中需要讓學(xué)生掌握路面養(yǎng)護(hù)的知識(shí)和技能，而對(duì)路面裂縫的處治就是必須要熟練掌握的路面養(yǎng)護(hù)核心技能之一。目前，路面裂縫病害處治的教學(xué)環(huán)節(jié)，依然停留在傳統(tǒng)的在課堂中穿插圖片、視頻和不定期的實(shí)習(xí)實(shí)踐操作。學(xué)生無(wú)法真實(shí)深刻地體會(huì)課堂教學(xué)中提到的知識(shí)點(diǎn)，操作技能的學(xué)習(xí)效果也大打折扣。然而，通過(guò)三維立體仿真技術(shù)[2]、數(shù)字化虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)識(shí)別技術(shù)，形象地還原了瀝青路面裂縫病害相關(guān)真實(shí)情況，學(xué)生能深度浸潤(rùn)到交互式的體驗(yàn)?zāi)Ｊ街?。?duì)于路面裂縫病害的識(shí)別和其成因分析，包括對(duì)有針對(duì)性地靈活處治不同病害會(huì)有更系統(tǒng)和科學(xué)的認(rèn)知，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力。

虛擬仿真技術(shù)是一種融合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和傳感技術(shù)構(gòu)建的與現(xiàn)實(shí)狀況高度相似的虛擬模型。該技術(shù)運(yùn)用于教學(xué)，能讓學(xué)生更直觀更真實(shí)地進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐，這種身臨其境的教學(xué)方式，將抽象概念具體化，理論知識(shí)直觀化。這種交互性強(qiáng)、能調(diào)動(dòng)學(xué)生各種感官功能的沉浸式學(xué)習(xí)方式是對(duì)傳統(tǒng)交通類高職院校教學(xué)方法的有效補(bǔ)充。

理論知識(shí)需要通過(guò)實(shí)踐教學(xué)才能得以吸收和鞏固。尤其對(duì)于高職教育而言，為培養(yǎng)技術(shù)過(guò)硬的工匠型高級(jí)技術(shù)人才，教學(xué)手段更要不斷更新，突出實(shí)用功能。路面病害處治涉及各個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)的材料損耗，在實(shí)際操作中，其危險(xiǎn)性高、操作復(fù)雜，尤其很多現(xiàn)場(chǎng)會(huì)發(fā)生的路面病害項(xiàng)目無(wú)法理想地挪移到教室進(jìn)行教學(xué)。就高職路面養(yǎng)護(hù)教學(xué)而言，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已凸顯出其實(shí)踐環(huán)節(jié)的弊端，即便組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)，也只能在短期內(nèi)體驗(yàn)部分的操作環(huán)節(jié)，不能全面地訓(xùn)練路面病害處治技能。因此，亟需能將“學(xué)”和“做”自然銜接的一體化教學(xué)模式。虛擬仿真訓(xùn)練應(yīng)運(yùn)而生。

在路面養(yǎng)護(hù)的教學(xué)中，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識(shí)和技能。如在路面裂縫病害處治教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，能做到逼真、直觀、形象地還原整個(gè)工藝操作流程，同時(shí)保證實(shí)踐過(guò)程中的安全性、交互性和有效性。在虛擬仿真技術(shù)的使用過(guò)程中，運(yùn)用到了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、光電成像以及傳感技術(shù)等。通過(guò)綜合多種技術(shù)手段，虛擬仿真技術(shù)除了能營(yíng)造出真實(shí)的三維路面裂縫病害場(chǎng)景外，對(duì)于設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝流程，也能讓學(xué)生清晰直觀地體驗(yàn)到。同時(shí)，通過(guò)過(guò)程控制，學(xué)生在不斷的仿真實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)、接近真實(shí)的環(huán)境中可以反復(fù)通過(guò)操控界面對(duì)相關(guān)知識(shí)技能進(jìn)行熟悉和適應(yīng)，以達(dá)到鞏固操作技術(shù)知識(shí)的目的。

高職院校的培養(yǎng)目標(biāo)是打造工匠型高級(jí)技能型人才。除了理論知識(shí)和相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的鋪墊外，尤其強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力。對(duì)于路基路面病害處治而言，在課程實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)利用虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)，所有可能的相關(guān)操作均可在實(shí)驗(yàn)室預(yù)演排練完成。學(xué)生熟悉工藝流程和操作規(guī)范之后，再進(jìn)入真實(shí)環(huán)境，其適應(yīng)程度會(huì)大大提升。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為我國(guó)職業(yè)教育領(lǐng)域和相關(guān)突出技術(shù)化的專業(yè)教學(xué)注入強(qiáng)大的活力。這一技術(shù)不僅讓學(xué)生直觀地接收到了相關(guān)信息，更讓教與學(xué)情景化、生動(dòng)化，操作性能提升。

2 虛擬仿真的路面裂縫病害處治教學(xué)

2.1 虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢(shì)

路面養(yǎng)護(hù)是一種實(shí)踐性強(qiáng)的專業(yè)技能，通常也會(huì)存在安全、時(shí)效和過(guò)程管理等方面的棘手問題。路面裂縫病害處治過(guò)程往往具有過(guò)程繁雜、設(shè)備龐大且工作場(chǎng)景具有危險(xiǎn)等特點(diǎn)，學(xué)生不能親身操作病害處治設(shè)備，也無(wú)法掌握完整的病害處治流程以及設(shè)備使用和處治要點(diǎn)等知識(shí)。一些教師在授課時(shí)往往通過(guò)各種常規(guī)手段，比如圖文、視頻等方式引導(dǎo)學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知環(huán)節(jié)，但收效甚微。學(xué)生對(duì)于設(shè)備使用和完整的病害處治流程等知識(shí)要點(diǎn)掌握依然不牢。

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和大數(shù)據(jù)支撐的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的強(qiáng)大基礎(chǔ)和后盾已然形成。該技術(shù)的不斷壯大，將日益推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)包括交通類道路病害處治教學(xué)的發(fā)展。

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中，最大的優(yōu)勢(shì)在于能打破各種常規(guī)限制，安全地呈現(xiàn)真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。對(duì)于路面裂縫病害的現(xiàn)場(chǎng)模擬，能讓學(xué)生近乎真實(shí)地加深對(duì)路面裂縫病害的認(rèn)知，深刻認(rèn)識(shí)裂縫病害處治方法和操作流程，在鞏固了理論與實(shí)踐知識(shí)之外，還能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)積極性。同時(shí)，這一技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)形式的最大靈活化。真實(shí)直觀地認(rèn)識(shí)實(shí)踐裂縫、裂縫處治材料和設(shè)備，這些在傳統(tǒng)課程教學(xué)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)，可以在虛擬仿真的病害處治系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。比如，為方便學(xué)生深入學(xué)習(xí)不熟悉的知識(shí)點(diǎn)或操作程序，可以設(shè)置單項(xiàng)循環(huán)模式，強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)知。對(duì)于不同裂縫病害處治場(chǎng)景或工藝流程，也可以依據(jù)不同學(xué)生的不同層次水平，進(jìn)行科學(xué)合理的組裝定制。

2.2 虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐

通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，對(duì)各類路面裂縫病害選擇合理的處治方案，并掌握工藝流程、操作方法。教學(xué)內(nèi)容由易到難、由單一到綜合、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，反復(fù)訓(xùn)練病害識(shí)別和處治操作，逐步提高學(xué)生進(jìn)行路面病害處治的能力。路面裂縫病害處治的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括橫向裂縫處治、縱向裂縫處治、龜裂處治、塊狀裂縫處治。學(xué)生可以登錄系統(tǒng)平臺(tái)完成各個(gè)裂縫病害處治內(nèi)容的學(xué)習(xí)。整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中可以始終貫穿虛擬仿真技術(shù)，其主要由以下幾部分構(gòu)成。

2.2.1 教學(xué)準(zhǔn)備

首先，在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)前，需要必要的預(yù)習(xí)。學(xué)生將被分成小組，每個(gè)小組就是一個(gè)路面病害處治項(xiàng)目部，同學(xué)們需要分工協(xié)作，除了基礎(chǔ)性的相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)之外，學(xué)生還需要對(duì)虛擬實(shí)踐平臺(tái)本身有所了解甚至熟悉。因此，對(duì)于道路病害的表現(xiàn)形式，以及其產(chǎn)生原因和后續(xù)處治方案等一系列相關(guān)知識(shí)和工藝流程，學(xué)生應(yīng)該提前把握。關(guān)于這些內(nèi)容，可以憑借以往傳統(tǒng)的常規(guī)學(xué)習(xí)方式，通過(guò)圖片、視頻或網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行預(yù)習(xí)完成。然后，學(xué)生需要在老師的引導(dǎo)之下，認(rèn)識(shí)虛擬仿真平臺(tái)，包括對(duì)于這一技術(shù)要有宏觀了解，以及知道如何登陸、如何進(jìn)行仿真模擬等。教師應(yīng)針對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況及時(shí)予以檢查和反饋。

2.2.2 仿真操作講解

對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的交互和VR設(shè)備操作進(jìn)行講解[3]，使學(xué)生能正確地操控。為了使教學(xué)能順利進(jìn)行，對(duì)支持虛擬仿真系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和軟件進(jìn)行運(yùn)行檢查。在對(duì)仿真教學(xué)有一定了解之后，指導(dǎo)老師需要根據(jù)仿真操作手冊(cè)，向?qū)W生詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的界面結(jié)構(gòu)、操作步驟以及考核程序。認(rèn)識(shí)完系統(tǒng)之后，教師需要在學(xué)生自主預(yù)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)之上，借用仿真教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)比介紹常規(guī)渠道的場(chǎng)景和仿真系統(tǒng)的區(qū)別，以此加深學(xué)生對(duì)于仿真教學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)知，保證操作規(guī)范。

2.2.3 發(fā)布仿真實(shí)訓(xùn)任務(wù)

依據(jù)路面養(yǎng)護(hù)崗位要求和相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，將瀝青路面裂縫病害處治任務(wù)分發(fā)給各個(gè)小組。每個(gè)項(xiàng)目小組接受任務(wù)后，需要運(yùn)用前面預(yù)習(xí)的知識(shí)對(duì)裂縫病害進(jìn)行分級(jí)，并依據(jù)分級(jí)來(lái)選擇病害處治的方式。每個(gè)小組進(jìn)入到虛擬仿真系統(tǒng)將會(huì)呈現(xiàn)路面裂縫的處治任務(wù)，小組學(xué)生依據(jù)路面裂縫的病害情況自主選擇采用灌縫、貼縫和帶狀挖補(bǔ)這幾種常用的路面裂縫處治方式來(lái)進(jìn)行路面裂縫病害的處治操作。操作之前，每個(gè)小組組員都需要學(xué)習(xí)每種病害處治方式的操作步驟，重點(diǎn)熟悉處治方式的操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

2.2.4 仿真實(shí)訓(xùn)操作

教學(xué)中會(huì)涉及仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程管理和考核。采用分小組展開虛擬仿真教學(xué)的方式，各組之間對(duì)虛擬仿真實(shí)操完成效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高學(xué)生的參與感和競(jìng)爭(zhēng)氛圍感。對(duì)于指導(dǎo)教師而言，在明確了虛擬仿真訓(xùn)練的考核標(biāo)準(zhǔn)之后，需要進(jìn)入軟件后臺(tái)進(jìn)行考核管理規(guī)劃，包括制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)則。同時(shí)，針對(duì)仿真實(shí)訓(xùn)本身的靈活性，對(duì)于不同考核內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)，指導(dǎo)教師都要考慮進(jìn)來(lái)，制定出考核標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)對(duì)于后臺(tái)的設(shè)置，軟件應(yīng)能及時(shí)記錄學(xué)生的操作痕跡和各項(xiàng)操作信息，并迅速生成量化考核表，考核表中包括成績(jī)、失分點(diǎn)等信息，以方便后期教學(xué)管理。在進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)的過(guò)程中，會(huì)安排給學(xué)生一定的任務(wù)，這樣帶著目的和方向去操作會(huì)讓學(xué)生印象更為深刻。在不同路面裂縫病害模擬的場(chǎng)景之下，學(xué)生通過(guò)前期的知識(shí)積累和教師的指導(dǎo)，能在安全環(huán)境中逼真地進(jìn)行應(yīng)對(duì)處理，從而鍛煉了處理問題的能力。

2.2.5 教學(xué)總結(jié)

在一整套環(huán)節(jié)結(jié)束之后，有必要對(duì)仿真實(shí)訓(xùn)進(jìn)行科學(xué)總結(jié)，以有效改進(jìn)仿真實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式和實(shí)訓(xùn)方案。虛擬仿真教學(xué)將路面病害知識(shí)和實(shí)操結(jié)合起來(lái)，通過(guò)工作過(guò)程啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考，提升學(xué)生解決問題的能力，最終達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。指導(dǎo)教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于全過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，并提出建議和不足。在此基礎(chǔ)上，教師也應(yīng)就學(xué)生的實(shí)習(xí)成績(jī)和表現(xiàn)進(jìn)行后期分析，評(píng)價(jià)實(shí)訓(xùn)效果，得出考核結(jié)論，以促進(jìn)完善仿真教學(xué)實(shí)踐。

2.3 路面裂縫病害虛擬仿真應(yīng)用效果和不足

虛擬仿真技術(shù)給學(xué)生帶來(lái)的非常有趣的學(xué)習(xí)方式，使得專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)變得很有趣味性。學(xué)生能夠在模擬真實(shí)路面裂縫病害場(chǎng)景的仿真技術(shù)引導(dǎo)下，強(qiáng)化裂縫病害相關(guān)專業(yè)知識(shí)，并能通過(guò)交互操作訓(xùn)練路面裂縫病害處治的操作技能，對(duì)不同裂縫病害處治方法的操作流程和操作要點(diǎn)進(jìn)行深刻理解。路面裂縫病害虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的教學(xué)系統(tǒng)可以很好地輔助理論課堂教學(xué)，可以達(dá)到理實(shí)一體化教學(xué)效果，真正做到“學(xué)訓(xùn)結(jié)合”。新的教學(xué)方法的應(yīng)用促進(jìn)了教學(xué)形式的改變，也改變了教師和學(xué)生在課堂上的身份，學(xué)生更像一名路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)員，而教師則更多的是充當(dāng)技術(shù)指導(dǎo)。教學(xué)中更好地實(shí)現(xiàn)了教師和學(xué)生的互動(dòng)，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，自主參與的模式也最大化地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們獲取知識(shí)更加主動(dòng)。并且，仿真模擬使得學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握更牢固，實(shí)操技能得到訓(xùn)練，對(duì)知識(shí)運(yùn)用得更好。通過(guò)改變虛擬仿真訓(xùn)練場(chǎng)景內(nèi)容，使得學(xué)生能正確運(yùn)用不同的病害處治方法，并能掌握操作的關(guān)鍵流程，完成不同的處治操作，處理不同的病害情景。對(duì)病害識(shí)別、病害分析、病害處治的全部過(guò)程進(jìn)行模擬，提升了學(xué)生對(duì)路面病害處治知識(shí)的掌握，將課本知識(shí)通過(guò)實(shí)踐操作加以強(qiáng)化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。虛擬仿真技術(shù)改變了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中只能依靠理論講解、作業(yè)練習(xí)和問題考核這樣的學(xué)習(xí)方式和低效的評(píng)價(jià)方式[4]，通過(guò)虛擬真實(shí)的路面病害場(chǎng)景和處治操作訓(xùn)練提高了學(xué)習(xí)參與度，并以交互互動(dòng)的方式促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、反饋學(xué)習(xí)，取得了很好的教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)和理論學(xué)習(xí)過(guò)程在教學(xué)中相互融合、相互補(bǔ)充，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真能夠很好地模擬現(xiàn)場(chǎng)路面裂縫病害處治的工藝流程，但現(xiàn)有仿真技術(shù)還存在一些不足。如在操作上不具備真實(shí)設(shè)備帶來(lái)的操作實(shí)感。通過(guò)頭盔、手柄等電子設(shè)備的按鍵或觸控板進(jìn)行人機(jī)交互指令操作，與路面養(yǎng)護(hù)實(shí)際場(chǎng)景存在差距，沒有真實(shí)養(yǎng)護(hù)病害處治中多感官?zèng)_擊融合帶來(lái)的現(xiàn)實(shí)感體驗(yàn)，實(shí)訓(xùn)會(huì)缺少真實(shí)操作中的變化。同時(shí)，仿真技術(shù)無(wú)法模擬路面裂縫病害處治實(shí)際中的操作細(xì)節(jié)，如裂縫在清掃前后的變化、檢測(cè)裂縫寬度時(shí)的讀數(shù)、混合料整平前后的變化、松散混合料碾壓前后的密實(shí)變化等細(xì)節(jié)無(wú)法在虛擬仿真中完美體現(xiàn)。虛擬仿真的實(shí)踐操作也無(wú)法體現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)路面病害處治時(shí)的操作嚴(yán)肅性。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)路面病害處治教學(xué)是基于信息技術(shù)打造出的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，采用人機(jī)互動(dòng)、虛實(shí)結(jié)合的模式進(jìn)行教學(xué)。在仿真的虛擬場(chǎng)景之下，學(xué)生能輕松地浸潤(rùn)到工作環(huán)境中，體驗(yàn)操作流程，熟悉動(dòng)作規(guī)范和各類技術(shù)指標(biāo)。這種靈活生動(dòng)的教學(xué)模式，給了學(xué)生更輕松又深刻的認(rèn)知環(huán)境，同時(shí)，有力地激發(fā)了他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。隨著新技術(shù)的更新發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)教學(xué)也需要與時(shí)俱進(jìn)，這要求將學(xué)校教學(xué)改革、軟件公司技術(shù)支持和養(yǎng)護(hù)企業(yè)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)等有機(jī)融合在一起，共同協(xié)作，推進(jìn)虛擬仿真技術(shù)更好地應(yīng)用在路面養(yǎng)護(hù)專業(yè)教學(xué)中。