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1建设虚拟仿真实训中心
院校合作和工学结合是高职人才培养模式改革的重要切入点[5],要体现高职教育的实践性、开放性和职业性,实验、实训、实习是3个关键环节。院校合作、工学结合模式要求高职院校充分利用学校、企业的资源,在开发校外实训基地的同时,加强校内生产性实训基地建设,探索理论与实践一体化教学模式。同时,以临床实际工作过程为导向,提高学生动手能力,逐步做到校内学习与实际工作的统一[6]。
1.1模拟医院工作环境,实现教学与临床无缝对接
根据我校实训中心的占地面积,模拟医院楼层布局,建立内科(含传染病区、评估检查室等)、外科(含ICU、手术室)、妇产科(含产房)、儿科(含PICU)、急诊科、五官科等实训场所。按功能划分为教学做一体的训练区和情景模拟区,承担基础护理以及内、外、妇、儿、急救护理教学等。情景模拟区以情景模拟中心为主体,周边分布有模拟病房、模拟治疗室、模拟产房、模拟手术室、模拟重症监护室、模拟社区和模拟传染病区等,均按照医院及社区实际进行设计,具有通道,分为多区域。情景模拟区拥有高级无线护理专属综合智能人,全部场地均有多媒体教学设备和信息化互动教学系统,可进行临床各科疾病的模拟评估、急救、治疗及护理教学,再现临床真实情景,缩短教学与临床的距离,实现无缝对接。
1.2实用性与先进性相结合,配备硬件和软件设施
实训中心建设不仅要有实用性,还要体现先进性。目前,多数高职院校校内实训中心设施不完善,学生动手机会少,而患者自我保护意识不断增强,对医护人员的要求更高。因此,借助实训中心开展教学是现代医学教育发展的必然趋势。一方面,加强校内实训基地硬件建设,扩大实训场地面积,建立可进行情景模拟教学的实训室;另一方面,积极引进信息技术,购置进口高级智能模拟人、虚拟静脉输液系统、虚拟急救系统、虚拟胎儿分娩系统等,并与信息技术公司联合开发仿真教学及管理软件,积极推广教学过程与临床护理过程实时互动的远程教学。目前,情景模拟中心的模拟病房中有高级智能模拟人及配套的吊塔、监护仪、除颤仪、输液泵、微量泵等,可设置不同病例进行情景模拟教学;模拟产房中可利用虚拟胎儿分娩系统模拟顺产或不同难产情景进行教学;模拟ICU中可利用模拟人及周边设备进行不同疾病重症监护教学。所有这些场地的教学过程均可通过网络在远端教室同步呈现,初步使虚拟仿真教学与临床实际接轨。同时,实训区建立了理论与实践教学一体的多功能教室,内部安装多媒体教学设施及实训设备,可拍摄教师讲授和示教操作的全过程并投放到大屏幕上。教师边讲课边示教,学生边学习边操作。实训中心实行开放制度,学生在实训教师指导下可以随时入基地练技能。
1.3营造人文环境与职业氛围
以护理专业文化为基础,在校内实训中心营造浓郁的护理文化氛围,让“工业文化进校园,企业文化进课堂”,以达到环境育人的目的。根据护理职业特点布置实训中心,从专业、美学、心理学角度来精心设计。如在模拟产房和待产室分别悬挂“生命使者”“产妇的守护神和合作伙伴”牌匾,在走廊和各实训室内张贴南丁格尔誓词、历届南丁格尔奖获得者照片、医学生誓词、名人名言以及漂亮孕妇和可爱宝宝的图片,营造温馨轻松的氛围,使学生一进入实训中心就能感受到巨大的精神力量与人文关怀,激励学生“笃志博学、医技精良”,在潜移默化中具备爱心、耐心、细心、责任心。另外,制定详细的规章制度,完善操作流程,师生严格遵守实训室的要求,统一着装,营造真实职业氛围。应用虚拟仿真实训中心可以有效提高教学质量,培养学生职业素质及人文关怀能力。
2虚拟仿真护理实训中心的应用
2.1实施“教学做一体化”教学模式
针对基础护理、外科护理、儿科护理、妇科护理、体格检查等各项操作,教师在示教室讲解示教后学生分组进入实训室训练,每组由带教教师指导,并实施“导生制”带教模式。根据在校学生多、指导教师少的现状,选拔优秀学生作为“小导师”,每人带教10个学生,利用中午、晚上等课外时间,有计划、按顺序进入实训室训练。严格“小导师”的选拔和培训,采用末位淘汰制和量化评优制,激励其不断进取,取得良好的训练效果。我校“导生制”的实施作为护理实训的一大亮点在全校推广,相关研究课题获河南省教育厅立项,多篇相关论文已发表并获全国卫生职业教育教学改革一、二等奖。实施情景模拟教学模式,依托情景模拟中心开展内、外、妇、儿科护理等临床专业课程教学。以案例为引导,以学生为主体,以教师为主导,结合病例进行情景模拟,通过远程传输让更多学生观看,并通过回放进行针对性讨论,从而取得更好的教学效果。多项情景模拟方面的研究获得了河南省“十二五”规划课题立项及市厅级奖项。实行竞赛选拔制,以赛促学、促教、促练。一年级学生通过层层选拔进入“小导师”队伍,二年级通过逐级竞赛选拔技能操作水平高的学生,作为参加国家和省市级比赛的培养对象,因材施教。课题“护理专科生综合实践技能竞赛的改革与创新”获河南省医学教育优秀成果一等奖。学校支持教师加入教育部新成立的“标准化病人(SP)实践教学指导委员会”,并出资培训了SP培训师,不久将实行SP教学模式,进一步提高实践教学质量。
2.2优化护理专业实训课程体系,开发实训教材
课程是教学的载体,建设以工作过程为主线、以岗位需求为导向、以能力培养为本位的实训课程体系,是实现高职护理人才培养目标的重要保障[7]。课程体系应涵盖基础护理技能和专业相关技能,学校教师可与临床专家合作开发基于工作过程的护理专业实训教材。同时,构建多元化技能考核评价体系,包括以下3方面:(1)考核内容多元化,不仅考查学生对知识和技能的掌握程度,还考查其学习态度、人文素养、人际沟通能力、健康教育能力、人文关怀能力等[8];(2)考核方式多元化,根据教学内容不同,采用口试、笔试、现场操作、提交见习或实验报告等方式全面考核学生综合素质;(3)成绩评价多元化,不以一次考试确定学生成绩,采取平时测试、阶段性测试、期末测试相结合方式。对即将进入临床实习的学生,模拟临床工作过程,构建以综合性设计性实训为主的多站式技能训练与考核评价体系,将健康教育贯穿于各项技能训练中。如对助产专业学生采用多站式技能训练,分为产前检查站、产程观察站、接生技能站、新生儿复苏及护理技能站、产科护理技能站、母乳喂养技能站、计划生育指导站。对临床实习学生要做到自始至终全程监控、全方位评价,使学生顺利完成实习任务,切实提高操作水平。
2.3建设专兼职结合的“双师型”师资队伍
发挥学院护理专业教师和行业兼职教师的优势,完善教学团队建设。聘请具备丰富临床经验、扎实基础理论知识、精湛操作技能的护理专家作为兼职教师,保证学生实训质量。加大教师培养力度,针对专职教师对临床新技术、新进展等不了解现状,通过派出学习、举办各种临床新技术新项目培训班等,提高其技能操作水平。同时,组织理论教学培训班,不断提高兼职教师教学能力,实现专兼职教师在知识结构、教学能力、临床实践能力等方面的有机融合。
2.4开放护理实训基地,实现资源共享
开放护理实训基地,拓展社会服务功能。一是承担卫生机构护理职业技能培训任务,为本校周边地区的县级医院、乡镇卫生院、村级卫生室和城市社区卫生服务中心提供专业助产技能培训,为周边社区人群提供基本急救知识、生活护理、居家护理、终极关怀专题讲座。二是发挥护理职业技能培训鉴定站的作用,为下岗人员、务工人员提供专业护理知识培训场所及考证基地,提供充分的师资技术和服务保障,组织专家对基础操作项目和专科操作项目进行考核认证。三是为本市卫生系统护理竞赛、护士执业资格考试培训等提供设备和场所。
[关键词]任务驱动;竞争模式;虚拟仿真实训;食品专业
[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.32.246
1 虚拟仿真实训教学的历史和现状
食品工业是人类的生命产业,已经成为国民经济发展中最为重要的支柱产业。随着国家食品行业的不断发展,食品企业对人才的需求量也越来越多,对学生的要求逐渐提高。[1]不仅要求食品专业学生具有扎实的理论知识,还需要具有较强的动手能力、掌握大型检测设备的使用和工厂的实际生产过程。这些要求都对高校食品类专业课程提出了更高的要求。
虚拟仿真技术可以有效还原生产、操作和管理岗位的真实场景,为学习者提供技能训练所需要的“真实”环境、“真实”工艺、“真实”工具等,从而有效提高技能教学质量。虚拟仿真技术是指使用仪器设备、模型、计算机虚拟技术,以及利用场地、环境的布置,模仿出真实工作程序、工作环境、技术指标、动作要求,进行科学研究、工业设计、模拟生产、教学训练和考核鉴定等的一项综合技术。[2]同时,可以降低教学成本、规避实训危险、降低环境污染、实现绿色教育。因此,虚拟仿真教学是深化教育教学思想、内容、方法、手段、模式改革,推动职业院校内涵建设的一个重要突破口。为此,教育部在《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中明确提出“要充分利用现代信息技术,开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”。[3]
根据食品行业人才的需求和国家的战略部署,虚拟仿真技术已被广泛应用于高职院校食品加工和检测课程的教学。[1-4]然而,我们在虚拟仿真实训课程的开展过程中,发现教学实践不足,教学效果不佳。因此,引入任务驱动的竞争模式,来实现虚拟仿真实训的教学效果提升。
2 任务驱动的竞争模式
任务驱动法具有“以任务为主线,教师为主导,学生为主体”的基本特征。[1]它是将以教师传授为主的单一传统教学转化为以解决问题、完成任务为主的互动教学,能充分发挥学生的学习积极性,使学生处于积极的学习状态。任务驱动教学法是一种问题推进式的教学,教学内容蕴含在任务中,学生完成任务的过程就是学习教学内容。[2]
实践表明,单独的任务驱动并不能很好地发挥激励的作用,只能导致学生片面机械地接受任务。在任务驱动的基础上,引入竞争的机制,将会极大地提高学生接受新知识的兴趣。
2.1 任务驱动的竞争模式在虚拟仿真实训教学中的应用必要性
虚拟仿真实训教学可以分为3个阶段:①初级阶段。这个阶段学生刚开始接触虚拟仿真系统,对虚拟仿真系统还比较陌生,很多的功能还不熟悉,需要教师对学生加以引导;②模块建立阶段。当学生对虚拟仿真系统熟悉之后,就需要根据教学计划和学生学习的侧重点对虚拟仿真系统的实验加以调整,做到可以提升学生专业知识能力的效果;③模块应用阶段。当学生已经掌握基本的实验知识或仪器操作技能后,就可以通过所学的知识,探究虚拟仿真实训中实验知识的运用。[5]
虚拟仿真教学过程中,需要以学生为主体完成相关的虚拟软件操作。在这个过程中,学生很容易注意力不集中,不能够根据教学任务完成虚拟仿真的操作。在我校虚拟仿真实训教学过程中,大部分老师采用传统的教学方法,即通过先讲后练的方式,让学生机械地训练虚拟仿真软件的操作。由于虚拟仿真软件相对比较枯燥,部分学生会放弃练习,而部分同学也会因为老师的要求,机械地完成虚拟软件的操作。但让学生真正地操作仪器时,学生往往无从下手。虚拟仿真实训就没有达到“虚实相结合”的教学效果。
这就对虚拟仿真实训教学的教师提出了新的挑战,如何让学生对虚拟仿真软件感兴趣,乐于在练习中学习知识与技能,提升学生的创新能力,能够把虚拟仿真软件中的操作运用到真正的实验之中。这也正是虚拟仿真实训课程标准的要求,同时也需要新的教学方法来改变这一现状。
2.2 任务驱动教学法在虚拟仿真实训教学中的应用
2.2.1 依据任务创设情境,设置竞争激励
在操作虚拟仿真软件之前,恰当地导入情境,能够迅速集中学生的注意,激发学生的兴趣,给学生一个广阔遐想空间,使学生产生强烈的好奇心和旺盛的求知欲,从而使学生投入积极的学习状态。创设情境的主要作用是使学生了解学习任务的必要性与学习任务相关的学习信息,激发学生的学习兴趣,产生学习任务的动机。在激发起学生的兴趣之后,引入激励机制。例如,以团队形式组建项目小组,优先完成虚拟仿真软件操作的小组,获得分数奖励或者其他嘉奖。
2.2.2 分析学习者特征,建立竞争团队
任务驱动的竞争模式是典型的合作学习方式。合作学习的基本特征是:积极互赖,直面互动,责任到人,人际技能和小组建设。学习任务由小组团队成员合作完成,通过组员讨论来解决难题。小组成员面对面地交流、讨论,在小组中形成合作互助的气氛。要求成员的个人责任感强。通常将学习能力不同的学生混合编组,同时根据各组员的性格差异、沟通能力、表达能力、动手能力等因素进行合理的安排。[2]合作学习是以各小组在完成任务的过程中,以团队的总体成绩为主要奖励依据的。因此建立一支成员构成合理,能够融洽沟通合作的团队非常重要。每个团队推举1位基础知识扎实、热情、性格开朗、有责任心的同学来担当小组长。组长的任务为督促团队成员完成任务,协调团队成员共同解决问题,协助老师传达教学任务。
2.2.3 设计教学目标与任务
虚拟仿真软件中包含许多操作任务,每一个任务都应该明确地进行分解,务必让学生知晓详细的操作任务。学生接受任务后,教师先不讲解,让学生以团队形式讨论分析任务,思考在完成任务的过程中将会遇到哪些需要解决的问题,让学生自己发现问题。在教师的引导下,经过积极思考把问题提出来,这就调动了学生主动求知的欲望。此时由教师向学生提供解决该问题的有关线索,指导完成任务的方法。倡导学生之间的讨论和交流,通过不同观点交流,加深每个学生对解决当前问题的思考。实操任务是任务驱动的核心,教师应为学生提供充分的理论学习和实践操作条件,引导学生“学中做,做中学”,理论与实际相结合,带领学生逐步完成任务。
2.2.4 展示交流,评价任务,实施奖励
学生每完成一项任务,都会获得一定的成就感。当学生完成虚拟仿真实训任务时,需要通过对其学习成果进行展示交流,分析点评,对学生的学习情况做出客观的评价和反馈。评价要从多方面进行,可以采用教师评价、学生自评以及学生之间互评相结合的方法。教师对完成任务的优秀团队进行奖励,并对他们的方法进行总结和评价,将需要学生掌握的知识点再度提炼出来,提醒学生在今后的学习过程中要熟练运用和掌握。
3 意 义
基于任务驱动的竞争模式实训教学法,一方面发挥了任务驱动教学模式有利于培养学生的合作学习、创新精神和自学能力的优势。另一方面,通过团队之间的竞争,让学生既看到自身取得的成绩,又看到自身的差距,进一步激发学生主动学习的热情。在虚拟仿真实训教学中,教师围绕教学任务设计出有针对性的实训任务,制定相应的激励机制,使学生在教师任务的驱动和激励下,为完成任务投入更多的精力。在同一教学任务的要求下,将不同层次的学生分配在同一团队,促进学生个体间的竞争与融合,达到最佳学习效果。从而全面提高虚拟仿真实训课程的实验教学质量。将基于任务驱动的竞争模式实训教学法贯穿于虚拟仿真实训的全过程,有利于全方位锻炼和提高学生的综合能力,为食品专业虚拟仿真实训教学发展做出了有益的探索。该教学方法可以提高学生的自学能力、创新精神和合作意识。
参考文献:
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关键词:仿真技术;教学质量;实效性
职业教育的根本目的是为社会培养高素质的技术技能型人才。在深入推进中等职业教育改革创新的过程中,要正视职业教育资金有限的现实,充分利用学校现有资金与设备,大力提升实训教学质量,把企业的岗位能力需求作为专业教学和实训的内容,提高职业教育的针对性和适应性,为经济建设服务。职业类学校可以通过应用虚拟仿真技术,较好地实现这一目标。
一、实训教学使用虚拟仿真技术的必要性
要真正做到使职业学校培养的学生与企业需求零距离,就必须改革人才培养方案,教学内容要贴近企业岗位需求,加大实训时间,且实训内容要模拟企业工作过程。但是目前职业学校在加大实训时间和模拟工作过程方面存在很大的困难,原因在于:(1)近几年职校规模不断扩大,特别是制造加工类专业在校生比例更高,而加工制造类专业的实训设备一般价格比较昂贵,以职校的财力是无法保证购置满足实训需求的设备数量的。(2)制造类设备一般比较庞大,所以要求的场地也很大,职校要建立完善的实训基地也存在困难。(3)加工制造类科技发展很快,现使用的专业教材相对略显滞后,各职业学校添置的实训设备也不可能经常性地升级更换,所以从教材内容到实训设备都无法一直保持和技术发展相适应。(4)目前职校的专业教师大多没有经历过企业生产一线的工作实践,所以无法接触到企业的实际工业案例,更别说引入到学校的专业教学中,所以学生在校内实训的内容往往是基础性的或者是由设备限定的。(5)加工制造类的实训设备一般功率较大,校内实训耗电大、材料损耗大、设备维护费用高等,所以学校的实训经费压力也较大。(6)有些专业课程技术性较强,许多知识看不见、摸不着,传统的教学方法以讲解、做题、画图、演示性实验等为主,学生接受起来有一定的难度,学生需要通过生产性的实训来掌握技能、获得知识。
为了能有效地解决以上问题,学校可以在机械、机电专业等工科类专业实训过程中,充分应用虚拟仿真技术,来提升实训质量,借助各种虚拟软件、仿真设备,将抽象的过程形象化。如,张家港某职业学校近年来添置了上海宇龙数控仿真软件、美国PTC参数技术公司的Pro/engineer(普鲁易)三维建模设计软件、电工电子类PCV印刷电路板设计软件等虚拟仿真教学软件,充分利用虚拟软件易学易用、有强大的交互能力等特点,提高教学效率。同时,还与上海厚载智能科技有限公司校企共建(西马特)数控车仿真理实一体化实训室;与美国参数技术(上海)软件有限公司、南京培杉软件科技有限公司共建数字化设计与制造校内实训基地等,将仿真教学穿插于技能实训教学过程中,来提高学生的动手能力,实现校内实训教学与企业岗位对接的零距离,使学生进入岗位后能很快适应企业生产需要,实现人才培养的新突破。
二、实训教学使用虚拟仿真技术的实用性
在技能训练和教学活动中广泛应用虚拟软件和仿真实训设备,在一定程度上弥补了技能实训设施设备不足的欠缺。各学校都非常重视实训设施设备的投入,但相对于实训教学的需要,仍远远不够,使用虚拟仿真技术替代设施设备进行训练,待练习到一定程度后再改用生产设备训练,或者生产设备训练与仿真训练交替进行,可以最大限度地加大学生的实训时间,帮助学生在技能上熟能生巧,同时借助于仿真软件,可以满足教学中的个性化需求,实现与企业实际生产的接轨。
比如,在机电专业教学与实训过程中,教师根据银行自动存取款机的描述及具体要求,利用单片机仿真实训平台中的相关模块及元件,模拟一台银行自动存取款机控制器;再如,根据双色球包装演示系统的背景描述及其控制装置的具体要求,借助机电一体化组装与调试仿真实训设备,搭建双色球包装演示系统,并进行模拟生产;利用电气安装仿真实训设备,教师设计一个工作间电气安装工程施工单,学生在仿真设备上模拟施工,完成配电装置和照明的安排等。再比如,在数控专业教学过程中,学校借助数控模拟软件和数控仿真实训室,首先安排学生利用宇龙数控虚拟软件进行模拟操作,让每个学生都有充足的时间来学会编程、操作方法,为下一步的实际操作也做好准备。在此基础上,安排学生到数控仿真实训室进行实训练习,进行理论与实践的“学做合一”初、中级学习。因为一些数控系列小型机床的操作方法、编程原理与普通型数控机床原理和方法一样,学生通过对小型数控机床的学习与操作,能很快掌握数控操作要领,从而大大提高了学生的操作水平。同时,在数控仿真实训室进行实训的材料可以是铝棒、塑料件,这大大节约了实训的成本,但取得的效果却和学生在生产大机床上用钢件实训的效果是一样的。经过在数控仿真实训室实习以后,学生的技能操作水平达到中级水准,然后,再组织学生进入校内实训车间进行生产性实训,进一步提高操作技能,达到高级工及以上的技能操作水平。
三、实训教学使用虚拟仿真技术的实效性
1.借助虚拟软件和仿真设备,学校减少了资金的投入,充分利用了有限资源,提高了实训的实效。以往,学校机械专业学生人数比较多,虽然学校的数控设备也很多,但要使实践性教学的课时比例达到50%还是有一定的难度。通过虚拟技术和仿真设备的运用,保证了学生有50%以上实践性教学课时的学习时间。虚拟仿真技术的应用,也可以加快学校教学改革的步伐,便于学校形成“做学教合一”实训教学改革新模式:学生的实训过程通过任务的布置(学)―学生的操作(做)―教师的讲解(教)―学生的检验修改应用―师生总结等环节实施,学生在学习专业基础理论知识的同时又可以进行技能操作训练,有效地避免了理论学习内容与实训教学内容两张皮的现象。
2.虚拟仿真技术在教学中的运用,调动了学生的学习积极性,提高了学生的技能水平。学生真正学到技能,毕业生成为企业的抢手货,受到用人单位的欢迎。
3.虚拟仿真技术在教学中的运用,促进了教师队伍的快速成长。比如,通过与企业合作开发虚拟仿真软件,可以提升教师的专业水平和实践水平。
随着科学技术的不断发展,有着沉浸性、交互性和构想性的虚拟仿真技术带来了教学改革发展的新革命,让我们在实训教学过程中实现了教学内容的变革,教学方式的创新,教学质量的提升。我们相信,虚拟仿真技术会让我们获得更多发展,获得更大的超越!让我们充分享受这一革命带来的变化吧!
关键词:虚拟仿真 飞机 维修 实训教学
虚拟仿真技术是一个虚拟环境,它包括软件、计算机硬件和各类传感器,能够对各种环境和实物进行高度模拟,当人们进入该环境并与其进行交互时,可产生“身临其境”的感觉。
教育部从2008年起,颁发的一系列文件清晰指出职业教育要“大力推动仿真、多媒体课件等数字化教学资源开发”,“重点解决常规的教学手段技术、设施设备难以实现的实习实训问题,主要为了满足有急切需求并覆盖范围广的虚拟仿真实践教学的需求,表明了职业技术教育的实训教学方向是利用虚拟仿真技术进行深入开展。
一、虚拟仿真在职业教育实践教学中的应用现状
目前,很多职业教育的实训教学中都应用了虚拟仿真技术:
(一)旅游课程的实训教学
由于实习资源有限、现场教学成本高等问题,很大程度上制约了旅游专业的教学发展。而利用虚拟仿真技术,能够开发出各个旅游景区的虚拟场景,开发多条路线。这样教师只需在教室就能完成全国各地的景点讲解,学生也可随时进行各景点的虚拟讲解练习,大大提高了教学效果,省去了实地教学的麻烦。
(二)医学课程的实训教学
作为一个实践性很强的专业,学生的实际动手在整个教学过程中重要性不言而喻。而利用虚拟仿真技术,正好能够让学生模拟完成一些外科手术和解剖等练习,完成课程内容的学习;还可调动学生的学习兴趣,将抽象的内容具体化、形象化,给学生留下深刻印象,也给教师提供了方便,大大提高了教学质量。
(三)工科课程的实训教学
在汽车、模具、水利水电等专业的实训教学中,通过虚拟仿真技术,建立与实物一致的三维模型,从而实现产品、设备的立体展示,观察其内部结构;还可模拟实际的工作流程,模拟工作工况下工作情况。
虽然虚拟仿真在职业教育的实训教学中已经广泛应用,但在民航院校的飞机系统实训课程的教学中应用很少,因此开展基于虚拟仿真的民航职业院校实践教学培训系统,对于提高学生的技能,提升学校的教学水平和竞争力有很大的意义。
二、民航职业院校实训教学中的弊端
(一)教学内容与教学设备比较落后,不能紧跟民航机务维修发展的步伐
由于航空器材价格昂贵、技术更新也比较快,各民航高职院校受制于资金、场地等原因,不能购置成套的在役航空器提供给实训教学。只能使用一些退役的机型进行教学,例如三叉、运7等。由于实训设备的落后,实训内容也往往跟不上行业的发展,甚至远远滞后于实际工作。鉴于实训设备与实训内容的落后,学生在学校所学到的技能与实际工作有很大的差异,学生上岗后并不能立马上手,而是感觉学非所用。
(二)教学手段单一
机务维修实训课的教学主要是通过老师现场讲解,学生练习的形式进行的,是一种学徒制的教学方式。这种方法有一定的优点,但也存在一些弊端。例如,教师在现场很难直观形象地将系统的结构、原理讲解清楚,而且这种教学方法也会随着教师所面对学生人数的增加而大打折扣。因此我们还需要其他合理的辅助教学方式,才能保证授课质量。
(三)工位有限
由于院校的实践教学设备不足,实践教学中经常出现“僧多粥少”的情况,从而导致学生排队等候的情况,降低学习效率。
(四)实训教学的学时不足
目前,机务高职教育普遍存在理论与实践教学失衡的现象,很多高职院校都偏重理论课的教学,实训课程的学时往往较少。有些机务高职院校的人才培养方案中,整个实训教学所占的比重还达不到1/3,远不能满足实训教学的需要。这与高职教育培养技能型、实践型人才的目标相矛盾。相比西方职业教育发达的国家,实训课程能占整个教学任务的一半,甚至还超过理论课时,我们的实训教学量还很不足。因此在现有情况下应想办法延长实训教学的时间和空间,提升学生课堂实训的效率。
三、虚拟仿真在飞机维修实训教学中的具体应用
以《飞机起落架系统实训》课程为例,虚拟仿真在课程中的应用包括以下几方面:
(一)课程内容方面
根据课程的实训内容,设置737机轮拆装、737刹车装置拆装、737轮胎分解和737刹车组件分解等实训项目,学生可完成每个项目的虚拟拆装练习,掌握737起落架的具体结构及每一步的拆装要领。为学生将来的工作打下坚实的基础。
(二)课程安排方面
实训不再局限于课堂内完成,现有的实训练习只能在固定的时间和固定的场所,处于安全的考虑,课前课后一般都不允许学生自己进去实训场所自己练习。利用虚拟仿真平台学生可在课前预习,对拆装的结构及步骤有比较清晰的了解,能提升课堂内的学习效率,课后还可进行巩固练习,学生可不断反复练习,直到完全掌握实训内容。
(三)利用虚拟仿真平台进行实训考核
当前,飞机系统实训课程的考核缺少一个比较好的方式。可利用虚拟维修平台设置考核模块,学生在虚拟仿真平台上进行虚拟拆装,并完成相关的问题,系统记录学生的考试情况,并将结果反馈给教师,作为整个课程部分考核成绩。该考核方法能比较客观反应学生对拆装步骤的掌握情况,并检验学生对拆装过程中涉及的理论是否掌握,这种方式可与目前的考核办法结合,从而更加全面、客观地对学生做出评价。
四、虚拟仿真技术在飞机实训教学中的意义
将虚拟仿真技术应用机维修实训课程的教学中,能让学生增加新的学习途径,多方位进行学习,对于职业院校和学生本人都有较大的益处:
(一)提高效率
虚拟仿真拆装虽然不能代替真实的实物拆装练习,但它能够让学生进去实物拆装前对整个实物的结构、拆装流程、注意事项等都有比较全面的认识,这样学生再进入实物操作后能做到胸有成竹,这大大提高了课堂上教学的效率,学生花更少的时间便能掌握实训内容。
(二)降低损耗
实践教学过程中,造成设备损坏主要有两种情况,一是学生的操作失误造成的非正常损坏;二是反复拆装练习产生的正常损耗。现有的实训方式,学生进行实训前往往并不清楚拆装的要点和注意事项,易造成结构的损坏。而且为了更好地掌握实训内容,学生需要反复练习,加剧设备和耗材的使用,带来较大的损耗。而利用虚拟仿真学生可先在虚拟平台上反复练习,缩短实物练习的时间,易不容易造成实物的损坏。
(三)增加安全可靠性
学生在使用虚拟实训系统出现误操作时,不会造成设备和人身的伤害,不存在资源的浪费。通过虚拟实训后,学生可以很好地掌握各项目的操作流程及所包含的原理,日后上岗将应对自如。
(四)考评结合,提升教学效果
利用虚拟实训平台可以完成对学生进行考核,每个学生在平台上单独完成项目的虚拟拆装,并回答相关的理论知识。平台能比较客观反应学生对拆装步骤的掌握情况,并检验学生对拆装过程中涉及的理论是否掌握,这对于提升教学质量有很大的帮助。
五、结语
现有的飞机维修实训教学完全依赖实物,造成了实训教学中存在较多的弊端,虚拟仿真技术的引入,它能较好地改善现有的实训教学,提高民航类职业院校的教学质量和行业竞争力,为民航类院校的实训教学改革提供了一个方向。
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关键词:运行支撑框架组件;虚拟维修训练;云仿真; 云计算
0 引言
虚拟维修训练仿真以其经济、安全和不受天气场地限制[1]等优点,已成为提高装备维修训练水平和保障能力的重要手段。高层体系结构(High Level Architecture,HLA)是美国国防部于1996年提出的新一代分布式仿真框架,它针对现有仿真技术的不足,通过运行时间支撑框架(Run Time Infrastructure,RTI)软件管理各仿真应用,提供较好的重用性和互操作性,以保证不同类型的仿真应用能够协调工作,完成复杂的仿真。目前,现有基于HLA/RTI的大型复杂装备分布式虚拟维修训练仿真系统受自身局限性制约,仿真任务和仿真设备耦合紧密,系统仿真效率低下,维护困难;另外,仿真资源仅限于小范围的共享,利用率不高。如何突破系统开放性、灵活性、使用性等制约,丰富虚拟维修训练仿真技术内涵与应用模式,促进大范围仿真资源共享和协同互操作,拓展分布式仿真的范围和层次,满足多样化的仿真训练需求,是亟须解决的问题。
当前兴起的云计算[2]技术使用相对集中的计算资源为各种应用提供服务,它充分利用网络和计算机技术实现大范围的资源共享和服务,能够极大提高资源利用效率,扩展仿真应用范围,是解决装备分布式虚拟维修训练仿真所面临问题的有效途径之一。
将云计算应用于仿真领域,2009年李伯虎院士[3]提出了“云仿真”的概念并介绍了需要解决的关键技术,为云计算与虚拟现实仿真的结合指出了可行路径。杜瑾[4]在分析现阶段我军训练模拟仿真系统不足之处基础上,将云计算理念融入到训练模拟仿真系统之中,提出了一种新的训练模拟云仿真平台的体系结构,对构建军事训练云仿真平台的必要性和可行性进行了有益的探索。张雅彬等[5-6]研究了基于虚拟化技术的云仿真运行环境动态构建技术和云仿真资源迁移技术,并论证了各项技术的可行性和有效性。华翔等[7]和杨晨等[8]分别在可视化仿真和云制造领域引入云仿真思想,提出了可视化仿真的私有云框架和面向云制造的云仿真支撑框架,并对相关技术进行了研究。高武奇等[9]针对现有 HLA 仿真资源难以与 Internet 共享使用的问题,提出了一种基于 HLA Evolved 的云仿真体系结构和框架实现方案,并通过云仿真测试实验,证明了基于 HLA Evolved 的云仿真设计方法可行、有效。以上研究思路和内容为开展面向装备虚拟维修训练领域的云仿真研究打下了良好的基础。本文在云仿真思想的指导下,结合虚拟维修训练仿真特点,研究了装备分布式维修训练领域云仿真平台构建关键技术,包括交互模式、平台框架、基于云端的分布式交互仿真支撑、可视化仿真、多任务负载平衡策略和分布式存储等。
1 装备维修训练云仿真内涵
虚拟维修训练云仿真平台以装备虚拟维修训练应用需求为背景,以云计算及云仿真理念和技术为指导,综合应用虚拟现实和虚拟维修领域的建模仿真等相关技术,实现系统中各类资源安全地按需共享与重用、多用户按需协同互操作以及系统动态优化调度运行,进而支持虚拟维修训练系统的分布式开发与装备分布式协同维修和操作训练,是装备虚拟维修训练领域的仿真资源云计算模式共享平台。具体包括以下功能:1)支持各种软硬件资源,如CPU、内存、带宽、存储、操作系统、仿真软件等的共享与重用;2)提供类似于MFC的训练仿真系统基础框架,同时封装仿真功能模块以服务方式提供,用户可定制基础框架并使用仿真功能模块服务进行仿真系统的个性化构建,从而提高虚拟维修训练仿真系统的开发效率;3)构建基于Web的RTI服务,实现广域网条件下的仿真互操作,支持装备大范围分布式维修训练仿真。
虚拟维修训练云仿真平台的基本思想是将分散的武器装备训练资源、仿真资源等集中到一个或多个中心,对各种资源进行服务化封装,向网络终端提供服务并监控、调度其运行状态。受当前互联网传输速度和信息安全等制约,虚拟维修训练云仿真平台初步采用基于广域网的私有云仿真网络架构。根据仿真资源功能的不同,仿真中心的服务大体可分为训练服务和开发服务两类,前者提供武器装备的维修训练仿真,后者则提供开发环境用于虚拟维修训练系统的在线开发和测试。仿真平台的应用模式如图1所示。
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图1 虚拟维修训练云仿真应用模式
云仿真的终端用户可以是单个节点,也可以是局域网集群节点,通过广域网络与云仿真中心进行交互,同时,客户端可以是瘦客户端,配备显卡等基本显示部件和交互设备,不需要高性能的处理和存储能力,就可以基于云仿真平台实现复杂装备的虚拟维修训练与开发。
2 虚拟维修训练云仿真体系结构
虚拟维修训练云仿真是一种面向服务的装备维修训练仿真平台,具有层次化的体系结构,如图2所示。
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图2 虚拟维修训练云仿真框架
该体系结构包括五层:基础资源层、资源管理层、分布式交互支撑层、仿真平台层和应用管理层,同时构建完备的信息安全保障体系,确保军事信息及数据的安全传输和使用。
基础资源层
包括计算机、存储器、网络设备等,采用虚拟化技术,对若干物理资源进行抽象,根据用户的需求进行动态分配,实现内部流程自动化和资源管理优化,从而向外部提供动态、灵活的基础设施层服务。虚拟化技术分为服务器虚拟化技术和桌面虚拟化技术。基于Xen 的虚拟机(Virtual Machine,VM)可通过LibVirt 进行管理[10],LibVirt 支持对包括Xen、KVM、QEMU在内的多种VM的管理。VMware 提供 VIX API(Vix)对 VMware Workstation 上运行的 VM进行管理[11],Vix 简单易用,可以在脚本或应用程序中调用。为满足不同用户对虚拟化效果的不同要求,本文以 Xen+LibVirt 为基础实现服务器虚拟化,同时以VMware Workstation+Vix为用户提供较高质量的桌面虚拟化环境。
资源管理层
负责对对虚拟化的基础资源进行动态监控,对云仿真平台的资源进行管理,并对众多应用任务进行调度,确保资源的合理分配,使资源能够高效、安全地为仿真应用提供服务。
分布式交互支撑层
为广域网条件下的装备协同仿真提供功能支撑,是云仿真平台构建分布式虚拟环境并在其中进行自然交互的基础。通过设计分布式的体系结构,能够更好地满足仿真过程中多个用户之间的协同互操作。而传统HLA/RTI的分布式架构不具备跨平台功能,难以全面支持面向网络的分布式交互,无法满足云仿真模式对分布交互的需求。基于HLA最新标准HLA Evolved建立面向Web服务的分布式仿真环境以支持协同交互和仿真互操作,该仿真支撑框架与原有 HLA1.3 和 HLA1516 联邦仿真兼容,保证基于pRTI、MAKRTI的联邦仿真可以通过局域网实现仿真,同时通过Web组件与云仿真中心端进行交互,能够满足“云中心—训练终端”和“训练终端—云中心—训练终端”的交互模式。
仿真平台层 仿真平台层提供虚拟维修系统开发和训练功能支撑,其主要具有以下功能:1)提供并维护虚拟维修训练所需的模型和软件等仿真资源,包括可定制的仿真基础框架、分布式虚拟场景模块和通用维修工具等仿真资源服务,这些仿真资源用以快速构建虚拟维修训练仿真环境,同时还支持自主建模,模型资源上传开发等应用;2)在计算资源弹性可伸缩的基础上,提供场景绘制、碰撞检测等分布式算法服务模块,在资源虚拟化基础上通过分布式仿真算法提高仿真解算效率,从而为基于云仿真平台开发和运行的虚拟维修训练系统提供更高的实时性和更逼真的仿真效果。
应用管理层 为用户提供交互界面和服务选项,以直观的形式提供仿真服务,包括虚拟维修系统开发服务、训练服务,协同训练和开发服务等。使用网页浏览器进入门户,获得登录使用仿真任务开发和训练权限,用户就可以按其所需,通过相应仿真应用软件和平台工具获取需要的建模仿真服务。
信息安全保障体系采用各种有效措施,保证平台运行全过程的装备资源和用户数据等信息安全。
3 分布式虚拟维修训练云仿真关键技术
3.1 RTI平台服务化
3.1.1 分布式交互支撑RTI层次化框架
云仿真平台要求HLA/RTI要以服务的形式部署在云端,提供给用户使用。当前的解决方案是使用 Web 服务技术对 RTI 进行不完全扩展,使其满足云仿真平台分布式交互支撑的需求。文献[12]中讨论使用 Web 服务 API 对 HLA 进行扩展,并提出Web 服务RTI组件(Web Service Provider RTI Component,WSPRC)的概念。
面向Web服务的云仿真平台分布式交互支撑RTI层次化框架如图3所示。中心服务器管理和服务的对象是RTI,仿真过程中,它接受各个RTI的相关协调服务请求,并向单独的或所有的RTI发送服务请求的处理结果,具体功能如下:协同动态负载均衡调度;管理需要全局协调管理的服务;与各个RTI之间进行通信,将全局数据和服务的处理结果分发给各个RTI。负载均衡系统负责在RTI服务申请用户负载过大时将客户端的任务请求分发到不同的服务器,以达到资源的优化利用和快速反馈,从而增强云仿真平台分布式交互支撑的稳定性与伸缩性。CRC是中心 RTI 组件,进行集中式协调操作。Web服务API联邦成员通过Internet连接到WSPRC,创建联邦或加入已有可用联邦。 LRC是本地 RTI 组件,支持C++、Java等联邦成员。
3.1.2 仿真交互过程及邦员设计
WSPRC 位于云服务器端,提供了一个或多个端口,端口指向联邦成员,众多基于Web Services 开发的联邦成员可以连接到同一个WSPRC,就像多个网页浏览器可能会连接到相同的Web服务器。WSPRC采用会话(sesion)来维护成员的状态, 当一个 Web 服务成员通过一个指向 WSPRC 的 URL加邦时,WSPRC则为其创建并维护一个HTTP会话,以后 Web 联邦成员的访问都在此会话中进行,当 Web 联邦成员退出联邦执行时,会话被服务器销毁。当网络或者某一成员出现故障导致连接断开时,WSPRC会把该成员的会话保持一段时间,如果在允许的时间范围内恢复连接,则仿真应用继续运行;同时,WSPRC 会周期性地检查所有会话,并自动终止超时的会话,释放其占用的内存。
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图3 分布式交互支撑RTI层次化结构
在一个联邦中,为降低单个WSPRC的负载,可以使用多个WSPRC。受传入和传出更新率的限制,每个 WSPRC 最多只能连接5到10个联邦成员[9]。运行过程中,Web联邦成员利用中心节点提供的 RTI 服务实现客户端的服务请求,完成仿真过程中的交互。如图4所示。
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图4 基于WSPRC的仿真交互过程
同一个联邦中联邦成员可以使用不同开发语言API,某个特定的联邦成员使用哪个API对联邦和联邦成员是透明的。HLA Web 服务 API 是用 Web 服务描述语言描述的。它是对服务的精确描述而不是一个实际的编程 API,也称为WSDL API。支持直接将函数声明转化为WSDL的工具软件有很多,有IBM、Microsoft、Sun这样的公司提供的商业版工具,以及Apache Axis等开源社区提供的免费版工具。
3.2 分布式交互仿真训练过程监控
在云仿真过程中,需要对训练和开发的过程进行实时监控,监视仿真中各成员的状态信息,控制仿真的进度,确保仿真的正确运行。云仿真平台提供仿真联邦监控工具实现以上需求。仿真监控工具以仿真联邦成员的角色加入一个仿真联邦,成为监控联邦成员。监控联邦成员承担维修训练仿真教练机的角色,对联邦仿真过程进行监控,监控联邦成员也可以由某个联邦成员担任,赋予其联邦监控职能。监控联邦成员采集仿真联邦成员实时状态信息,上传并存储于云端数据库,各个联邦成员可以订购对其他成员感兴趣的信息,随时查看其他成员的实时状态。
监控联邦成员采集的监控数据包括管理对象模型(Management Object Model,MOM)信息,以及仿真过程中联邦成员通过服务化的RTI发生的交互数据信息。MOM信息包括联邦成员名称、句柄、类型等静态信息,成员更新/反射数据量、发送/接收交互次数等动态信息以及时间管理状态、前瞻量、逻辑时间等与仿真有关的时间信息,仿真成员间的交互数据信息包括成员/订购的信息,与仿真模型以及自身状态等有关的各类信息。
在管理对象模型中提供了详细的联邦和联邦成员的信息,可以通过订购管理对象模型对象类各个子类的属性来实现对联邦和联邦成员情况的监视。对对象类属性的订购遵循 HLA 的订购机制, RTI 对管理对象模型对象类属性值更新后,总控联邦成员反射其更新值并完成相应的操作。下面以订购联邦成员的 ID 号为例说明订购和反射的实现:
3.3 联邦成员动态迁移
云仿真中的联邦成员动态迁移,是指在基于云端RTI进行分布交互的仿真系统运行期间,远程WSDL联邦成员对应的实例由一个WSPRC迁移到另一个WSPRC,或者由一个会话迁移到另一个会话保持的过程。
联邦成员终端基于WSPRC组件与中心RTI 进行分布交互,远程联邦成员只负责与RTI 进行数据交互,本身无任何仿真逻辑,其状态信息主要是与HLA 相关的状态,如仿真时间、公布/订购内容、对象类实例情况等。远程联邦成员实例的迁移,关键是实现状态信息的中断、保存和迁移。
当某远程联邦成员需要迁移时,首先通知对应终端,终端收到通知后,在指定的WSPRC上创建与远程WSDL邦员的新连接。此时云端存在两个WSPRC分别维护同一个远程邦员的两个通信连接,相当于远程WSDL邦员在云端存在两个邦员。新的WSPRC完成与原WSPRC同样的公布/订购,获取仿真状态信息和维护的对象类实例所有权,并恢复到当前的状态。WSDL远程邦员在放弃原WSPRC维护的对象类实例所有权后,断开与原WSPRC的通信连接。完成上述操作后,新的WSPRC通知终端,校准与WSDL远程邦员的时间关系,最终完成迁移。迁移过程如图5所示。
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图5 联邦成员动态迁移过程
3.4 云仿真模式下的负载平衡
虚拟维修训练云仿真平台支持大量用户的仿真运行,众多的仿真实体分布在不同的节点,随着仿真的进行,各个节点上的负载会发生改变,出现个别节点的负载比其他一些节点的负载要多很多的情况,即节点负载不平衡。负载的失衡会使整个系统的运行效率下降和容错性能下降,并有可能对仿真运行结果产生不良影响。设计负载均衡器对平台节点性能进行动态调整和维护,对仿真任务进行动态平衡,体系结构如图6所示。
函数 F(L1,L2,E,λ)表明了在超载、轻载和负载适中三种情况下E与L1,L2之间的关系。函数中 λ(λ
在实际应用中,各个仿真节点具有基本相同的处理性能,可假设P值相同。采用最小连接的动态调度算法实现对静态负载进行节点的监控、邦员调度等,具体描述如下。
1)调度器记录各个服务器已建立连接的活跃节点数目,预估服务器的负载情况;
2)当一个请求被调度到某台服务器,其连接数加1;
3)当连接中止或超时,其连接数减1;
4)根据调度器记录得出此时连接数最小的服务器,将新的连接请求分配到当前连接数最小的服务器。
通过上述方式,把负载变化大的请求分布平滑到各个仿真节点上,从而提高节点利用率和保持仿真运行中负载的有效平衡。负载动态平衡前后的虚拟服务器利用情况如图7所示。未使用负载均衡时,1号和2号虚拟服务器节点利用率分别为95%和92%,处于超载状态,而3号虚拟服务器利用率仅有10%,利用率不足,属于轻载状态,负载严重不均衡。当仿真任务经由负载均衡器采用动态调度算法进行合适分发后,3台虚拟服务器节点的使用率分别约为70%,67%和60%,起到了平衡负载的效果。如图7所示。
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图7 动态负载平衡
3.5 仿真平台层可视化仿真
可视化仿真技术是实现仿真结果实时可视化的核心技术,为使用者提供2D/3D的仿真可视化服务。可视化仿真主要完成三维实体模型的渲染、驱动。这些模型可以划分为静态实体模型和动态实体模型。静态实体模型指地面上一些文化特征,如建筑物、树木等;动态实体模型是指各种仿真实体模型,如车辆、机械系统等。
云仿真可视化门户采用B/S多层体系结构,分为功能驱动层、应用支撑中间件层、资源服务中间件层和可视化资源层。其中功能驱动层提供地形导入、动态场景更新、导弹动力学可视化等视景仿真功能模块;应用支撑中间件层提供视景仿真程序开发包,支持仿真可视化应用的快速开发;资源服务中间件层提供可视化资源查找、动态调度、可视化服务的封装和调用等基本功能操作;可视化资源层主要包括虚拟场景地形、虚拟样机几何模型等可视化模型资源。
即使在云仿真平台下,图形生成的真实性和实时性事实上也是突出的矛盾,图形越真实,则描述它所需数据量越大,计算处理的时间就会相应增长,从而影响图形生成的实时性。在保证虚拟环境的真实感的基础上,现有图像简化等技术(动态或静态层次细节、消隐技术、虚拟全景空间技术等) 仍可以运用于云仿真平台,以提高场景绘制速度和虚拟仿真实时性。
3.6 仿真数据分布式存储
数据的存储和操作也以服务的形式提供,分布式存储要求存储资源能够被抽象表示和统一管理,并且能够保证数据读写操作的安全性、可靠性、使用性。Cassandra是一套高度可扩展、最终一致、分布式的结构化键值存储系统,它结合了Dynamo的分布技术和Google的Bigtable数据模型,能够满足海量数据存储的要求,解决了应用与关系数据库模型之间存在的非依赖关系。
Cassandra的存储机制[13]如图8所示。三个列族的Key值先记录在Commitlog中,Commitlog则保存在独立的磁盘上。和Bigtable一样,Cassandra的日志内容也同样需要按照键值进行序列化,然后将数据分别写入到三个CF所对应的Memtable中。Memtable满足一定条件后批量刷新到磁盘,存储在SSTable的块上并设置保存块位置信息的索引(Index),Index保存的是每个Key在数据文件中的偏移位置。当查找时,将Index加载到内存中,定位Key所属的块,从而实现快速查找。
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图8 Cassandra的存储机制
4 应用实例
综合运用云计算、虚拟化、虚拟现实仿真等技术初步构建网络化仿真平台,进行某型装备虚拟维修系统的开发和训练。该平台包括网上开发和训练集群、Web服务器和存储服务器等,这些共同构成了仿真平台的基础设施。网上开发集群提供底层硬件资源、平台和软件的虚拟现实开发支撑服务;网上训练集群为基于中心展开的装备模拟训练提供各种虚拟维修训练支撑服务,包括虚拟维修训练、RTI Web 服务和HLA 联邦管理服务等。项目开发人员可利用其中的 M&S 软件进行系统的开发;组织者可以统一管理开发资源,控制开发进程。网络化服务的资源使用方式避免了为每个项目单独配发硬件和软件工具环境,提高了资源的利用率,同时训练人员可以通过虚拟维修训练服务进行装备的协同仿真训练。某型装备的网上虚拟维修训练仿真过程如图9所示。
关键词:中职;工业分析与检验专业;虚实结合;实验实训课程;教学模式TM0-4;G642.4
职业教育的目标是培养具有高超的技能水平,符合企业岗位工作标准的,适应企业岗位工作性质的的技术应用型人才和高技能型人才。近些年,随着我国行业产业的转型升级,对职业教育提出了新的要求和挑战,《教育部关于以就业为导向深化职业教育改革的若干意见》明确指出职业教育要培养面向生产、建设、服务、管理第一线需要的、具有良好职业道德的高技能人才。这就要求学生毕业时不但要掌握一定的相关专业的基础理论知识,还要具备能够胜任相关岗位的生产操作技能,从而实现全面发展和可持续发展。
一、实训教学模式改革的背景及必要性
传统的实训教学中,学生在进入实物实验室之前,头脑中只有抽象的理论知识,缺乏感性认识,造成理论和实际的脱节,进入实验室后感到无从下手,操作不熟练、效率低,以教师为主体的课堂不能发挥学生学习的主动性,学生缺乏学习的兴趣与动力,缺乏主动性和创新意识,不能很好地融入课堂之中,导致实训教学效果不理想;同时,传统的先理论后实践的教学模式使教学衔接不连贯,很多学生已将实践教学前所学理论知识遗忘,这种情况下还要花一定的时间复习理论知识然后再进行实践,不仅造成教学资源浪费,同时也降低教学效率,对学生而言这种先理论后实践,先学后做,也容易出现学、做脱节,既对及时、有效地消化所学的知识和技术要点不利,也对增强实践效果和整体的学习效果不利,难以实现“以能力为本位”的职业教育教学目标。
近年来,很多中职院校积极开展校企合作、工学结合的人才培养模式改革和专业课程改革,基于工作课程开发了大量的理实一体化的专业核心课程。但是,中职学生的理论基础普遍差些,一些大型仪器设备精密、昂贵,导致实训教学经常是人多机少,单纯的通过教师的操作演示讲解,大部分学生很难明确技能操作要点,学生很难有机会独立的、反复的进行一些仪器设备的实际操作演练,学生技能水平得不到显著地提升,从而导致学生的技能水平很难满足企业岗位人才的需求。学生动手能力强、操作技能强,是中职学生区别于其他院校学生的根本特点,传统的教学模式已难以满足新时期的人才培养目标,这就迫切要求实训教学进行重大模式变革,主要体现在教学模式的创新性和现代化教学手段的适应性。
二、虚实结合的课程教学模式
虚实结合的课程教学模式是在理实一体化课程改革不断深入的前提下产生的一种新的教学模式,理实一体化课程教学就是将理论学习和实践学习结合成一体的课程,教学环节相对集中。整个教学环节将理论讲解和实际操作有机融合,避免将理论和实践割裂单独实施。教学过程以教师为主导、学生为主体,围绕课程教学目标设计教学项目货任务,巧妙设计教学环节,采用多种教学方法,提高教学质量。
虚实结合是指在课程教学实施工程中将虚拟仿真训练项目与真实的设备操作项目相结合,以虚拟仿真训练项目与真实实训操作项目为载体将理论知识与操作训练有机融合,通过虚拟仿真实训室及专业实训室实施教学的课程教学模式。虚拟实训教学过程中,学生通过虚拟训练对装置、设备、工艺流程及操作产生一定认识后再进入真实操作阶段,进一步强化专业技能。
由于各学校整体发展水平参差不齐,以及学校自身教学资源也各不相同,目前部分职业院校受专业实训条件的影响,在实验实训课程课堂教学过程中有限时间内只能满足一部分学生操作,而还有另一部分学生只能听和看,这些旁观的同学的学习热情受到打击,逐渐丧失学习兴趣,从而严重影响教学效果。虚拟仿真技术是在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上将虚拟现实技术与仿真技术相结合的产物,它以其高效率、低成本、内容丰富和富有有效性、安全性等优势得到越来越多的应用和推广。将虚拟仿真技术应用在实验实训课程教学中,将虚拟训练与真实操作相结合,采用“虚实结合”的教学模式,克服了实训条件的局限,减少了硬件投入,利用虚拟仿真环境与实体互动,提高对事物的感知和认识能力,降低了错误操作设备对仪器的损坏和对人身的伤害。
三、虚实结合教学模式在工业分析与检验专业的具体应用
虚实结合的教学模式注重培养学生的实际动手操作能力,以虚拟仿真训练和实际操作带动知识的学习,以知识教学指导实际动手操作,我专业的实验实训教学过程从认知学习对象开始,进入真实实训室,先熟悉仪器设备基本结构,形成感官认识,明确学习内容及实训项目,然后,根据实训项目,进入仿真实训室进行仿真实训学习演练,学生身临其境的熟悉整个实训过程,并且反复练习不熟悉的实验环。经过虚拟实训练习后,进入真实实训室学习,通过分组或独自操作,掌握实训仪器设备,完成真实实训操作环节,并出具真实实训检验报告。教师的“教”是渗透在虚拟实训系统步骤操作演示和真实实训环节中对学生的操作指导,学生的“学”和“做”是体现在仿真实训中的反复练习以及真实实训对接项目的完成。教师对学生的考核是由虚拟实训操作考评系统打分成绩和真实实训结果及教师实操考核成绩共同体现。虚拟部分实现学生的操作过程考核,真实实训实现学生岗位技能考核。合理的应用信息化虚拟仿真教学资源,将仿真实训教学环节、学生仿真实训训练环节及仿真实训考核环节与真实实训教学、真实实训考核相融合,弥补实训教学中难以实现的自主训练、反复练习、过程考评,形成一套适合于工业分析与检验专业培养技能人才、提升人才质量的虚实相结合的实训教学模式。
四、结语
通过探索和实践,我们在工业分析与检验专业的实验实训教学中有效的、有机的将仿真与实操相结合,改革了实验实训课程教学模式、探索并尝试多种教学方法、应用现代教育技术对理实一体化课程教学目标的实现具有重要意义。
参考文献:
[1]范淇元.基于工学结合模式的课程教学改革探索[J].吉林工程技术师范学院院报,2012,(1)
1当前计算机网络课程教学中存的问题
1.1构建网络实训室成本高
常规网络实验室需要配备路由器、交换机等设备。所使用的网络设备一般会选用市场占有率较高的厂商,如思科、华三、锐捷等。路由器、交换机、防火墙、IDS、IPS、SAN网络存储等这些网络设备厂商由于竞争压力以及技术的飞速发展,网络设备的更新非常快。实训室需要每隔3-4年更新网络设备。客观上造成网络实训室建设成本过高。
1.2网络实训室利用率不高
一般网络实训室都仅仅是采购几台样机,学生以分组实验的方式进行实践使用。实训室并不能保证每个学生人手一台设备,学生的实训实践效果会打一个大大的折扣,实际教学效果不理想。学生在日常的实训操作过程中,频繁对设备进行通电、插拔等操作,也会加速设备的损耗。设备一旦损坏,将严重影响教学。再加上网络实训室只能为计算机网络专业所使用,综合利用率非常低。综上所述,为了减低网络实训室建设成本,充分提高实训室的利用率,提升实践教学的效果,可以考虑引入网络模拟器等虚拟仿真技术构建虚拟网络实验室,改进网络实验教学。
2虚拟仿真技术
2.1虚拟仿真技术概念
IBM对虚拟化作出了定义,“虚拟化是资源的逻辑表示,可以是各种硬件资源,也可以是各种软件环境,如网络虚拟化、桌面虚拟化”。仿真技术主要是应用于网络协议的构建,计算机是仿真技术主要的工具和载体。综合运用虚拟化和仿真技术,可以称为虚拟仿真技术,是用计算机创建一个可视化实验操作环境,通过操作这些虚拟实验仪器或设备,即可进行各种实验,达到与真实实验相一致的教学目的和要求。
2.2虚拟仿真软件
(1)网络仿真软件比较常用的网络仿真软件有BosonNetSim、PacketTracer、RouterSim等。RouterSim是完全按照CCNA的实验设计的,非常适合学习CCNA的实验内容。最大的不足是RouterSim仅局限于实验,不能自定义网络拓扑结构。PacketTracer是Cisco公司设计的产品,对Cisco公司自身的交换机、路由器等设备兼容性最好。BosonNetSim由网络拓扑设计器和网络仿真模拟组成。BosonNetSim可以模拟交换机、路由器等设备,并可自定义网络拓扑结构,可以模拟局域网环境以及广域网环境。BosonNetSim软件对PC运行环境要求不高,实验环境的配置较为简单,适合要求不高的实验场合。
(2)虚拟主机及云桌面VMware和VirtualPC是当前使用率非常高的两款虚拟主机软件,能在真实的物理主机上运行多个虚拟主机,并安装Windows/Linux等多种类型的操作系统。基于云计算技术的桌面虚拟化,将计算机终端系统(也称作桌面)进行虚拟化,可以通过任何设备,在任何地点,任何时间通过网络访问桌面系统。
3应用虚拟仿真技术改进网络实验教学
3.1构建虚拟网络实训室
使用普通机房就可以构建网络实训室,并不需要专门的网络实训室。普通机房中每台学生机都安装网络仿真软件(如BosonNetSim)及虚拟化软件(如VMware)。通过BosonNetSim的模拟能力,能仿真模拟教学中所用到的常见的网络交换设备,如路由器、防火墙、交换机等。利用BosonNetSim灵活搭建各种网络结构,并模拟网络故障,可进行便捷快速部署,节省人力及硬件环境,为网络实验教学节省额外的环境部署时间。在学生物理机上安装虚拟主机软件(如VMware),虚拟多个主机并安装所需的操作系统。这样可以大大节省物理主机的数量,而且可以快速激活实训所需的操作系统,进行网络实验,提高网络实践的效果。
3.2设计实训任务,开展实训教学
教师可以设置众多工作任务,每个工作任务都是基于实际问题而设立,把学生置身于真实场景中,学生需要独立解决工作任务。在任务教学中,学生需要了解真实场景的需求,在网络仿真软件中绘制相应的网络拓补结构图,部署相应的防火墙、路由器、交换机、主机等网络设备,配置各网络设备的IP、链路、路由、网络协议等,搭建模拟实验环境。通过对网络的反复配置、试验和分析,学生在实践中掌握网络技术,巩固知识和提高水平。学生每完成一个任务,教师可以引导学生进入下一个递进的任务,实施分层教学,充分调动各个层次学生的积极性。同时,教师可根据学生的基础,利用BosonNetSim或RouterSim开展CCNA、CCNP认证考试训练。这些试验包内置了进行CCNA、CCNP所需的进阶实验,教师通过软件的实验导航器可以有计划、循序渐进地进行实验练习,为学生将来进行思科认证考试提供一个平台。作为一个网络管理员,要使网络保持平稳运行,还必须及时排除故障,这需要非常丰富的经验。这就要求日常教学中,学生不能仅仅照着葫芦画瓢,还应能排除网络故障。教师在模拟器的帮助下,可以设置一些网络故障点并以记录配置形式保存后打包发给学生,让学生分析,边做边学,积累排除故障的经验。
3.3应用虚拟桌面实现随时随地进行网络实训
当前越来越多的高校建设新一代、基于云计算技术的虚拟机房。在虚拟机房中,学生机不再是物理机,而仅仅是一个终端。各个终端通过网络连接至中心主机,对应中心主机内的各个主机实例。学生可在普通PC端,甚至移动端,安装客户端,实现连接至中心主机的虚拟桌面,可以像操作本地物理机一样操作云端主机。云端主机装有网络实验所需的所有仿真软件及环境,可实现在任何时间、任何地点进行网络实验操作,打破传统网络实验室的时空和人力限制,更好地提升实训教学效果。
4结束语
关键词:水污染治理技术;仿真实训教学
中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1672-5727(2012)12-0175-02
高等职业教育培养目标是:以服务为宗旨,以就业为导向,培养具有一定理论知识和较强实践能力,面向基层、面向生产、面向服务和管理第一线职业岗位的实用型、技能型专门人才。因此,实践环节在高职教学中占有非常重要的地位。目前,实践教学环节以校内实训和企业实习为主。笔者担任环境监测与治理技术专业《水污染治理技术》任课教师多年,发现单开展两种实践教学存在一定的问题。教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》提出:要充分利用现代信息技术,开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。笔者利用现代信息技术,对《水污染治理技术》实践教学部分内容开展了仿真实训,收到了较好的教学效果。
《水污染治理技术》课程实践教学存在的问题
目前,大多数高职院校环境监测与治理技术专业的《水污染治理技术》课的实践教学都是通过校内实训和校外实训完成的。校内实训内容主要为课本中所列的实训项目,如沉淀实验、气浮实验等。校内实训使学生增加了对知识的理解,提高了实践技能,对学生理解和掌握这门课的内容和相关技能起到了非常重要的作用,但部分实训内容相对陈旧,落后于现代水处理实际。而校外实训往往就是参观污水处理厂或一些工业企业的污水处理设施。当然,学生通过参观学习,可以加深对污水处理设施的直观印象,但对于污水处理工艺和设备、运行参数、处理效果等,无法通过参观来掌握。而学校自己建设污水处理工艺设施也很不现实:第一,投资太大,一般职业院校难以承担基建和运行费用;第二,占地面积很大,职业院校很难配套相应场地;第三,在实践教学过程中,污水大多有臭味,导致部分学生对实践教学兴趣不高。
职业教育的重要特点是强调实践教学,培养学生获得实践应用能力。但实践教学受到资金、场地、专业因素等限制,难以顺利开展和真正达到实践教学要求。针对上述问题,不妨在实践教学中利用现代信息技术,对部分实践内容进行仿真实训教学。
仿真教学内容
仿真实训是一种虚拟实训,即借助现代信息技术手段,将必要的专业实训内容与实训过程数字化,实现有关工作原理的直观性、透明性并对其进行虚拟、仿真。我院环境监测与治理技术仿真实训室已经建成,购买了东方仿真软件技术有限公司的水污染控制模拟软件,包括了大量的水处理实验及工艺处理仿真训练项目。笔者先对污水处理厂和环保公司污水处理设计调试部门进行调研,了解水污染治理岗位所需实践技能等信息,根据调研信息,咨询相关专家,对仿真教学内容进行了优化。因就业岗位中处理生活污水的技术岗位较多,重点对城市污水处理工艺进行仿真实训。仿真教学内容如表1所示。
针对岗位需求设计仿真实训内容的同时,制定了相应的课程标准。在仿真实训室利用模拟软件对上述实训内容进行仿真实践教学,主要模拟仿真实训内容中出现的问题,并进行仿真解决。如仿真实训教学中曝气池MLSS过高问题,MLSS过高主要由于回流污泥量过大引起曝气池中微生物量过高,因此需要减少污泥回流量,在模拟内容中,要找到污泥控制的阀门,关小回流污泥阀门,增大剩余污泥排放阀门,并根据MLSS过高的程度,找到合适的阀门控制范围。
仿真实训具有的优势
在《水污染治理技术》课程实践教学中,笔者发现,开展仿真教学有不少优势:(1)使用灵活,便于学生自主学习。仿真软件安装在电脑上可以很方便地应用,非常灵活,学生可以利用课余时间根据自身情况自主安排实训,克服了一般实践教学的场地、时间限制等缺陷。(2)仿真实训只要建设一个仿真实训室,购买相关仿真软件,并进行相关的培训,无需价格昂贵的高精密仪器、高要求的实验室设备、高花费的实验耗材,就可以开展丰富的实训项目,以满足新形势下实践教学的需求。(3)便于解决一些实训难点问题。一些工作难点是常规操作实训难以再现的,如水污染治理技术中的问题及其处理。问题的再现与处理对实训而言非常必要,但依靠操作实训实现困难很大。水污染治理技术操作实训在污水处理厂时间较短,不可能经历全部水处理问题的发现和解决。而计算机仿真实训是很好的手段,可以无数次地实现问题的再现与模拟处理。(4)实训实验易耗品的大量消耗会带来环境污染问题,而仿真实训可避免这些问题。(5)虚拟现实的沉浸性和交互性,使学生在仿真实训中能像玩游戏一样全身心地投入到学习环境中,非常有利于学生的技能提高。同时,在虚拟现实的仿真实训系统中学生获得与真实环境一样的体会,甚至可以使他们比在真实环境中更加投入,既保证实训效果,又能极大地提高学生的学习积极性。
仿真实训中出现的问题及优化
《水污染治理技术》部分实践教学内容开展仿真教学,在展现优势的同时,也出现了不少问题,主要表现为两个方面:一是仿真软件存在设计不合理的地方,比如,部分学生计算机应用水平较高,在模拟实训时,把全部操作按钮操作一遍,软件最终显示操作正确。这与开展仿真教学提高实践技能的初衷相违背。二是仿真教学考核方式需要改进。仿真软件一般有显示分数的功能,但往往难以真实反映出学生的实际操作水平。
针对以上问题,对仿真教学方式进行优化,主要是改进了实践方式和考核方式。以往仿真教学形式就是用电脑软件模拟操作,软件显示分数为学生考核成绩,存在着很大弊端。为此,优化为以电脑软件模拟操作和实践报告相结合的方式。增加的实践报告内容主要为水处理问题出现的原因、处理操作的依据等,可以较为全面地衡量学生对实践技能的掌握程度。以水处理技术仿真教学中污泥膨胀问题为例,模拟操作是打开药剂罐向回流污泥中添加氯气和增大剩余污泥排放阀门,实践报告中应写明由于曝气池中丝状菌增多才引起污泥膨胀,向回流污泥中添加氯气可以达到破坏丝状菌的效果,而增大剩余污泥排放阀门,可以增大剩余污泥排放,加快曝气池中活性污泥的更新,这些都是操作的依据。学生懂得原因和依据,再加上模拟操作,可以达到很好的实践教学效果。考核方式也同时优化为以软件显示分数和实践报告评分相结合,改变了以往单一的考核模式,强调过程和效果考核。
通过以上优化,教学效果明显提高。模拟软件仍存在一定的优化空间,在日后的教学中需要进一步改进。一是现款模拟软件画面较为简单,多为平面形式,需要软件开发公司进一步完善画面,多采用污水处理厂实物图片,最好是三维显示,这样更加直观,给学生的印象更深刻。二是目前模拟软件以活性污泥法工艺为主,现在水治理技术中,工艺方法较多,应开发多种常用污水处理工艺,使仿真实训更贴近水处理技术发展和应用实际。三是软件设计存在不合理之处,需要优化,避免学生没掌握实践技能,软件却显示高分的漏洞。软件公司可以考虑,组织富有教学和专业实践经验的人员参与开发仿真软件,提供给教学第一线的广大教师使用。
实践教学是高职教学中极其重要的一环,部分实践教学采用仿真的形式能够更好地提高教学效果,在教学过程中强调把模拟操作和实践报告有机结合,可克服纯粹模拟仿真存在的缺陷,有利于全面提高学生的实践技能。仿真教学在职业教育中的作用是不可忽略的,如何让仿真教学更好地提高学生的实践技能,还需要积极探索。除了在仿真软件上优化外,职业教育工作者更应去摸索新的教学方法,使其与目前水治理技术岗位的需要相吻合。
参考文献:
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关键词:校企合作 虚拟仿真 交互操作 职教特色
一、概述
在基于工作过程系统化的课程开发理念的指引下,为了服务《汽车电气与检测系统》和《汽车舒适娱乐与安全系统检修》课程的具体教学需求,强化对学生技能的培养,长春职业技术学院汽车分院与上海景格汽车科技有限公司合作开发了《奥迪电气故障诊断虚拟实训软件》,这是在示范校建设过程中所取得的一项成果。
该软件通过真实维修过程的在线,突出了实践技能的培养,体现职教特色;软件中强调训练步骤,强化形成性练习与养成性习惯,培养维修思路,让学生清晰的掌握故障诊断全过程的技术要领。不在车间,胜似车间。使虚拟仿真技术实现由简单的计算机操作对汽车各部件进行装配、原理分析、仪器仪表使用、检测和维修。
世界领先的计算机仿真技术、令人耳目一新的3D虚拟汽车维修场景、实时在线的检测技术、灵活多样的教学方法、模拟仪器的展示和丰富的维修资料,真实再现了奥迪A6汽车照明系统、电源系统、防盗系统、中控门锁、组合仪表、雨刮系统、起动系统、自动空调系统等8个系统共计45个典型工作任务的维修工作,有效利用各种教学资源和教学情境,创设教学内容和教学过程的真实性、实用性,以提高教学效果,为汽车专业课程提供了仿真实践平台,满足汽车维修专业人才培养目标的需要。
二、虚拟仿真实训必要性
1.节约办学成本投入――普通教育的2.6倍;实物实训基地。
2.解决教育资源短缺――招生-投入;生均图书、仪器设备。
3.支撑人才培养模式――工学结合、校企合作、顶岗实习。
4.补正现实教学不足――理论讲述-实习岗位不足-动态更新。
5.突破教学难点重点――微观-宏观-隐藏-工艺流程-运行过程。
6.提高学生学习兴趣――职校生特点:互动-形象-生动-直观。
7.推动优质资源共享――远程传输-数字化传播-跨时空使用。
8.促进国家教育公平――社会公共服务资源均等化。
三、虚拟仿真技术在教学中的使用价值
1.职教特色。所有的项目设计以奥迪A6汽车为载体和职业需求为本,突出实践技能,体现职教特色。采用先进的计算机图形(CG)技术、虚拟技术、显示技术、网络并行处理等技术和模拟汽车故障诊断操作过程。实训车型采用奥迪A6(2000款),实训内容涵盖汽车电气系统具备故障诊断实训示范和实训练习功能。故障诊断实训示范通过选择指定的故障点进行实训;故障诊断实训练习通过选择故障症状并随机产生故障点进行实训。
2.技能培养。虚拟实训是对工作过程的实际再现具有完整准确的技术把握,激发了学生探究问题的潜能。强化形成性练习,强调训练步骤与养成性习惯,培养职业技能。
3.交互操作。所有的项目均突出同学们亲身参与,使理论与实践相结合,运用计算机仿真软件理解汽车维修技术的能力。
4.直观再现。结构仿真与原理演示是对工作场景的仿真再现,因而具有身临其境的真实感受,提高真实性与学习效果。
四、知识产权
校企双方共同开发教学资源,共同享有知识产权。
五、提高老师的教学能力及教学水平
1.以现场实际为依托,虚拟再现了现场操作过程,提高了教师对当前现场变化的认知速度;突出了学生岗位操作核心技能。
2.展示了新厂房、新设备、新工艺、新仪表、新材料等当前发生的新鲜事,开阔了广大专业教师的眼界与视野,更新了教学内容。
3.将带动职业教育实训教学的改革,为教师主动推出最新实训教学改革方案。
4.将极大缩小学校对学生技能培养规格与企业对任职人员技能标准之间偏差。
5.将推动职业院校教师积极参加校企合作开发教学资源建设。
六、开发软件步骤及进展情况
1.进行了奥迪A6汽车仿真软件的需求分析,进行实车拆装工作。
2.汽车零部件的仿真建模。
3.汽车故障点的分析与情境设置。
4.汽车故障点的设计与分析。
5.仿真脚本语言的编写。
6.摄像工作与配音语言编写工作。