“真数据 真流程 真场景”智慧港口虚拟仿真实训基地建设与应用研究

“真数据 真流程 真场景”智慧港口虚拟仿真实训基地建设与应用研究

张守忠 吕震宇 范桂杰 李遵富  张玉静 张康

山东职业学院 山东济南  250104

摘要：虚拟仿真基地建设旨在通过虚拟现实、人工智能、数字孪生、物联网、大数据等新一代信息技术解决实训教学过程中的“三高三难”问题，提高专业实训教学质量。调研得知，国内鲜有智慧港口虚拟仿真实训基地，基于此，通过分析智慧港口虚拟仿真实训基地建设存在的问题以及建设现状等，提出智慧港口虚拟仿真实训基地建设的改革方案设计和问题解决途径，希望以此来形成一套可复制可推广的智慧港口虚拟仿真实训基地建设模式，提高人才培养水平。

关键词：虚拟仿真；港口；实训基地

伴随信息技术手段的提升，建设虚拟仿真实训基地成为职业教育改革传统教学育人手段、推进人才培养模式创新的迫切需要，依据中国特色高水平高职学校和专业建设计划即“双高计划”的实施，以及“虚拟仿真实训基地建设”项目建设要求，凸显专业群优势，显著提升信息化水平，亟须此基地建设。[1] 高等职业院校肩负着培养生产、建设、服务和管理一线技能型人才的使命。校内实训基地是学生技能训练的首要场所，对学生岗位胜任力的培养起着十分重要的作用，尤其是缺乏见习条件的高职院校，建设校内实训基地的需求尤为迫切。近年来，港口航运业智慧化进程加快，但国内却鲜有智慧港口虚拟实训基地，传统实训基地的条件缺陷和不也越来越明显，不能满足大量的实践教学需求，且在运行与管理上出现较多的问题。因此，建设虚拟仿真实训基地显得十分必要，对实践实训教学起着重要的辅助作用。

1智慧港口虚拟仿真实训基地的建设背景与目标

1.1建设背景

信息技术的发展使得虚拟仿真实训基地的建设成为了改革传统教育模式、创新人才培养的重要环节。实训基地不仅是学生训练巩固理论知识的首要阵地，同时也对学生以后的岗位胜任能力起着至关重要的作用。传统的专业实训设备具有“三高”——高投入、高损耗、高风险和“三难”——难实施、难观摩、难再现的问题，难以在现实场景中进行反复练习和操作，不利于实训任务的开展。虚拟仿真实训是以“假”模拟“真”，为学生提供仿真的实验或实践环境，使学生模拟工作岗位角色，在生产组织、工艺流程、现场技术等方面得到训练，从而达到走上工作岗位接近“零适应期”的目标。[2] 基于此，职业院校要结合这些特点，对当前实训中出现的问题进行改进，将信息技术与职业教育进行深度融合，实现传统教育教学创新发展，将学习和实践相结合。

实践性和专业性是高职院校教育教学的主要特点，学生不仅要求掌握基础的理论知识更重要的是训练出与岗位要求适配的操作能力和创新意识。[3] 高职院校应充分了解国家的人才培养政策和市场的人才需求方向，积极培养先进的复合型技术技能型人才，打造健全的职业教育体系。

目前港口智慧化进程飞速发展，各大港口都在进行着转型升级，建设智慧港口虚拟仿真实训基地对于港口专业进行实训操作和岗位锻炼等显得尤为重要。智慧港口虚拟仿真实训基地作为综合立体交通虚拟仿真实训基地建设与应用的重要组成部分，利用虚拟仿真技术将“真数据、真流程、真场景”融入港口类专业实训基地建设和教学功能开发，将虚拟仿真实训基地应用于实训教学、职业培训、科研与技术、创新创业训练。推广港口类虚拟仿真实训基地建设及应用，是适应港口转型升级，提高人才培养的重要途径。

1.2建设目标

依据智慧港口专业群典型专业岗位建设一个适用于港口专业领域的融合作业流程分解、生产实践操作、港口设备控制的虚拟仿真实训基地。健全教学资源、完善教学体系，逐渐形成可复制推广的虚拟仿真基地建设模式。满足学生对智慧化港口生产作业内容、设备操作方法、智慧化建设内容、智慧物流架构等方面的学习需求，同时支撑起校企协同育人体系建立和产学研基地的建设。[4]

图 1智慧港口专业群典型工作岗位

1.2.1建成一套“真数据 真流程 真场景”的智慧港口虚拟仿真教学资源

在实训基地中利用数字多媒体、VR/AR/MR等科技化展现形式再现智慧港口作业“真场景”，使用港口实际运行“真数据”，按照工作任务“真流程”对学生进行技能训练，最大限度地“虚拟”港口运行情况，让学生身临其境体验真实工作岗位，解决智慧港口相关专业教学中的“三高三难”问题。

1.2.2构建“虚实结合、能力递进”的智慧港口实训教学体系

实训基地要既能支撑实物系统中各生产设备以完全真实的方式运行，达到内外联动的全真实生产设备运行效果，也能以虚实结合、人机互动的方式提供半实物仿真运行环境。通过加强与港口企业合作，充分利用学院现有实训条件、虚拟仿真基地和校外实训基地的资源优势，按照校内基础实训→校内综合实训→智慧港口虚拟仿真实训→企业港口实训→企业顶岗实习的顺序设计实训教学项目，构建“虚实结合、能力递进”的慧港口岗位实训教学体系。

1.2.3形成可复制可推广的虚拟仿真实训基地建设模式

从港口企业共建共享、学校教师深度参与、开发企业技术实现等多方面展开研究，建立以学生为基地的目标式教学模式，真正实现“学、练、考、用、研”五大功能，培养智能制造领域高技术技能人才，形成一套可复制可推广的虚拟仿真实训基地建设模式。

2智慧港口虚拟仿真实训基地的建设现状

2.1虚拟仿真实训基地建设

2.1.1建设港口业务岗位虚拟仿真操作基地

调研自动化集装箱码头的典型工作岗位及典型工作任务，对典型工作岗位的职业标准进行研究分析，归纳出岗位能力要求，依据岗位标准确定智慧港口虚拟仿真实训基地建设方案，建设智慧港口三维虚拟仿真实训室和智慧港口虚实结合模拟操作实训室。依据岗位能力要求建设虚拟仿真教学资源，构建港口类虚实结合实训教学体系，满足港口类相关专业教学需求，提高人才培养质量。

图 2智慧港口虚拟仿真实训基地主要功能示意图

2.1.2健全智慧港口虚拟仿真资源

学院与中科数据（青岛）科技信息有限公司、山东星科智能科技股份有限公司等虚拟资源开发企业合作，利用数字多媒体、VR/AR/MR等技术，开发建设智慧港口TOS管理系统、港口机械模拟装配、集装箱虚实结合模拟装卸、港口起重机操作与故障检测和港口安全作业等虚拟仿真教学资源，贴近教学需求，搭建虚拟仿真教学平台，开发虚实结合实训设备，实施虚拟仿真实训基地建设。

2.2虚拟仿真基地建设模式

2.2.1港口企业共建共享

立足岗位能力分析，与山东港口集团深度合作，山东港口集团深度参与共建，提供智慧港口运行真实数据。虚拟仿真实训基地TOS管理系统调用山东港口集团真实运行数据，模拟生产真实流程，还原港口运行真实场景；虚拟仿真实训基地用于企业职工入职培训，实现资源共享。

2.2.2学校教师深度参与

学校教师通过线上线下积极参与建设项目开发，以教学需求为导向，挖掘实训教学功能，使港口生产过程与教学过程精准对接；教师与虚拟仿真资源建设企业合作开发虚拟仿真资源，同时资源建设企业对教师团队进行培训，提高教师虚拟资源开发建设能力，满足后期资源更新和二次开发的需要。

2.2.3“虚实结合、能力递进”的实训教学体系

针对港口企业对智慧港口管理、运行、维护岗位人才的需求，遵循学生职业能力培养基本规律，校企合作双方共同提炼技能点，分析技能训练的模式，充分利用学院现有实训条件、虚拟仿真实训基地及校外实训基地，由简单到复杂、由“实”到“虚”、再由“虚”到“实”，按照“校内基础实训→校内综合实训→智慧港口虚拟仿真实训→企业港口实训→企业顶岗实习”的顺序设计实训教学项目，做好各实训项目之间的能力衔接，构建“虚实结合、校企互补”的智慧港口专业实训教学体系。

图 3共同开发虚拟仿真教学资源示意图

3智慧港口虚拟仿真实训基地建设存在的问题

首先，港口企业运行数据涉及企业安全，不能直接用于教学，在实训基地建设运行过程中，相关港口企业的运行数据都要进行数据脱敏，这也就到导致虚拟仿真系统运行的数据与港口企业的真是情况存在差异。此外，传统港口类实训受时间和空间限制，实训进程、效果受设备状态影响，设备维护费用高、利用不平衡，港口设备体积庞大、价格昂贵，真机操作存在一定的危险性，难以反复练习，设备电气控制系统难以直接观察，调试维修成本高，操作具有一定危险性，需要在教师全程指导下进行。智慧港口生产管理系统投资巨大、操作复杂，难以在现实场景中实施管理调度训练，虚拟仿真系统虽能模拟实际的操作步骤但并不能够完美复刻重现实际的操作情景，也就不可避免地造成虚拟仿真系统的生产数据、流程以及作业场景等与港口企业的真实情况存在出入。其次，部分虚拟仿真实训基地除了进行高校实训和企业入职培训等活动外，很难担负起其他的业务活动，利用率不高、社会效益较低。再者，存在港口类虚拟仿真系统的数据更新缓慢，各虚拟设备也存在着老旧过时的情况，也限制着智慧港口虚拟仿真基地建设的发展。

4智慧港口虚拟仿真实训基地建设方案改革和问题解决

4.1改革方案设计

按照“PDCA循环原理”遵循计划—实施—检查—纠偏的总体方针开展研究活动。采用“企业调研—研讨—分析（典型任务需求）—总结（行动领域）—实践—（教学实施优化）提升”的科学研究路线。通过文件资料学习以及港口企业一线调研来制订计划，研讨归纳专业群岗位能力和知识技能要求；制订实训基地建设方案，形成虚拟实训基地建设模式和智慧港口专业群实训教学体系；进而通过开展人才培养、企业培训、课程开发、技能竞赛、技能鉴定来将智慧港口虚拟实训基地进行推广应用。

图 4改革方案整体设计框架

4.2问题解决途径

4.2.1借鉴经验，明确实训基地建设思路

通过学习《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》、《国家职业教育改革实施方案》等相关文件以及查阅相关文献，了解国内外关于智慧港口虚拟仿真实训基地建设的相关成果，明确虚拟仿真实训基地的建设目标、建设原则以及虚拟仿真实训环境、资源、团队建设的基本要求，确定智慧港口虚拟仿真实训基地建设思路，通过进行走访调研，分析和比较国内外成熟的虚拟仿真实践教学体系构建的案例，总结经验，为本项目的开展奠定基础。

4.2.2校企共研，归纳岗位实践需求要点

智慧港口是以现代化基础设施设备为基础，以云计算、大数据、物联网、移动互联网、智能控制等新一代信息技术与港口运输业务深度融合为核心，能够在更高层面上实现港口资源优化配置，在更高境界上满足多层次、敏捷化、高品质港口运输服务要求的，具有生产智能、管理智慧、服务柔性、保障有力等鲜明特点。

智慧港口出现时间短、技术含量高、涉及专业多，需要校企共同对相关岗位进行细致调研，全面了解岗位工作内容、作业标准、考核标准、职业素质要求、岗位能力要求、应知应会内容、操作规范、行业企业规章制度等，以岗位需求为导向，对接职业标准和岗位工作内容，学校教师与企业专家共同提炼技能点，分离出基本技能点和专业技能点，分析技能训练的模式，所需的工具及训练的环境、实习的条件，设计实践教学项目，在实践教学中融合职业素质养成培养。

4.2.3多方合作，共同开发虚拟仿真教学资源

学校、港口企业、实训基地建设单位三方合作，针对港口企业对智慧港口管理、运行、维护岗位人才的需求，依托科技公司虚拟现实、数字孪生、工业互联网等先进技术，面向学校实际教学需要和实训功能要求，共同制定智慧港口虚拟仿真实训基地建设方案。

港口企业根据真实工作岗位要求，经过脱敏处理，向实训基地建设单位提供真实数据、真实流程、真实场景，用于智慧港口虚拟仿真资源建设。学校组织教师开展VR资源制作培训，提升教师团队VR资源制作开发能力，与实训基地建设单位合作，结合自身实际教学需要，深度参与智慧港口虚拟仿真资源的设计开发制作，深度开发虚拟仿真实训资源的教学功能，提高实用性，与在线课程资源建设同步进行。通过VR资源开发实践，提升教师虚拟仿真资源制作水平，满足后期资源更新和二次开发的需要。实训基地建设单位根据企业提供的真实数据、真实流程、真实场景，按照学校教学要求开发实训资源，同时对参与开发的教师进行技术指导和培训，提升教师虚拟仿真资源开发水平。

4.2.4规范制度，促进实训基地共建共享

实训基地以虚拟仿真实践教学资源的开放共享和充分使用为目标，系统制定并有效实施了保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、经费使用管理、实训教学基地维护与可持续发展等政策措施，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。保证虚拟仿真实训基地教学资源的开放共享和充分使用，对教学安排、虚拟仿真实训教学设备、实训教学用房、虚拟仿真教学资源的研发等方面实行集中管理和调配，确保实训基地的运行效率。

4.2.5“虚实结合、双线融合、校企互补”优化实训教学体系

依托学院现有实训条件，结合智慧港口虚拟仿真实训基地、校外实训实习基地，融入行业企业标准，构建线上线下混合式实训模式。校企共同分析校内、外实训场所在实践教学中所承担的任务以及企业专家和学校教师所承担的角色，分工明确、优势互补，校内外实训基地有机结合，共同承担培养学生实践能力的重任，校企共同开发实训项目，共同制定实践教学考核标准与实施细则，构建“虚实结合、校企互补”的智慧港口专业实训教学体系。

面向港口机械与智能控制和港口与航运管理两个专业开展“虚实结合、校企互补”智慧港口专业实践教学体系的实践，在实施过程中，注重加强校企合作，发挥企业在实践教学中的作用；选拔兼职教师，与校内教师共同构成双师教学团队，共同开展实践教学；制定《实习基地管理办法》、《实践教学管理办法》等“产教融合”实践教学体系的相关保障措施，保证教学过程顺利有效地开展，对实践过程中出现的问题，及时总结经验，修改、完善实践教学体系。

图 5“虚实结合、校企互补”智慧港口专业实训教学体系示意图

5智慧港口虚拟仿真实训基地建设的意义

5.1助力“海洋强国”，提供人才支撑

打造智慧港口虚拟仿真实训基地，符合深入贯彻落实习近平总书记“加快建设世界一流的海洋港口”重要指示精神，为推动山东沿海港口加快向世界一流水平迈进，助力“海洋强国”战略，服务新旧动能转换重大工程，“打造世界一流的智慧港口、绿色港口”提供有力的高素质技术技能人才支撑。

5.2提高教育教学质量，提升人才技术技能水平

通过“虚实结合、校企互补”智慧港口专业群实训教学体系的实施，能够有效提升学生对港口实际工作岗位的适应性和操作维护相关港口设备的技术技能水平，提升智慧港口所需人才培养质量。

5.3深化行业企业深度参与，实现校企互利共赢

建立校企合作共建共享虚拟仿真实训中心保障制度，使港口企业与学校深度合作，有力推进职业教育教学改革和内涵建设，调动企业参与职业教育教学的热情，面向港口企业开展职业岗位技能培训，提升虚拟仿真实训中心的资源利用率，探索互利共赢的合作模式。

结语

综上所述，实训基地的建设对培养复合型技术技能人才有着重要的意义。随着港口智慧化进程加快，为实现本专业育人目标，为国家和社会培养更高质量的技术技能人才，应遵循产教融合的教育理念，迎合人才需求方向，打造健全的智慧港口虚拟仿真实训基地建设模式，通过以学生为中心的教育理念，锻炼学生的理论学习基础和岗位实操能力，培养复合型技术技能人才。

参考文献

[1]薛雪，于志瀛，胡玉琴，等. 药学专业虚拟仿真实训基地应用建设与思考——以药学服务课程为例[J]. 现代职业教育, 2023, (26): 97-100.

[2]余东先，赵建峰，王晓燕. 产教融合下高职院校虚拟仿真实训基地建设研究[J]. 电子元器件与信息技术, 2022, 6(9): 248-251, 256.

[3]张凤杰. 智能制造虚拟仿真产教融合实训基地建设研究[J]. 中国设备工程, 2023, (11): 32-34.

[4]吴小玲. 高职院校虚拟仿真实训基地建设的实践与探索[J]. 科技风, 2023, (16): 42-44.