摘 要：雷電災(zāi)害具有極大的破壞性和不確定性，防雷減災(zāi)專業(yè)的實訓活動存在較高風險，傳統(tǒng)的實訓方式無法達到比較好的教學效果。為提高防雷減災(zāi)實訓教學質(zhì)量，采取虛擬仿真技術(shù)開發(fā)建設(shè)雷電防護裝置設(shè)計和檢測實訓資源具有重要的現(xiàn)實意義。對此，闡明了虛擬仿真技術(shù)在教育教學的融入，分析了防雷減災(zāi)實訓對虛擬仿真的要求，提出了防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源設(shè)計與建設(shè)思路，以期為相關(guān)教學模式改革提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；防雷減災(zāi)；職業(yè)技能；實訓模式；技能實訓

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

根據(jù)《關(guān)于推動現(xiàn)代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的意見》《關(guān)于深化現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)改革的意見》等文件精神，相關(guān)機構(gòu)應(yīng)積極推動現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學方法進行深度融合，提高課堂教學質(zhì)量。尤其要針對專業(yè)實訓教學中“高投入高難度高風險、難實施難觀摩難再現(xiàn)”等現(xiàn)實問題，結(jié)合自身實際，創(chuàng)建職業(yè)教育虛擬仿真實訓環(huán)境，運用虛擬現(xiàn)實、數(shù)字孿生等信息技術(shù)，開發(fā)資源、升級設(shè)備、構(gòu)建課程、組建團隊，革新傳統(tǒng)實訓模式，有效服務(wù)專業(yè)實訓和社會培訓。

防雷減災(zāi)職業(yè)教育的目的是培養(yǎng)和訓練防雷減災(zāi)技能型人才，提升學員的防雷減災(zāi)能力素養(yǎng)[1]。雷電災(zāi)害具有極大的破壞性和不確定性，防雷減災(zāi)專業(yè)實訓活動存在較高風險，且不便于開展大規(guī)模的現(xiàn)場觀摩和實踐，傳統(tǒng)的實訓方式無法達到比較好的教學效果。而在國家政策大力支持和教學實際迫切需要的背景下，將現(xiàn)代教育的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于防雷減災(zāi)實訓教學，建立虛擬仿真系統(tǒng)和平臺，對實習、實訓環(huán)境進行模擬，可以解決實踐教學環(huán)境欠缺和學員不便去實際現(xiàn)場進行操作等問題，具有重要的現(xiàn)實意義[2]。

1 虛擬仿真教學概述

虛擬仿真教學具有豐富的理論基礎(chǔ)，其符合構(gòu)建主義理論的要求，重視學生的主體地位，并能充分調(diào)動學生學習的主動性[3]。在虛擬仿真教學中，教師只起輔助作用，將仿真過程和任務(wù)呈現(xiàn)給學生，學生自主完成情境化模擬操作，通過仿真軟件鞏固舊知識、探究新知識，逐漸促進知識間的聯(lián)結(jié)，形成課程內(nèi)容的意義建構(gòu)。虛擬仿真技術(shù)可為學生提供不同的學習場景，學生在不同情境中對知識進行對比和歸納，建立獨有的知識結(jié)構(gòu)。虛擬仿真教學也符合生活教育理論的要求，注重教育與能力間的關(guān)系，注重教學與生活實際的聯(lián)系[4]。

在虛擬仿真教學中，以“做”為核心，學生和教師共同合作學習，在鍛煉學生實踐能力的同時實現(xiàn)教師的自我提升。教師選取與生活有實際聯(lián)系的仿真教學素材，通過創(chuàng)建“類生活”的教育場景，使學生產(chǎn)生共鳴，激發(fā)其學習興趣。

此外，虛擬仿真教學還符合具身認知理論的要求，充分調(diào)動多感官參與學習，注重知識與情境的交互[5]。虛擬仿真教學使學生充分利用自身多種感官與虛擬環(huán)境進行交互作用，以達到改善教學效果的目的。例如：通過創(chuàng)建動態(tài)化三維模型調(diào)動學生視覺感官，激發(fā)學生學習興趣；通過鼠標、鍵盤等輸入設(shè)備調(diào)動觸覺感官，實現(xiàn)實踐技能演練；通過合成授課輔助語音調(diào)動聽覺感官，有助于知識的理解與記憶等。虛擬仿真教學用虛擬場景中的體驗代替真實環(huán)境的實踐操作，在情境中感知課程內(nèi)容，促進知識的有效理解。

2 虛擬仿真技術(shù)在教育教學中的融入

美國計算機科學家Jaron Lanier最早于1989年提出并使用“虛擬現(xiàn)實”一詞以統(tǒng)一對新的人機交互技術(shù)進行表述。虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括計算機、電子信息、仿真技術(shù)等，其基本實現(xiàn)方式是對現(xiàn)實環(huán)境進行虛擬化和數(shù)字化處理，具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特征，給人以環(huán)境沉浸感[6]。虛擬仿真教學實現(xiàn)了科技與教育的高度融合，已經(jīng)成為教育領(lǐng)域的一種新型教學模式。我國在20世紀90年代開始研究虛擬仿真技術(shù)，逐漸將其應(yīng)用于教育領(lǐng)域。隨著教育信息化的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，并取得了一定的研究成果，主要體現(xiàn)在以下3個方面。

一是實訓教學系統(tǒng)的建設(shè)，主要是對虛擬仿真實訓室和實驗中心建設(shè)、教學平臺開發(fā)等進行研究。大連理工大學基于教學資源、綜合平臺和教學與管理手段3個方面建設(shè)具有自身特色的電工電子國家級實驗教學仿真中心[7]。山東農(nóng)業(yè)大學集農(nóng)業(yè)機械類、機械設(shè)計類等5種虛擬仿真教學平臺為一體，建設(shè)農(nóng)業(yè)機械化及其自動化虛擬仿真實驗教學中心[8]。劉海波等[9]依托現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)工程教育視域下的虛擬仿真實驗教學資源、開發(fā)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)教學平臺。仿真實訓教學系統(tǒng)既可以打破時間空間限制、實現(xiàn)資源共享，也有利于拓展教學內(nèi)容，增強教學效果，其建設(shè)經(jīng)驗可供其他學校和教育工作者借鑒。

二是教學改革的探索，主要從理論角度對虛擬仿真教學改革的需求、原則及對策進行研究。吳丹等[10]對實訓課程中存在的學生參與度不高、配套教學資源不足等問題提出教學改革路徑，探索虛擬仿真教學新模式。劉亞豐等[11]從建立統(tǒng)籌規(guī)劃機制、堅持虛實結(jié)合原則、健全練習和考核工作模式等7個方面提出了虛擬仿真教學資源建設(shè)要遵循的原則與標準。張小輝[12]

從教學資源、教學管理體系、教學模式和教學平臺4個方面針對仿真教學特點和課程現(xiàn)狀提出教學改革對策，以實現(xiàn)虛擬與真實有效融合。作為新興教學模式，虛擬仿真技術(shù)受到教育界廣泛關(guān)注，為課程教學改革奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

三是教學應(yīng)用的研究，主要關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在具體專業(yè)和課程中的應(yīng)用設(shè)計及其意義。黎紅梅等[13]結(jié)合課程案例對電工學虛擬仿真實驗展開教學設(shè)計，實踐證明，該教學模式能夠調(diào)動學生積極性，有效增強教學效果。谷艷華等[14]在工程圖學課程中將虛擬仿真教學與混合式教學模式相結(jié)合開展教學實踐，研究結(jié)果表明兩者結(jié)合有助于學生自主學習和創(chuàng)新能力的提高。葛圓等[15]在護理學專業(yè)中運用虛擬仿真工具創(chuàng)設(shè)模擬教學環(huán)境，從課前、課中、課后進行教學過程設(shè)計并付諸實踐，取得良好的反饋效果。虛擬仿真教學主要應(yīng)用在電工電子、機械、醫(yī)療等學科領(lǐng)域，其教學模式能突破時空限制，實現(xiàn)虛實融合，激發(fā)興趣，增強學習效果，促進實踐能力和創(chuàng)新能力的提高。

3 防雷減災(zāi)實訓對虛擬仿真的要求

防雷減災(zāi)是為減少雷電災(zāi)害對人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展的影響而采取的一系列措施，主要包括雷電防護裝置設(shè)計、雷電防護裝置檢測及雷電災(zāi)害監(jiān)測、調(diào)查、鑒定和評估等。雷電防護裝置的設(shè)計是一個復雜的技術(shù)過程，需要遵循國家及行業(yè)的標準和規(guī)范，在了解防護對象的結(jié)構(gòu)、用途、地理位置、土壤電阻率等信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)其重要性、使用功能、人員密度等因素進行風險評估，繪制防雷裝置的施工圖紙，包括平面圖、立面圖、剖面圖等，標注詳細的材料規(guī)格、施工要求和驗收標準等。雷電防護裝置檢測是為確定雷電防護裝置是否滿足標準要求而進行的檢查、測量及信息綜合分析處理的全過程，詳細記錄檢測數(shù)據(jù)、測試條件、使用的儀器設(shè)備等信息，根據(jù)檢測結(jié)果編寫報告，報告內(nèi)容包括檢測結(jié)論、存在的問題、整改建議等內(nèi)容，是確保防雷系統(tǒng)安全有效的重要環(huán)節(jié)。

防雷減災(zāi)實訓主要涉及雷電防護裝置設(shè)計和檢測等內(nèi)容。其目標是培養(yǎng)學員的識圖制圖能力、雷電防護裝置設(shè)計能力、雷電防護裝置檢測能力和數(shù)據(jù)分析處理能力等[16]。主要的內(nèi)容是對接真實職業(yè)場景和工作情境，進行雷電防護裝置制圖識圖、雷電防護裝置設(shè)計、雷電防護裝置檢測等。

防雷減災(zāi)實訓對虛擬仿真的一般性要求是將計算機視覺理論與圖形圖像處理等相關(guān)理論進行結(jié)合，利用信息處理設(shè)備構(gòu)建數(shù)字化虛擬場景，通過顯示系統(tǒng)使用戶能夠獲得視覺信息，并利用圖像處理與識別、網(wǎng)絡(luò)通信等手段實現(xiàn)學員在虛擬空間環(huán)境中的實踐訓練。

防雷減災(zāi)實訓需要虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)人機交互，利用仿真任務(wù)和資源引導學員積極參與教學，達到“互動式”的教學效果，并能夠與其他先進教學方法相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，以取得更好的教學效果。

防雷減災(zāi)實訓需要虛擬仿真技術(shù)激發(fā)學習興趣，利用虛擬仿真教學資源以具象化的形式呈現(xiàn)知識內(nèi)容，將學員迅速帶入虛擬工作場景，自主操作把握課程內(nèi)容，加強實踐操作訓練，將學習方式由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，充分調(diào)動學員的學習積極性和主動性。

防雷減災(zāi)實訓需要虛擬仿真技術(shù)滿足實踐教學要求，受教學時間、設(shè)備數(shù)量、安全性等的限制，需要利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬實訓室，以減少安全隱患、降低實訓器材消耗的目的，實現(xiàn)學員真正參與實訓教學，成為課堂的主體，從而更好地掌握知識和技能。

4 防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源設(shè)計與建設(shè)思路

防雷減災(zāi)實訓教學是掌握防雷減災(zāi)技能的重要環(huán)節(jié)。學好防雷減災(zāi)知識和技能必須掌握雷電防護裝置設(shè)計和檢測的基本知識和原理[17]。但在雷電防護裝置設(shè)計和檢測的實際教學過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學員獲取知識和技能的學習風格屬于直觀型，即偏重視覺上的直觀感受，不善于對知識細節(jié)進行深度思考。而防雷減災(zāi)技術(shù)偏重理論和概念，采用傳統(tǒng)的灌輸式教學難以達到預(yù)期的效果。因此，構(gòu)建防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源對推動課程教學改革和增強教學效果具有極其重要的意義。

防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源的建設(shè)思路是以具有代表性且雷電防護設(shè)施豐富完整的建筑作為原型，建立雷電防護裝置設(shè)計和檢測技能實訓的虛擬場景，同時將設(shè)計、檢查、測量的規(guī)范要求及圖集做法和設(shè)備使用等知識通過圖片或影像的形式嵌入場景內(nèi)，使得虛擬場景具有交互的功能。

雷電防護設(shè)施是用于避免和減小雷擊造成人身傷害和物理損害的系統(tǒng)，主要分為外部雷電防護系統(tǒng)和內(nèi)部雷電防護系統(tǒng)兩部分。其中，外部雷電防護系統(tǒng)由接閃器、引下線和接地裝置組成。接閃器是用于攔截雷擊的金屬部件，主要形式有接閃桿、接閃帶、接閃網(wǎng)、接閃線等；引下線是用于將雷電流從接閃器傳導至接地裝置的導體；接地裝置是用于將雷電流傳導并散入大地的導體。而內(nèi)部雷電防護系統(tǒng)主要包括磁屏蔽、防雷等電位連接、電涌保護器等。磁屏蔽是將需要保護的空間包圍起來的閉合金屬格柵或連續(xù)型屏蔽體，其目的是減少電氣和電子系統(tǒng)的失效；防雷電電磁脈沖的屏蔽包括格柵型空間屏蔽、引進的線路屏蔽、屏蔽板（網(wǎng)）和屏蔽室（盒）等；防雷等電位連接是將分開的諸金屬物體直接用連接導體或經(jīng)電涌保護器連接到防雷裝置上以減少雷電流引發(fā)的地位差；電涌保護器是用于限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流的電器，其至少包括一個非線性的元件，并且具有適當?shù)倪B接裝置，是一個裝備完整的部件。

防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源的具體建設(shè)內(nèi)容是根據(jù)雷電防護裝置設(shè)計和檢測內(nèi)容，設(shè)計實訓模塊，列出重點、難點，確定需要制作虛擬仿真教學資源的知識點。同時，通過優(yōu)質(zhì)教學資源的有效組合，規(guī)范專業(yè)實訓教學的基本要求，使實訓內(nèi)容與行業(yè)需求相結(jié)合[18]。

防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源具體內(nèi)容見表1。

表1" 防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源建設(shè)內(nèi)容

實訓模塊 實訓重點與難點 虛擬仿真實訓資源 資源建設(shè)要求

接閃器 （1）接閃器類型及敷設(shè)；（2）接閃器規(guī)格及安裝；（3）接閃器固定支架要求；（4）接閃器與保護物間距；（5）接閃器保護范圍 ①接閃器類型和方式仿真；②接閃器敷設(shè)和位置仿真；③接閃器材料和規(guī)格仿真；④接閃器安裝工藝仿真；⑤接閃器固定支架仿真；⑥接閃器網(wǎng)格尺寸仿真；⑦接閃器連接性能仿真；⑧接閃器與保護物間距仿真；⑨防側(cè)擊措施仿真；⑩接閃器保護范圍仿真 1.以一套完整合規(guī)的建筑物雷電防護裝置設(shè)計圖紙為依據(jù)，按照由外部防雷措施到內(nèi)部防雷措施的順序進行學習、實訓和考核

2.涵蓋雷電防護常用規(guī)范和標準，具備自由練習模式和任務(wù)實訓模式

3.通過文字、圖片、視頻能夠模擬雷電防護裝置設(shè)計和檢測具體作業(yè)條件要求，對設(shè)計、檢測過程及步驟進行詳細說明，能夠進行文字和語音引導等

4.將知識考核融入模擬操作過程，在重點環(huán)節(jié)中能夠顯示相應(yīng)的標準規(guī)范內(nèi)容及來源

5.根據(jù)不同雷電防護裝置可以模擬選擇不同材料和規(guī)格

引下線 （1）引下線類型及規(guī)格；（2）引下線安裝工藝；（3）引下線支架及斷接卡；（4）跨步電壓及旁側(cè)閃絡(luò)；（5）引下線數(shù)量及間距 ①引下線類型和敷設(shè)仿真；②引下線材料和規(guī)格仿真；③引下線安裝工藝仿真；④引下線固定支架仿真；⑤引下線斷接卡及保護仿真；⑥防跨步電壓和旁側(cè)閃絡(luò)仿真；⑦引下線與保護物間距仿真；⑧引下線電氣連接仿真；⑨引下線數(shù)量及間距仿真

接地裝置 （1）接地裝置類型及布置；（2）接地裝置材料和規(guī)格；（3）共用接地裝置；（4）接地電阻測量 ①接地裝置類型及布置仿真；②接地裝置材料和規(guī)格仿真；③接地裝置焊接及防腐仿真；④接地裝置間隔距離仿真；⑤共用接地裝置仿真；⑥接地電阻測量仿真

磁屏蔽 （1）磁屏蔽位置

（2）磁屏蔽效果 ①磁屏蔽位置仿真；②磁屏蔽等電位連接性能仿真；③磁屏蔽效果仿真

防雷等電位連接 （1）防雷等電位連接位置及結(jié)構(gòu)。

（2）防雷等電位連接材料和規(guī)格

（3）防雷等電位連接性能 ①防雷等電位連接位置仿真；②防雷等電位連接結(jié)構(gòu)仿真；③防雷等電位連接材料和規(guī)格仿真；④防雷等電位連接工藝仿真；⑤防雷等電位連接性能仿真；⑥防雷等電位接地基準點性能仿真

電涌保護器 （1）電涌保護器布置及參數(shù)

（2）連接導體材料和規(guī)格

（3）電涌保護器級間配合

（4）電涌保護器過流保護 ①電涌保護器布置仿真；②電涌保護器參數(shù)仿真；③連接導體材料和規(guī)格仿真；④電涌保護器連接工藝仿真；⑤防護級數(shù)和級間配合仿真；⑥電涌保護器過流保護仿真；⑦電涌保護器壓敏電壓仿真；⑧電涌保護器泄漏電流仿真；⑨電涌保護器絕緣電阻仿真

防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源的建設(shè)方案是根據(jù)教學內(nèi)容，按照模塊分步制定。具體實施步驟：首先，收集重點、難點的相關(guān)素材（包括各雷電防護裝置的圖紙、圖片和錄像等）；其次，編寫虛擬仿真模型制作腳本（包括雷電防護裝置模型、檢查順序、設(shè)備使用等腳本）；再次，由項目組專業(yè)教師與虛擬仿真專業(yè)技術(shù)人員合作開發(fā)虛擬仿真模型；最后，進行試用、改進、

推廣[19-20]。

防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓資源設(shè)計和建設(shè)中要做好資源分類，做到易查、易選、易用、易操作和易更新，要與防雷技術(shù)和標準規(guī)范的發(fā)展趨勢相結(jié)合。同時，要為學生自主學習和教師授課提供技術(shù)服務(wù)，讓教師帶領(lǐng)學生進行自主學習，將課堂講授內(nèi)容與教學資源庫緊密聯(lián)系，引導學生進行網(wǎng)絡(luò)學習。此外，虛擬仿真實訓資源要做精做細，利用動畫、微課等形式提高資源的使用率，激發(fā)學生學習興趣。

5 結(jié)論

防雷減災(zāi)虛擬仿真實訓教學模式是服務(wù)于教師、學員、企業(yè)、專家和社會的創(chuàng)新性教學方式。虛擬仿真技術(shù)利用計算機軟件模擬防雷減災(zāi)真實工作場景，讓學員在仿真情境中學習探究，直觀體驗實際設(shè)計和檢測過程，對知識和技能的提升具有重要的現(xiàn)實意義。

一方面，虛擬仿真技術(shù)利用三維模型、仿真動畫和分析圖像將防雷減災(zāi)實訓知識以直觀化和形象化的方式呈現(xiàn)，降低課程內(nèi)容難度，調(diào)動學員的學習積極性，轉(zhuǎn)變其學習態(tài)度，促進對防雷減災(zāi)知識的正確理解與應(yīng)用。

另一方面，虛擬仿真技術(shù)便于學員不受時間、空間、材料、設(shè)備等因素限制，進行反復多次實踐訓練。通過循序漸進的訓練，達到雷電防護裝置設(shè)計和檢測的理論與實踐相結(jié)合的教學效果，從而提高教學質(zhì)量，改善防雷減災(zāi)專業(yè)課程的教學現(xiàn)狀。

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收稿日期：2024-07-19

基金項目：河北省職業(yè)教育科學研究“十四五”規(guī)劃“基于虛擬仿真技術(shù)的防雷減災(zāi)職業(yè)技能實訓模式研究”（JZY24369）。

作者簡介：梁景峰（1980—），男，河北保定人，高級工程師，研究方向為防雷減災(zāi)職業(yè)教育培訓。#通信作者：朱旭敏（1986—），女，河北邯鄲人，工程師，研究方向為氣象觀測，E-mail：596010919@qq.com。