淺談VR虛擬仿真系統(tǒng)在軌道交通類專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

鞏芳

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展， 各種由計算機衍生的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中，VR的仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是計算機技術(shù)發(fā)展的重要表現(xiàn)之一。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，作為教學(xué)工具教育領(lǐng)域也正在大范圍使用。但因為軌道交通類行業(yè)的特殊性和機密性，VR虛擬仿真技術(shù)并沒有在軌道行業(yè)的課程中廣泛運用。結(jié)合軌道交通專業(yè)的行業(yè)特色，特別是實訓(xùn)教學(xué)的需求，更需要VR虛擬仿真技術(shù)的接入，將傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)模式和新的信息技術(shù)有效融合，不論是對軌道交通類專業(yè)的發(fā)展，還是對計算機應(yīng)用領(lǐng)域的拓展都有重要的意義。主要探討如何將VR技術(shù)的仿真虛擬教學(xué)資源運用到軌道交通類專業(yè)開展實訓(xùn)教學(xué)。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? VR技術(shù);虛擬仿真;軌道交通類教學(xué)改革

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）33-0146-02

為了順應(yīng)社會發(fā)展需求，現(xiàn)有的職業(yè)院校都認(rèn)識到了軌道交通類專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)的重要性，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在的需求。特別是現(xiàn)有的軌道專業(yè)的實訓(xùn)課程，因真實設(shè)備安裝環(huán)境要求高、設(shè)備占地面積大、危險系數(shù)高及不容易綜合連通等特點，給實訓(xùn)教學(xué)帶來極大困難，對學(xué)生的實訓(xùn)學(xué)習(xí)和老師的教學(xué)都造成困擾。

一、實踐教學(xué)存在的問題

（一）實驗設(shè)備利用率低

軌道交通類專業(yè)院校建設(shè)實訓(xùn)教學(xué)基地均耗資巨大，并且因設(shè)備成本較高，連通較為復(fù)雜，基本都只能滿足一套實訓(xùn)設(shè)備，為了教學(xué)安排的便于管理，大多數(shù)實訓(xùn)課都是集中安排，導(dǎo)致學(xué)生對實驗設(shè)備只能走馬觀花，不僅設(shè)備使用不合理，學(xué)生實訓(xùn)課程質(zhì)量不高，也不利于本專業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

（二）學(xué)生積極性不高

首先，現(xiàn)有的大多數(shù)考試還是以試卷為準(zhǔn)，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高;其次，在學(xué)習(xí)中對設(shè)備只能表面觀看、觸碰，不能深層次學(xué)習(xí)，也提不起學(xué)習(xí)興趣;最后，學(xué)生還沒有走出校門，不能深刻體會到實訓(xùn)對后期工作的重要性。

（三）創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性不足

傳統(tǒng)實訓(xùn)課一般是教師介紹實驗?zāi)康?、實驗方法和實驗步驟、操作方式，交代應(yīng)注意事項，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書完成實驗，獲得數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)。這種“填鴨式”教學(xué)模式無法發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，無法激起學(xué)生的興趣，實驗內(nèi)容單一，沒有融合到具體材料的整個研究中，無法讓學(xué)生思考實驗數(shù)據(jù)的意義，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維方法的形成。

（四）行業(yè)特色保密性高

現(xiàn)場正在使用中的軌道設(shè)備屬于機密部門管理，有技術(shù)保密要求，一般情況不對外開放，即使見著的設(shè)備也因為正在使用中不能碰，同樣對設(shè)備性能狀態(tài)不清楚也不敢碰，但設(shè)備一旦出現(xiàn)問題又影響特別大，所以對實訓(xùn)只能紙上談兵，學(xué)生只能畫餅解渴，不便于理解和掌握。

二、實訓(xùn)教學(xué)改革

根據(jù)現(xiàn)有實訓(xùn)課現(xiàn)狀及存在問題，建議建立虛擬仿真和真實的設(shè)備相結(jié)合的實訓(xùn)訓(xùn)練系統(tǒng)，有效提升學(xué)生的認(rèn)知能力、思考能力、實作能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，全面打造學(xué)校全方位應(yīng)用型技能人才培養(yǎng)。

（一）組建VR虛擬仿真和真實設(shè)備相結(jié)合的實訓(xùn)系統(tǒng)

1.將現(xiàn)有的實訓(xùn)建設(shè)模式進(jìn)行改建，打破原有的只有真實設(shè)備進(jìn)行實訓(xùn)的模式，引入VR虛擬仿真的實訓(xùn)系統(tǒng)，改善了原有的因設(shè)備局限性不便于學(xué)生實訓(xùn)或者是設(shè)備使用不合理的現(xiàn)象。利用VR虛擬設(shè)備可多套同時安裝的特性，教師機可同步教學(xué)的優(yōu)勢，不局限于實訓(xùn)的學(xué)生人數(shù)，大大提高了實訓(xùn)設(shè)備的使用率。

2.因虛擬設(shè)備的加入，避免了實訓(xùn)課程中的安全危險性，增加了學(xué)生的動手機會，提高了學(xué)生的實際操作能力，更大地調(diào)動了學(xué)生課堂的積極性。

3.加入VR虛擬仿真系統(tǒng)可以進(jìn)行一些極端破壞性試驗，減少了真實器材的損耗，降低了實驗實訓(xùn)教學(xué)成本。

（二）創(chuàng)新多樣化的教學(xué)形式

1.將傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行分解，幫助教師建立新型的教學(xué)模式，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式對教學(xué)的束縛、拓寬教學(xué)的空間，打破區(qū)域性限制，讓學(xué)生能夠自主選擇合適的時間、地點、速度來學(xué)習(xí)。

2.利用“互聯(lián)網(wǎng)+”開展網(wǎng)上教學(xué)，結(jié)合現(xiàn)代學(xué)生容易接受新興事物的特點，將學(xué)習(xí)和考試同步。模擬游戲打怪升級的模式，將實訓(xùn)課程由淺及深設(shè)置。每名學(xué)生申請一個獨立賬號，進(jìn)行該項目的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，每次學(xué)習(xí)后通過游戲形式進(jìn)行學(xué)習(xí)結(jié)果驗證，并將每次的結(jié)果作為一個模塊的考試成績。每完成一個模塊，晉升一個等級，將該課程實訓(xùn)模塊學(xué)習(xí)完畢，游戲達(dá)到最高等級，并將游戲結(jié)果作為該課程實訓(xùn)的考試成績記錄。

3.利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建一種高度真實的實驗教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者可以真實體驗置身其中的感覺，實現(xiàn)互動實訓(xùn)教學(xué)，最大限度地激發(fā)學(xué)生探索以及揭開奧秘的能力，開發(fā)學(xué)生的構(gòu)建思維。

（三）提升教學(xué)效果

1.利用VR虛擬仿真系統(tǒng)打造真實的實訓(xùn)場景，使實訓(xùn)過程更逼真、立體，將抽象性的實驗過程形象逼真地展現(xiàn)出來。使師生在教學(xué)中可以獲得更多知識內(nèi)容和想象的教學(xué)資源，拓寬學(xué)生的知識獲取途徑，實現(xiàn)知識學(xué)習(xí)的延伸。

2.完成不可能的實驗。例如，復(fù)雜性的、危險性高的、極端破壞性的、周期長的、無法控制的以及在真實設(shè)備上無法完成的實驗，都可以利用VR虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行，使實訓(xùn)教學(xué)的效果得到全方位的提高。

3.虛實教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)的有效結(jié)合，打造完善的實訓(xùn)學(xué)習(xí)模式，將不利于實際教學(xué)的部分在虛擬系統(tǒng)上進(jìn)行，在學(xué)生全面掌握后，再在實際設(shè)備上進(jìn)行操作演練，既節(jié)省了學(xué)生實訓(xùn)的時間，又提升了實訓(xùn)效果。

三、實訓(xùn)系統(tǒng)介紹

（一）特色

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的第一人稱視角進(jìn)行學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試操作，2K分辨率畫質(zhì)清晰逼真，90FPS刷新率使操作靈動流暢。采用1∶1比例構(gòu)建設(shè)備模型，采用高保真色彩真實地還原設(shè)備原貌。具備豐富操作反饋的雙操作手柄和卓越的空間定位儀器，現(xiàn)實動作與虛擬場景中的操作實時映射。采用優(yōu)秀的游戲商業(yè)引擎，構(gòu)建次世代光影效果，超現(xiàn)實的視覺沉浸感，讓人流連忘返。

1.趣味性

豐富的音效、動畫及仿真任務(wù)配合演示讓學(xué)習(xí)過程猶如看科幻大片。各個拆裝步驟猶如游戲關(guān)卡，拆裝的練習(xí)和考核過程實時打分，猶如游戲闖關(guān)升級。全程仿真人物動畫的講解及互動，讓實訓(xùn)過程生動有趣。

2.功能全

學(xué)生可以觀看、學(xué)習(xí)實訓(xùn)設(shè)備部件的拆解流程及所需的裝備、工具、注意事項等，并且可以參與其中，做模擬拆裝。操作順序不當(dāng)或者工具使用錯誤，系統(tǒng)會給出警告，并記錄出錯的步驟，提醒學(xué)生避免在實際操作中犯錯。操作步驟細(xì)致到一個螺絲或者銷釘，真實還原實際操作細(xì)節(jié)。實訓(xùn)過程中，教師還遠(yuǎn)程實時監(jiān)控學(xué)生的操作畫面，對實訓(xùn)過程全面掌控。

3.模式多

系統(tǒng)具有引導(dǎo)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、引導(dǎo)練習(xí)、自主練習(xí)、模擬考試和考試等多種模式，讓教師的教學(xué)更容易，學(xué)生的自學(xué)更高效。

（二）設(shè)備組成

1.教師終端

教師終端設(shè)備由一臺計算機和一臺顯示器組成。教師可通過教師端對所有上課學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一管理，完成對學(xué)生狀態(tài)的監(jiān)控、設(shè)置故障、下發(fā)試卷、查看實訓(xùn)成績等功能。

2.學(xué)生終端

VR實訓(xùn)室學(xué)生端設(shè)備由一臺計算機、一臺液晶電視、一副VR眼鏡、兩個操作手柄組成。學(xué)生可通過自主練習(xí)或教師下發(fā)的練習(xí)/考試進(jìn)入虛擬實訓(xùn)場景，進(jìn)行實訓(xùn)設(shè)備認(rèn)知、拆裝、故障處理等實訓(xùn)。

3.數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

系統(tǒng)配置了一臺服務(wù)器，作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和存儲中心，同時負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)接口通訊服務(wù)。

（三）系統(tǒng)功能

1.教師終端功能

（1）試卷管理

試卷管理可以為教師建立試卷提供方便快捷的方式。系統(tǒng)根據(jù)智能電源屏型號、實訓(xùn)目的、故障位置等不同分類方式建立試卷供學(xué)生進(jìn)行實訓(xùn)。

（2）練習(xí)/考試管理

練習(xí)/考試是教育中的重要環(huán)節(jié)，目的一是為了考查學(xué)生的知識掌握情況，二是為教師提供教學(xué)分析的依據(jù)。練習(xí)/考試管理可直接在教師端選擇/建立試卷并方便快捷地發(fā)送給目標(biāo)學(xué)生，提高了練習(xí)/考試的效率，并可以實時監(jiān)控學(xué)生的成績。具體包含以下功能：

①選擇試卷建立練習(xí)/考試;

②可以根據(jù)班級快速查找并選擇需要接受練習(xí)/考試的學(xué)生;

③選擇開始考試后，學(xué)生端強制進(jìn)入對應(yīng)的考試場景;

④結(jié)束考試時，可選擇需要結(jié)束考試的對象，應(yīng)對某些學(xué)生的加時需求;

⑤練習(xí)/考試結(jié)束后，可以快速查看學(xué)生的成績詳單。

（3）用戶管理

用戶管理功能可以方便快捷地對教師、學(xué)生進(jìn)行增刪改查的基礎(chǔ)信息管理，并可以提供快速查看學(xué)生練習(xí)/考試成績的功能。具體包含以下功能：

①管理員能建立班級、單位等組織信息;

②管理員能建立組織下的教師信息;

③教師可以通過批量新增的方式快速建立班級的學(xué)生信息;

④教師可以根據(jù)班級快速查看學(xué)生的練習(xí)/考試詳單。

（4）終端管理

用戶可通過終端管理實時查看接入服務(wù)器的學(xué)生狀態(tài)及練習(xí)/考試進(jìn)度，并對接入的學(xué)生終端進(jìn)行發(fā)送考試、強制退出等操作。具體包含以下功能：

①展示接入服務(wù)器的學(xué)生端信息及用戶名;

②展示每個學(xué)生的練習(xí)/考試進(jìn)度及當(dāng)前得分;

③可以選中某個學(xué)生快速建立練習(xí)/考試;

④可以控制某個學(xué)生強制退出系統(tǒng)。

2.學(xué)生終端功能

（1）我的任務(wù)

學(xué)生登錄后可通過我的任務(wù)進(jìn)入教師下發(fā)的練習(xí)/考試三維情景，進(jìn)行有針對性的學(xué)習(xí)、練習(xí)、考試等實訓(xùn)操作，還可以查看已完成的練習(xí)/考試的成績詳情及對應(yīng)的成績分析。具體包括以下功能：

①展示教師下發(fā)的實訓(xùn)任務(wù)，選擇后進(jìn)入VR實訓(xùn)界面，加載對應(yīng)試卷的故障進(jìn)行實訓(xùn)練習(xí);

②若收到考試任務(wù)，強制進(jìn)入VR實訓(xùn)界面，可隨機加載試卷故障，保證每個學(xué)生的故障均不一致，防止學(xué)生相互抄襲;

③展示已經(jīng)完成的練習(xí)/考試信息，可以查看對應(yīng)的成績詳情，分析易錯問題點，促進(jìn)學(xué)習(xí)改進(jìn)。

（2）零件庫

對實訓(xùn)設(shè)備的初步認(rèn)知是做好設(shè)備拆裝和故障應(yīng)急處理的基礎(chǔ)。通過虛擬零件庫中的功能，可實現(xiàn)對實訓(xùn)設(shè)備從整體到細(xì)節(jié)的認(rèn)知學(xué)習(xí)，達(dá)到設(shè)備認(rèn)知實訓(xùn)的目的。系統(tǒng)中的虛擬零件庫將每種設(shè)備分解成各種模塊，每種模塊對應(yīng)部件模型。所有部件的比例、尺寸、材質(zhì)、顏色均與實物相同，所有部件均可在虛擬環(huán)境下360度旋轉(zhuǎn)、矢量縮放，并能標(biāo)識出各個部件名稱。

主要包含以下功能：

①根據(jù)分類快速查詢部件模型;

②所有模型均可以360度觀察，支持放大、縮小、移動、全屏操作;

③實訓(xùn)設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)一目了然。

（3）作業(yè)指導(dǎo)書

系統(tǒng)提供實訓(xùn)設(shè)備系統(tǒng)對應(yīng)的基礎(chǔ)實訓(xùn)指導(dǎo)手冊，主要包括以下功能：

①最新完整的設(shè)備作業(yè)指導(dǎo)書;

②完善的分類，為學(xué)生提供快速查閱學(xué)習(xí)資料的途徑。

四、結(jié)語

隨著VR技術(shù)的日趨成熟、逐漸普及，在VR技術(shù)上構(gòu)建的虛擬教學(xué)發(fā)展是勢在必行的，以實為主、以虛為主或虛實結(jié)合及虛擬化程度如何可以依據(jù)現(xiàn)實條件而定，從而將虛擬仿真和真實的實訓(xùn)設(shè)備真正結(jié)合起來，真正實現(xiàn)以學(xué)生為主體的實驗教學(xué)活動，在實訓(xùn)中培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新精神。將虛擬仿真系統(tǒng)與現(xiàn)代的軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展相結(jié)合，尤其是在大數(shù)據(jù)和人工智能迅速發(fā)展的背景下，虛擬仿真實驗教學(xué)在軌道交通類實踐教學(xué)中必將發(fā)揮更大的作用，既可以為企業(yè)培養(yǎng)更實用的技能型應(yīng)用人才，又能為VR虛擬仿真系統(tǒng)的研發(fā)拓展更廣闊的空間。

編輯 馬燕萍