VR技術(shù)在軌道交通類(lèi)高職教育教學(xué)的研究

張倩菡 李?lèi)?/p>

摘 要： 隨著我國(guó)對(duì)軌道類(lèi)人才需求量激增，傳統(tǒng)教學(xué)手段人才培養(yǎng)效率低下，質(zhì)量不高等缺陷成為了我國(guó)軌道類(lèi)行業(yè)發(fā)展的障礙，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有良好的用戶(hù)體驗(yàn)，為用戶(hù)提供了無(wú)時(shí)空限制的虛擬環(huán)境，為人才培養(yǎng)提供了良好的教學(xué)條件，有利于提高高職教育教學(xué)質(zhì)量，提升人才培養(yǎng)效率。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí);教學(xué)設(shè)計(jì);交互

1 概述

隨著我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，我國(guó)軌道類(lèi)行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，因此，出現(xiàn)了對(duì)軌道類(lèi)人才的“搶購(gòu)”。社會(huì)對(duì)軌道類(lèi)人才需求量大，不僅體現(xiàn)在數(shù)量，還從質(zhì)量上有更高的要求。

然而，由于軌道類(lèi)設(shè)備（列車(chē)、機(jī)車(chē)、接觸網(wǎng)、軌道等）數(shù)量多種類(lèi)繁雜，占地較大，因此軌道類(lèi)專(zhuān)業(yè)大多對(duì)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地以及實(shí)訓(xùn)設(shè)備要求較高，對(duì)教學(xué)條件的要求較為苛刻，在我國(guó)具有培養(yǎng)軌道類(lèi)專(zhuān)業(yè)的院校數(shù)量較少，因此人才培養(yǎng)無(wú)法跟上企業(yè)需求。

因此解決場(chǎng)地設(shè)備問(wèn)題成為了軌道類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與推廣，為此打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)今高職院校因場(chǎng)地設(shè)備等原因無(wú)法提供有效的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的缺陷，在虛擬世界為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生學(xué)習(xí)擺脫了場(chǎng)地限制，極大地提升了教學(xué)效果，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)質(zhì)量。因而人才培養(yǎng)質(zhì)量得到提高，同時(shí)因應(yīng)用了虛實(shí)融合技術(shù)，計(jì)算機(jī)成為了新式的教師，對(duì)提升人才培養(yǎng)數(shù)量上奠定了有力支撐。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)近乎真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)世界，構(gòu)建出與真實(shí)世界一模一樣的虛擬三維世界，可以是學(xué)習(xí)者沉浸于其中，帶來(lái)觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及視覺(jué)感官的真實(shí)體驗(yàn)，具有身臨其境之效。學(xué)習(xí)者在其中可通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、虛擬手柄、體感等交互方式，在虛擬世界中實(shí)現(xiàn)360度觀察、虛擬漫游等操作。軌道交通行業(yè)設(shè)備大多數(shù)較為昂貴且占地面積大，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以減少購(gòu)買(mǎi)設(shè)備，同時(shí)帶來(lái)真實(shí)的教學(xué)體驗(yàn)感受，可大大降低教學(xué)成本，提升教學(xué)效果，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可通過(guò)Unity3D平臺(tái)搭建，用戶(hù)可通過(guò)客戶(hù)端對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行操作，具備良好的人機(jī)交互性、極強(qiáng)的沉浸感、體驗(yàn)感，達(dá)到完美的模擬真實(shí)教學(xué)環(huán)境的作用。通過(guò)Unity3D平臺(tái)構(gòu)建系統(tǒng)框架，系統(tǒng)框架如圖1所示。

構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)可分兩步走：精細(xì)化3D模型制作和人機(jī)交互模式的搭建。精細(xì)化3D模型的制作一般通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)完成，現(xiàn)行市場(chǎng)上主流的開(kāi)發(fā)軟件有3DMax、SolidWorks、Pro/E、UG、Maya、Creator等。人機(jī)交互模式的搭建一般通過(guò)通用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如UE、Unity3D、QT等。系統(tǒng)前期開(kāi)發(fā)需要具備一定的軌道交通設(shè)備的基礎(chǔ)知識(shí)，才能較好的建立3D模型以及相應(yīng)動(dòng)畫(huà)的制作，在結(jié)合材質(zhì)處理、燈光渲染、動(dòng)畫(huà)設(shè)置等模型精細(xì)化處理手段，才能建立一套較為完備的精細(xì)化3D模型材料。最后通過(guò)通用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)如UE、Unity3D、QT等，進(jìn)行人機(jī)交互模式的搭建，包括精細(xì)化3D模型的導(dǎo)入、虛擬環(huán)境地形設(shè)置、用戶(hù)角色管理設(shè)計(jì)、交互界面設(shè)計(jì)以及場(chǎng)景發(fā)布等具體細(xì)節(jié)。最后通過(guò)軟件平臺(tái)發(fā)布客戶(hù)端程序，學(xué)習(xí)者通過(guò)使用客戶(hù)端在虛擬世界中即可學(xué)習(xí)。

2.1 精細(xì)化3D模型的制作與導(dǎo)入方法

精細(xì)化3D模型的制作有兩種方式：第一種，通過(guò)傳統(tǒng)的三維建模軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)三維模型。這種方式，模型細(xì)節(jié)突出，建模精度較高，整個(gè)模型質(zhì)量較大，占內(nèi)存較大，因此對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求較高，普通電腦無(wú)法支持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。第二種，通過(guò)視景建模軟件生成的三維模型，如3Dmax、Maya、Creator等市場(chǎng)上流行的軟件。這種方式，建模精度比之第一種較低，細(xì)節(jié)方面有些無(wú)法顯示，整體質(zhì)量低，占用內(nèi)存較小，其模型并不追求精度，因此其單個(gè)模型的渲染面片數(shù)量與第一種方式相比較少，渲染速度較快，具備良好的用戶(hù)體驗(yàn)性。在實(shí)際制作模型中，可兼容兩者一起進(jìn)行。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)交互手段

虛擬現(xiàn)實(shí)交互方式大致分為兩類(lèi)：傳統(tǒng)桌面式交互方式（鼠標(biāo)、鍵盤(pán)）和自然交互方式（手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音交互、眼球跟蹤、體感交互、人腦交互）。前者技術(shù)手段成熟，開(kāi)發(fā)難度低，設(shè)備成本較低，但是交互方式較為僵化，體驗(yàn)感不理想。后者依托人的自然感覺(jué)為基礎(chǔ)，體驗(yàn)感較好，交互方式較為自然，但是此項(xiàng)技術(shù)較為前沿，因此尚未成熟應(yīng)用的技術(shù)出現(xiàn)，而且依托的設(shè)備往往成本較高，不易于推廣。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要分成三個(gè)部分：虛擬場(chǎng)景建模、模型優(yōu)化處理、虛擬現(xiàn)實(shí)引擎制作。其基本流程如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照本文提出的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)架構(gòu)，開(kāi)發(fā)出原型系統(tǒng)，利用Solidworks、3dsmax、Photoshop等建模與圖形處理工具;進(jìn)行虛擬模型的建模過(guò)程，同時(shí)在3dsmax中完成動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程，將模型到處為FBX格式。最后將FBX格式模型文件導(dǎo)入到Unity3D中，完成交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的各部分邏輯關(guān)系如圖3所示。

4 結(jié)論

在軌道交通高速發(fā)展期，人才對(duì)于行業(yè)的發(fā)展尤為重要，在我國(guó)，軌道交通行業(yè)已步入快車(chē)道，大量的車(chē)輛即將進(jìn)入維保期，急需大量的車(chē)輛維保技能型人才。然而傳統(tǒng)教育手段已然不能滿(mǎn)足行業(yè)發(fā)展需求，傳統(tǒng)與高科技相結(jié)合是教育發(fā)展的必然趨勢(shì)，現(xiàn)如今已有許多院校及學(xué)者開(kāi)始研究利用多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，依托傳統(tǒng)教育優(yōu)秀底蘊(yùn)，借助高效、高質(zhì)量先進(jìn)技術(shù)為教學(xué)輔助手段，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量、提高教育教學(xué)效果。本文基于此，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將VR與傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，搭建虛擬教學(xué)系統(tǒng)，打破了時(shí)空障礙，將教學(xué)融入整個(gè)系統(tǒng)之中，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)體驗(yàn)，從而提升教學(xué)效果，有助于提高對(duì)虛擬培訓(xùn)的認(rèn)識(shí)和了解，同時(shí)有利于對(duì)技術(shù)進(jìn)一步展開(kāi)深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張學(xué)軍，唐久磊，魏江明.基于Flash3D的中學(xué)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電化教育研宄，2014，35（01）：79-84.

[2]楊雪萍.基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].上海師范大學(xué).

[3]史耕金.虛擬現(xiàn)實(shí)在發(fā)電機(jī)檢修培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真，2017，34（7）：170-173.

[4]陶瑞，朱耀輝，任鴻翔，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶消防培訓(xùn)系統(tǒng)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38（1）：74-78.

[5]黃莉萍，葉文紅，彭薇.基于Unity3D的桌面式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016，36（S2）：125-128.

[6]周玉海.先進(jìn)制造技術(shù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)研究[J].南方職業(yè)教育學(xué)刊，2012，2（2）：23-26.

基金項(xiàng)目： 2018年廣東省高等職業(yè)教育教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目——基于虛實(shí)融合技術(shù)的混合教學(xué)模式的研究與實(shí)踐—以《軌道交通車(chē)輛電器檢修與維護(hù)》課程為例（編號(hào)：GDJG2019317）

作者簡(jiǎn)介： 張倩菡（1990—），女，湖南婁底人，碩士，助教，研究方向?yàn)槁殬I(yè)教育、中外合作辦學(xué)。

*通訊作者： 李?lèi)穑?990—），男，湖南郴州人，碩士，助教，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、智能制造。