虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城軌車輛技術(shù)課程信息化建設(shè)中的應(yīng)用

魏 巍

(北京勞動保障職業(yè)學(xué)院，北京 100029)

1 前言

2019年初，國務(wù)院正式印發(fā)《國家職業(yè)教育改革實施方案》(俗稱“職教20條”)，吹響了現(xiàn)代職業(yè)教育改革的嘹亮號角。職業(yè)教育領(lǐng)域的各個方面正在與信息技術(shù)發(fā)生深度融合，新一代信息技術(shù)應(yīng)用已成為教育教學(xué)的基本元素之一，新的課程形態(tài)正在建立，新的學(xué)習(xí)生態(tài)正在形成。課程形態(tài)和教學(xué)模式由傳統(tǒng)的常規(guī)課堂面授，逐步向線上/線下結(jié)合、多媒體全息資源、跨地域全時域共享的方向迅速發(fā)展?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等信息時代新技術(shù)使創(chuàng)新多種教學(xué)模式，面向不同學(xué)習(xí)對象，支持多點學(xué)習(xí)終端的“教與學(xué)”成為可能。

根據(jù)學(xué)院2017～2020年專業(yè)改革與發(fā)展規(guī)劃及特高校建設(shè)的改革需要，并結(jié)合北京城市軌道交通發(fā)展趨勢和我院城市軌道交通機電技術(shù)專業(yè)建設(shè)的具體情況，依托市級財政專項的資金支持，于2019年正式啟動了城軌車輛技術(shù)課程的信息化建設(shè)項目，嘗試借助虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)開發(fā)出一系列針對城市軌道交通車輛檢修工作現(xiàn)場的，以交互式、體驗式教學(xué)場景和三維動畫模擬為特色載體的教學(xué)資源庫。

始于2020年初的新冠疫情全球性多點爆發(fā)，使國際、國內(nèi)高等職業(yè)教育模式面臨前所未有的新挑戰(zhàn)。筆者也試圖在此次城軌車輛技術(shù)課程信息化建設(shè)項目的執(zhí)行過程中探索疫情防控常態(tài)化背景下的工科實訓(xùn)教學(xué)的新路徑和新方法。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實技術(shù)始創(chuàng)于20世紀(jì)90年代的美國，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術(shù)，又稱靈境技術(shù)。借助計算機仿真生成基于實時動態(tài)三維數(shù)字模型的，以視覺感受為主，包括聽覺、觸覺等多種的動態(tài)感知的人工虛擬環(huán)境，給人一種“身臨其境”的感覺。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要特征包括：浸沒感、交互性和構(gòu)想性。這3個特性的英文單詞首字母均為I，所以通常被統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的“3I”特性。

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要分為四大類：①桌面級的虛擬現(xiàn)實；②投入的虛擬現(xiàn)實；③增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實；④分布式虛擬現(xiàn)實。本文所涉及的城軌車輛技術(shù)課程信息化建設(shè)項目擬采用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)以桌面級虛擬現(xiàn)實技術(shù)和投入式虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主。

3 城軌車輛技術(shù)系列課程建設(shè)的現(xiàn)狀

我院的城市安全與應(yīng)急管理系的“城市軌道交通機電技術(shù)”專業(yè)開設(shè)的城軌車輛技術(shù)系列課程主要包括：“城市軌道交通車輛”課程，是2012年我院教師和香港地鐵、北京地鐵專業(yè)技術(shù)人員一起開發(fā)的8門專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，48課時，是面向全專業(yè)學(xué)生必修的通識性教育課程；“電動列車部件檢修”課程，是針對地鐵行業(yè)城軌電動列車檢修工及城軌電動列車駕駛員方向的崗位需求開發(fā)的專業(yè)方向課程，108課時，主要供大三畢業(yè)年級學(xué)生根據(jù)就業(yè)方向和需求自主選修。

上述兩門課程開發(fā)的教學(xué)內(nèi)容均與工作內(nèi)容、崗位需求高度契合，如地鐵駕駛員崗位的教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于懂原理，會操作；而城軌電動列車檢修工除了懂原理，會操作外，還要進行維護、維修操作；對于城市軌道交通機電技術(shù)專業(yè)的其他就業(yè)崗位，也有必要對城市軌道交通車輛有較全面的基礎(chǔ)認(rèn)知。

目前，城軌車輛技術(shù)系列課程所使用的教學(xué)資源主要是教學(xué)課件和電動列車部件檢修實訓(xùn)室設(shè)備等。課件中除了文字外，主要包括少量的地鐵企業(yè)工作現(xiàn)場及車輛、設(shè)備的圖片，可用的視頻資料匱乏。相對而言，教學(xué)資源的形式比較單調(diào)，電動列車部件檢修實訓(xùn)設(shè)備體量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之部分實訓(xùn)人員安全的顧慮，實訓(xùn)室相當(dāng)部分的零部件都只能看，不能拆。無法滿足城軌車輛技術(shù)課程教學(xué)對于整個地鐵車輛的結(jié)構(gòu)、城市軌道交通車輛各子系統(tǒng)的組成、各系統(tǒng)間復(fù)雜的聯(lián)動連鎖控制關(guān)系、控制邏輯及控制流程、地鐵車輛段工作流程、車輛檢修工藝規(guī)范等比較抽象的課程知識和實操訓(xùn)練的重難點突破。希望通過本課程信息化建設(shè)項目實施，豐富升級后的“城軌車輛技術(shù)”系列課程的教學(xué)資源，實現(xiàn)課程教學(xué)的全面信息化。

通過城軌車輛技術(shù)課程信息化建設(shè)項目的前期調(diào)研與論證，初步確立了該項目設(shè)計與實施的4個基本原則：①發(fā)揮校企合作的優(yōu)勢，與北京地鐵、京港地鐵等企業(yè)緊密協(xié)作，在項目前期調(diào)研、招投標(biāo)、項目實施等不同階段聽取企業(yè)技術(shù)人員的寶貴意見；②盡量采用相對成熟的信息化技術(shù)手段，提高軟件開發(fā)的成功率，縮短項目研發(fā)周期；③課程資源開發(fā)的原始素材均應(yīng)從地鐵運營一線或生產(chǎn)廠家獲得，使課程資源開發(fā)成果與企業(yè)實際高度契合；④項目涉及的設(shè)計工具和軟硬件配置應(yīng)考慮與學(xué)院現(xiàn)有局域網(wǎng)或VR類教學(xué)設(shè)備相兼容。

4 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建交互式教學(xué)環(huán)境和場景資源

城軌車輛技術(shù)課程信息化建設(shè)項目由五大模塊構(gòu)成：系列精品教學(xué)課件開發(fā)；虛擬仿真交互式教學(xué)環(huán)境開發(fā)；系列微課開發(fā)；課程試題庫開發(fā)；典型案例資源開發(fā)。其中，虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)得到了大量的應(yīng)用，全面提升了課程信息化建設(shè)項目的建設(shè)質(zhì)量和教學(xué)效果。

虛擬仿真交互式教學(xué)環(huán)境開發(fā)是整個課程信息化建設(shè)項目的重點，采用solidworkes三維建模技術(shù)、composer三維立體動畫場景展示技術(shù)、VR虛擬仿真技術(shù)等開發(fā)，實現(xiàn)了全新的信息化課程教學(xué)環(huán)境與資源拓展。開發(fā)內(nèi)容包括：

(1)地鐵檢修中心(車輛段)三維立體教學(xué)模型開發(fā)(1套);

(2)車體模塊化生產(chǎn)流程三維立體教學(xué)模型開發(fā)(1套);

(3)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)組成(總裝爆炸圖)三維立體教學(xué)模型開發(fā)(1套);

(4)牽引電機拆裝流程訓(xùn)練交互式VR教學(xué)模型開發(fā)(1套);

(5)VR虛擬現(xiàn)實交互式、體驗式教學(xué)場景(日檢)開發(fā)(1套);

(6)VR虛擬現(xiàn)實交互式、體驗式教學(xué)場景(列檢)開發(fā)(1套);

(7)城軌車輛客室內(nèi)氣流分布三維立體動畫場景開發(fā)(1套);

……

其中，軌道交通地鐵檢修中心(車輛段)教學(xué)場景及車輛車體、走行部、連接部、驅(qū)動部、制動部等各主要部件教學(xué)模型的建模采用Dassault Systemes S.A公司的solidworks軟件開發(fā)平臺開發(fā)實現(xiàn)，SolidWorks 2016 *64 Edition開發(fā)環(huán)境如圖1所示。

4.1 三維建模實施步驟

(1)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軌道交通土建結(jié)構(gòu)及設(shè)備系統(tǒng)CAD二維平面圖。

(2)基礎(chǔ)組件設(shè)計，利用已設(shè)計開發(fā)的CAD二維平面圖設(shè)計尺寸，通過SolidWorks集成開發(fā)環(huán)境進行三維模型設(shè)計，繪制主要流程：①草圖繪制；②特征繪制；③材質(zhì)與渲染。

(3)裝配體集成，利用已繪制好的單體SolidWorks組件，進行集成裝配，實現(xiàn)所需的完整模型結(jié)構(gòu)體。

4.2 三維動畫開發(fā)實施步驟

(1)三維模型設(shè)計，利用SolidWorks設(shè)計完成動畫所需全部三維模型，生成.SLDASM裝配體文件。

(2)將三維模型導(dǎo)入到composer集成開發(fā)環(huán)境。

(3)在composer集成開發(fā)環(huán)境內(nèi)逐幀進行動畫設(shè)計開發(fā)。

4.3 交互式教學(xué)環(huán)境和場景搭建

采用Unity 3D集成開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)虛擬場景加載、VR設(shè)備加載、交互開發(fā)及最終產(chǎn)品打包發(fā)布等全過程，此部分開發(fā)涉及前期軌道交通基礎(chǔ)場景、設(shè)備系統(tǒng)的完整建模，配套以Unity3D中進行Visual C#等后臺應(yīng)用程序開發(fā)。Unity 3D集成開發(fā)環(huán)境如圖2所示。

4.4 基于虛擬場景的職業(yè)安全教育考試模塊開發(fā)

城軌車輛技術(shù)課程信息化建設(shè)項目的試題庫開發(fā)模塊，利用分布式DBMS數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸與控制技術(shù)，并結(jié)合手機或無線PAD終端應(yīng)用程序技術(shù)開發(fā)了完整的試題庫。試題庫包含5種題型：選擇題、判斷題、填空題、簡答題、論述題，可實現(xiàn)遠程在線考試的全流程，以全新的信息化手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，以信息化手段督促學(xué)生緊隨教學(xué)進度，完整掌握本課程的學(xué)習(xí)任務(wù)。

借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，該試題庫將擁有一套城市軌道交通地鐵檢修中心(車輛段)工作場景下的安全作業(yè)規(guī)范VR考試模塊。該模塊既可用于安全培訓(xùn)，也可用于安全教育考試。借助VR頭盔等硬件設(shè)備，被測試者將置身于近乎真實的地鐵車輛段工作場景中，接受系統(tǒng)預(yù)設(shè)的安全行為規(guī)范測試。

5 結(jié)語

在城軌車輛技術(shù)課程信息化建設(shè)項目的實施過程中，所有的三維立體教學(xué)場景、主要設(shè)備模型、動畫場景均要求嚴(yán)格按照軌道交通標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場級設(shè)備系統(tǒng)進行開發(fā)；課程所涉及的非仿真三維場景，各類組件、部件、元器件、接線及控制原理也均要求與軌道交通現(xiàn)場級保持一致。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在其中的合理應(yīng)用為實現(xiàn)上述嚴(yán)苛的技術(shù)要求提供了可能性。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)的發(fā)展為軌道交通類職業(yè)培訓(xùn)課程的信息化教學(xué)和課程資源開發(fā)提供了一種全新的技術(shù)手段。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的課程虛擬仿真資源或虛擬實驗室(實訓(xùn)室)未來將成為工科類職業(yè)教育的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。