基于VR/AR技術(shù)的城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程的優(yōu)化與創(chuàng)新探討＊

蔣亞龍

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

近年來VR/AR技術(shù)發(fā)展迅速，其發(fā)展推動了各行各業(yè)的信息化進(jìn)步，土木工程專業(yè)在中國基建中起到至關(guān)重要的作用，對中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了促進(jìn)作用，在新工科背景下，創(chuàng)新綜合型人才的需求量日益增大，特別在當(dāng)前全國范圍內(nèi)推進(jìn)新工科發(fā)展的環(huán)境下，對人才培養(yǎng)提出了更高的要求[1]，并且隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國已從高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，日前國內(nèi)大中城市的土地資源的利用趨于飽和，城市地下空間資源的開發(fā)利用已成為社會可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，其中以地鐵為代表的地下設(shè)施不僅促進(jìn)了城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，還極大地改善了市民生活條件。

中國一、二線城市陸續(xù)開始大力建設(shè)軌道交通，2020年底中國在軌道交通上的投資已突破了萬億元，中國對軌道交通方面的人才需求量逐年增大，由此，土木工程城市軌道工程方向（以下簡稱為“城軌專業(yè)”）便應(yīng)運(yùn)而生，“認(rèn)識實(shí)習(xí)”是工科學(xué)生了解自身專業(yè)的第一門必修課，“認(rèn)識實(shí)習(xí)”是通過前往與專業(yè)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對自身所學(xué)專業(yè)有一個初步認(rèn)識，為后續(xù)更深入的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)，也是提升學(xué)生專業(yè)能力的一種重要方式[2-4]。本文結(jié)合當(dāng)前中國對城軌領(lǐng)域的需求，以華東交通大學(xué)城軌專業(yè)為依托背景，就完善認(rèn)識學(xué)習(xí)課程體系、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)以及加強(qiáng)創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)方面，為培養(yǎng)城軌專業(yè)創(chuàng)新型人才獻(xiàn)計獻(xiàn)策。

1 城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程教學(xué)存在的問題

在高度信息化的21世紀(jì)，新興產(chǎn)業(yè)迫切需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具有國際競爭力的“全能型人才”，當(dāng)然在整個土木建筑行業(yè)也是需要不斷地引進(jìn)新技術(shù)、注入新血液，目前開設(shè)城軌專業(yè)的高校并不算多，主要以土木工程專業(yè)強(qiáng)?；蛘叱擒夘愄厣盒橹?，尤其是對于軌道類特色院校的教師來說，要勇于承擔(dān)專業(yè)發(fā)展的重任，在新形勢新時代的大背景不斷創(chuàng)新，積極探索新教學(xué)方式。目前傳統(tǒng)城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程教學(xué)主要是以任課教師授課講解和現(xiàn)場實(shí)習(xí)參觀2部分構(gòu)成，存在的不足具體如下。

1.1 傳統(tǒng)的教學(xué)方法僵化、互動性不強(qiáng)

“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程教學(xué)往往需要一些專業(yè)基礎(chǔ)課程的支撐，當(dāng)然也必須依靠實(shí)際的工程項(xiàng)目，所謂理論結(jié)合實(shí)際并不無道理的，因?yàn)槔碚摽梢灾笇?dǎo)工程實(shí)踐，工程實(shí)踐反過來也可以反映出理論。然而目前大多數(shù)國內(nèi)大學(xué)在教學(xué)活動中主要通過在教室里板書結(jié)合PPT演示的方式，這種教學(xué)方式存在一定的弊端。盡管板書的形式可以清楚地向?qū)W生傳達(dá)知識點(diǎn)，但是會造成一個問題，那就是學(xué)習(xí)過程太枯燥，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率會大大降低，不容易把注意力集中在課堂上；而通過PPT演示的教學(xué)形式一方面無法讓學(xué)生跟上教師在課堂上的進(jìn)度，譬如教師正在演示PPT時，不可能逐字逐句地說，教師有時在時間不足的情況下會快速翻頁，導(dǎo)致學(xué)生錯過了零零散散的知識點(diǎn)，學(xué)生一旦在課堂上跟不上教師上課節(jié)奏，要想提高教學(xué)質(zhì)量只是任課教師的一廂情愿，另一方面教師在PPT中展示的教學(xué)案例一般會長時間使用，少說三五年，PPT課件多年不更新，有時候所展示的是一些老工程，涉及的新技術(shù)、新工藝相對偏少，這不利于培養(yǎng)新時代“復(fù)合型”人才。

1.2 教學(xué)資源有限

不同高校之間的教學(xué)資源存在差距，主要體現(xiàn)在教學(xué)條件和師資力量上，重點(diǎn)院校相比于普通高校擁有更充足的科研經(jīng)費(fèi)，而目前普通高校普遍存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)儀器落后以及教學(xué)設(shè)施不具多樣化[5]的問題，而且普通高校的師資力量遠(yuǎn)不及重點(diǎn)高校，作為高校教師，應(yīng)該認(rèn)真思考如何在有限的資源里將最先進(jìn)的、最優(yōu)質(zhì)的、最符合社會發(fā)展需要的、最有利于學(xué)生發(fā)展的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源運(yùn)用到課堂教學(xué)中。

1.3 課程資源有限

認(rèn)知實(shí)踐是學(xué)生獲得更全面、更豐富的實(shí)際生產(chǎn)知識的最直接途徑，但由于“認(rèn)識實(shí)習(xí)”多以參觀的形式呈現(xiàn)，許多學(xué)校的“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課時一般設(shè)置不多，如果學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中只能停留在課本或視頻層面，收獲是有限的[6]，尤其像城軌專業(yè)的“認(rèn)識實(shí)習(xí)”項(xiàng)目一般是在地下工程中，在施工期間存在較大的安全隱患，不適合大量學(xué)生聚集。該現(xiàn)象會造成“認(rèn)識實(shí)習(xí)”以外部參觀為主，造成學(xué)生在專業(yè)實(shí)踐中缺乏主動性，不善于去發(fā)現(xiàn)問題、提出問題以及解決問題[7]。

2 城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程教學(xué)模式優(yōu)化方法探討

2.1 優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，建立校企合作

隨著高精尖的技術(shù)和設(shè)備出現(xiàn)，土木工程行業(yè)也在逐漸轉(zhuǎn)向智能化，為了匹配快速發(fā)展的趨勢，這便要求要提升實(shí)踐項(xiàng)目水平，及時去跟進(jìn)技術(shù)先進(jìn)的項(xiàng)目，因此建立高校與卓越企業(yè)間的合作關(guān)系是迫切需要的，高校具有科研人才，可為企業(yè)提供一定的技術(shù)服務(wù)，但無法提供大型工程項(xiàng)目的實(shí)習(xí)場地，而當(dāng)高校與企業(yè)建立合作后實(shí)現(xiàn)了互通有無、優(yōu)劣勢互補(bǔ)，學(xué)生可以將自身所學(xué)理論知識與現(xiàn)場實(shí)際聯(lián)系起來，加深對理論知識的理解，同時豐富工程項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在校期間的實(shí)習(xí)時間有限的，利用好這寶貴的實(shí)習(xí)實(shí)踐時間有助于學(xué)生的未來職業(yè)發(fā)展。

2.2 增設(shè)虛擬仿真綜合“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，經(jīng)常把新興技術(shù)作為教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行結(jié)合，新興技術(shù)主要是包括VR技術(shù)和AR技術(shù)，發(fā)展至今VR/AR技術(shù)已經(jīng)融入了很多領(lǐng)域，并且取得了一系列不錯的成績，教學(xué)工作本應(yīng)該是靈活多變的，結(jié)合VR/AR技術(shù)通過將現(xiàn)代化技術(shù)融入“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課堂教學(xué)中，讓課堂教學(xué)不局限于空間和時間的維度，讓學(xué)生在任何時間、任何地點(diǎn)都能獨(dú)立學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)開放式教育，讓課堂學(xué)習(xí)成為實(shí)踐教學(xué)的延伸。

3 基于新興技術(shù)（VR/AR技術(shù)）的“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程教學(xué)新模式探討

目前，土木工程教學(xué)實(shí)踐的傳統(tǒng)教學(xué)方法已不能滿足培養(yǎng)高層次人才的迫切需要。為了更好地激發(fā)學(xué)生對城軌學(xué)科的興趣，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者主動思考、創(chuàng)新制造的能力，有必要改革現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)踐模式，開放實(shí)踐教學(xué)理念，旨在將先進(jìn)的新興技術(shù)融入傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐，而VR/AR技術(shù)是新興技術(shù)的代表，VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境帶給我們的不僅僅是一個工作平臺，很可能會孕育出一種新的教學(xué)模式或教學(xué)手段，盡管目前距離消費(fèi)者們完全接受AR/AR技術(shù)其實(shí)還有很長很艱難的路要走，但這并沒有阻擋科技企業(yè)研發(fā)相關(guān)技術(shù)的步伐。盡管AR/AR領(lǐng)域仍然存在一些關(guān)鍵問題需要解決，但目前部分體驗(yàn)者已投入使用，可以想象到的是，將VR/AR技術(shù)融入城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”教學(xué)實(shí)踐中極有可能會帶來前所未有的體驗(yàn)[8]。

3.1 VR/AR技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)（簡稱“VR”）是一種能夠創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)。虛擬世界是整個虛擬環(huán)境或給定仿真對象的整體，它是由計算機(jī)生成的交互式視覺模擬，通過看、聽、摸等功能，讓用戶身臨其境，即沉浸式體驗(yàn)，因此，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是由計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理和模式識別、多傳感器、語音處理、音視頻、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)組成的大規(guī)模集成環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)相對應(yīng)的就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（簡稱“AR”），AR通過對攝像頭圖像位置和角度的精算以及圖像分析技術(shù)，可以將屏幕上的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界場景進(jìn)行組合和交互。兩者差別在于VR場景完全是虛擬的，而AR在現(xiàn)實(shí)世界中有很強(qiáng)的聯(lián)系。

將VR/AR技術(shù)融入教學(xué)工作可以達(dá)到如下效果：①直接構(gòu)造出三維場景，在學(xué)生上課或者看書過程中通過VR/AR技術(shù)構(gòu)造出三維場景畫面效果，在可視化的環(huán)境下進(jìn)行學(xué)習(xí)會更加形象，學(xué)生可直接在此環(huán)境下物品進(jìn)行互動。②展示難以親眼見到的物品。在城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”主要是參觀地鐵建設(shè)，例如在地鐵隧道施工過程中最具代表性的盾構(gòu)機(jī)是非專業(yè)工作人員難以親眼見到的，當(dāng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的交互時就能使其清晰地出現(xiàn)在學(xué)生眼前，甚至細(xì)部微觀結(jié)構(gòu)也能清楚看到。

3.2 VR/AR技術(shù)在多元化認(rèn)知實(shí)踐教學(xué)實(shí)踐模式中的應(yīng)用

以華東交通大學(xué)城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程實(shí)踐為例，學(xué)校地理位置位于江西南昌，當(dāng)前正處于南昌地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展時期，南昌也正是世界VR大會的主辦地，學(xué)校將以此為契機(jī)，為城軌專業(yè)學(xué)生安排為期1～2 d的地鐵盾構(gòu)隧道認(rèn)知實(shí)踐，旨在讓學(xué)生初步認(rèn)知了解盾構(gòu)隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要施工技術(shù)。但由于隧道施工現(xiàn)場往往存在危險性，且隧道內(nèi)空間有限，僅有一條人行通道，不適合幾十名學(xué)生同時參觀學(xué)習(xí)，大多數(shù)情況下，學(xué)生只能從外面參觀盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，這將導(dǎo)致學(xué)生無法前往隧道內(nèi)部去學(xué)習(xí)參觀，他們只能通過教科書或視頻的方式從側(cè)面學(xué)習(xí)，此類傳統(tǒng)教學(xué)模式主要是向?qū)W生傳遞文字信息以及圖片信息等，無法為學(xué)生帶來三維立體式感受。

為滿足課程更深入的教學(xué)需求，學(xué)校構(gòu)建了如圖1所示的智慧教室，學(xué)校堅持3個標(biāo)準(zhǔn)的辦學(xué)：好用+易用+愛用。近年來，學(xué)校按照國家教育部和省委教育工委的要求，強(qiáng)化學(xué)校內(nèi)涵建設(shè)，嚴(yán)把教育教學(xué)質(zhì)量關(guān)，結(jié)合新興技術(shù)，充分利用現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備優(yōu)化教學(xué)手段，全面推動智慧教室的使用和智慧教學(xué)平臺的應(yīng)用。在課堂中教師可以通過VR/AR技術(shù)為學(xué)生展示無法在現(xiàn)場親歷學(xué)習(xí)的施工工藝，例如地鐵修建常采用的施工方法——盾構(gòu)法，對于城軌專業(yè)學(xué)生來說盾構(gòu)法并不陌生，但欲讓其闡述盾構(gòu)有哪些種類、盾構(gòu)法和TBM的區(qū)別、盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)組成以及盾構(gòu)法施工流程時，還是難以說出所以然。

首先就盾構(gòu)分類，盾構(gòu)可以按照斷面形式（分為單圓、多圓、非圓盾構(gòu)）、開挖直徑（微型、小型、中型、大型、超大型盾構(gòu)）和支護(hù)地層的形式（自然支護(hù)、機(jī)械支護(hù)、泥水支護(hù)、土壓支護(hù)盾構(gòu)）進(jìn)行分類。

接著當(dāng)談及盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造，可分為：①盾構(gòu)殼體，盾構(gòu)殼體又可細(xì)分為切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾；②推進(jìn)系統(tǒng)，主要由均勻分布在支承環(huán)周圍的數(shù)十個千斤頂和相應(yīng)的液壓設(shè)備構(gòu)成，在千斤頂頂推力的作用下實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)的過程；③拼裝設(shè)備，通過高精度的機(jī)械臂使得襯砌管片間的縱向螺栓和環(huán)向螺栓精準(zhǔn)對接，提高管片拼裝質(zhì)量。

最后就是盾構(gòu)法施工流程問題，主要施工工序如下所示：①盾構(gòu)的始發(fā)與到達(dá)。在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)或者到達(dá)時需要對豎井進(jìn)行拼裝和拆除。②盾構(gòu)機(jī)的拼裝。由于盾構(gòu)機(jī)質(zhì)量大，起重設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備難以吊裝或者運(yùn)輸此龐然大物，通常將盾構(gòu)機(jī)拆卸為切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾3部分進(jìn)行配送，將三者逐一安放至墊層上，依次進(jìn)行組裝。③洞口加固。當(dāng)盾構(gòu)在不良地層中掘進(jìn)時必須要在洞口處土體進(jìn)行加固，若土體強(qiáng)度達(dá)不到安全要求，當(dāng)鑿除封口后土體和地下水會快速涌入到豎井內(nèi)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐蓢?yán)重的事故。④盾構(gòu)掘進(jìn)。通過調(diào)整譬如千斤頂頂推力、注漿壓力和泥水壓力（或土倉壓力）等機(jī)器參數(shù)，保證盾構(gòu)機(jī)沿著隧道設(shè)計軸向進(jìn)行掘進(jìn)，并保障開挖過程中掌子面的穩(wěn)定。⑤管片拼裝與注漿。在盾構(gòu)掘進(jìn)后將若干個管片塊拼裝呈環(huán)形，并在盾尾空隙內(nèi)進(jìn)行盾尾注漿，必要時需要進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，以維持在盾構(gòu)開挖后隧道結(jié)構(gòu)頂部地表沉降穩(wěn)定。

在VR/AR技術(shù)的輔助之下，可以讓學(xué)生對盾構(gòu)有哪些種類、盾構(gòu)法和TBM的區(qū)別、盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)組成以及盾構(gòu)法施工流程有一個較為深入的了解，一系列危險復(fù)雜的施工工序以動畫、視頻以及仿真的方式呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，能夠讓城軌專業(yè)學(xué)生更好地理解書本中那些晦澀難懂的專業(yè)名詞，進(jìn)一步擴(kuò)展學(xué)生的知識寬度，加深對具體教學(xué)內(nèi)容的理解。此外，當(dāng)教學(xué)內(nèi)容通過這種新興技術(shù)呈現(xiàn)時極大地增加了學(xué)生視覺震撼感，課程教學(xué)可在智慧教室中以翻轉(zhuǎn)教學(xué)的方式，提高學(xué)生間交互感和參與感，讓每一個學(xué)生均能融入到某些具體工程案例中，因此在未來VR/AR技術(shù)勢必會帶來教學(xué)史上一個重大歷史變革。

4 結(jié)語

城軌專業(yè)是一門十分重視實(shí)踐操練的專業(yè)，華東交通大學(xué)順應(yīng)時代發(fā)展對專業(yè)的培養(yǎng)方案作出小幅度的修訂，在省內(nèi)率先推出智慧教室這一新概念，積極推進(jìn)綜合性人才的培養(yǎng)工作，借助智慧課堂這一平臺，土木建筑學(xué)院將VR/AR技術(shù)引入到城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)用VR/AR技術(shù)的優(yōu)勢在于可以帶來非常好的沉浸感體驗(yàn)，學(xué)生可以在完全虛擬的環(huán)境中體驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐難以帶來的親身經(jīng)歷的內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，“VR/AR技術(shù)+認(rèn)識實(shí)習(xí)”的教學(xué)模式無疑是為城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”課程的優(yōu)化和創(chuàng)新提供新的思路與方法，加快推動了城軌專業(yè)“認(rèn)識實(shí)習(xí)”教學(xué)實(shí)踐的新時代建設(shè)。