淺談VR虛擬仿真系統在軌道交通類專業實訓教學中的應用

鞏芳

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

[關? ? 鍵? ?詞]? VR技術;虛擬仿真;軌道交通類教學改革

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

為了順應社會發展需求，現有的職業院校都認識到了軌道交通類專業實訓教學的重要性，傳統教學模式已經滿足不了現在的需求。特別是現有的軌道專業的實訓課程，因真實設備安裝環境要求高、設備占地面積大、危險系數高及不容易綜合連通等特點，給實訓教學帶來極大困難，對學生的實訓學習和老師的教學都造成困擾。

一、實踐教學存在的問題

（一）實驗設備利用率低

軌道交通類專業院校建設實訓教學基地均耗資巨大，并且因設備成本較高，連通較為復雜，基本都只能滿足一套實訓設備，為了教學安排的便于管理，大多數實訓課都是集中安排，導致學生對實驗設備只能走馬觀花，不僅設備使用不合理，學生實訓課程質量不高，也不利于本專業可持續發展。

（二）學生積極性不高

首先，現有的大多數考試還是以試卷為準，造成學生學習興趣不高;其次，在學習中對設備只能表面觀看、觸碰，不能深層次學習，也提不起學習興趣;最后，學生還沒有走出校門，不能深刻體會到實訓對后期工作的重要性。

（三）創新性、挑戰性不足

傳統實訓課一般是教師介紹實驗目的、實驗方法和實驗步驟、操作方式，交代應注意事項，學生按照實驗指導書完成實驗，獲得數據并處理數據。這種“填鴨式”教學模式無法發揮學生的主觀能動性，無法激起學生的興趣，實驗內容單一，沒有融合到具體材料的整個研究中，無法讓學生思考實驗數據的意義，不利于學生創新思維方法的形成。

（四）行業特色保密性高

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

二、實訓教學改革

根據現有實訓課現狀及存在問題，建議建立虛擬仿真和真實的設備相結合的實訓訓練系統，有效提升學生的認知能力、思考能力、實作能力、創新能力和綜合素質，全面打造學校全方位應用型技能人才培養。

（一）組建VR虛擬仿真和真實設備相結合的實訓系統

1.將現有的實訓建設模式進行改建，打破原有的只有真實設備進行實訓的模式，引入VR虛擬仿真的實訓系統，改善了原有的因設備局限性不便于學生實訓或者是設備使用不合理的現象。利用VR虛擬設備可多套同時安裝的特性，教師機可同步教學的優勢，不局限于實訓的學生人數，大大提高了實訓設備的使用率。

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

3.加入VR虛擬仿真系統可以進行一些極端破壞性試驗，減少了真實器材的損耗，降低了實驗實訓教學成本。

（二）創新多樣化的教學形式

1.將傳統的教學模式進行分解，幫助教師建立新型的教學模式，打破傳統教學模式對教學的束縛、拓寬教學的空間，打破區域性限制，讓學生能夠自主選擇合適的時間、地點、速度來學習。

2.利用“互聯網+”開展網上教學，結合現代學生容易接受新興事物的特點，將學習和考試同步。模擬游戲打怪升級的模式，將實訓課程由淺及深設置。每名學生申請一個獨立賬號，進行該項目的系統學習，每次學習后通過游戲形式進行學習結果驗證，并將每次的結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，將該課程實訓模塊學習完畢，游戲達到最高等級，并將游戲結果作為該課程實訓的考試成績記錄。

3.利用虛擬仿真技術構建一種高度真實的實驗教學環境，使學習者可以真實體驗置身其中的感覺，實現互動實訓教學，最大限度地激發學生探索以及揭開奧秘的能力，開發學生的構建思維。

（三）提升教學效果

1.利用VR虛擬仿真系統打造真實的實訓場景，使實訓過程更逼真、立體，將抽象性的實驗過程形象逼真地展現出來。使師生在教學中可以獲得更多知識內容和想象的教學資源，拓寬學生的知識獲取途徑，實現知識學習的延伸。

2.完成不可能的實驗。例如，復雜性的、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備上無法完成的實驗，都可以利用VR虛擬仿真系統進行，使實訓教學的效果得到全方位的提高。

3.虛實教學實訓系統的有效結合，打造完善的實訓學習模式，將不利于實際教學的部分在虛擬系統上進行，在學生全面掌握后，再在實際設備上進行操作演練，既節省了學生實訓的時間，又提升了實訓效果。

三、實訓系統介紹

（一）特色

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

1.趣味性

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

2.功能全

學生可以觀看、學習實訓設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。操作順序不當或者工具使用錯誤，系統會給出警告，并記錄出錯的步驟，提醒學生避免在實際操作中犯錯。操作步驟細致到一個螺絲或者銷釘，真實還原實際操作細節。實訓過程中，教師還遠程實時監控學生的操作畫面，對實訓過程全面掌控。

3.模式多

系統具有引導學習、自主學習、引導練習、自主練習、模擬考試和考試等多種模式，讓教師的教學更容易，學生的自學更高效。

（二）設備組成

1.教師終端

教師終端設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生進行統一管理，完成對學生狀態的監控、設置故障、下發試卷、查看實訓成績等功能。

2.學生終端

VR實訓室學生端設備由一臺計算機、一臺液晶電視、一副VR眼鏡、兩個操作手柄組成。學生可通過自主練習或教師下發的練習/考試進入虛擬實訓場景，進行實訓設備認知、拆裝、故障處理等實訓。

3.數據庫服務器

系統配置了一臺服務器，作為整個系統的數據中心和存儲中心，同時負責處理數據接口通訊服務。

（三）系統功能

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。系統根據智能電源屏型號、實訓目的、故障位置等不同分類方式建立試卷供學生進行實訓。

（2）練習/考試管理

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

①選擇試卷建立練習/考試;

②可以根據班級快速查找并選擇需要接受練習/考試的學生;

③選擇開始考試后，學生端強制進入對應的考試場景;

④結束考試時，可選擇需要結束考試的對象，應對某些學生的加時需求;

⑤練習/考試結束后，可以快速查看學生的成績詳單。

（3）用戶管理

用戶管理功能可以方便快捷地對教師、學生進行增刪改查的基礎信息管理，并可以提供快速查看學生練習/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生信息;

④教師可以根據班級快速查看學生的練習/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器的學生狀態及練習/考試進度，并對接入的學生終端進行發送考試、強制退出等操作。具體包含以下功能：

①展示接入服務器的學生端信息及用戶名;

②展示每個學生的練習/考試進度及當前得分;

③可以選中某個學生快速建立練習/考試;

④可以控制某個學生強制退出系統。

2.學生終端功能

（1）我的任務

學生登錄后可通過我的任務進入教師下發的練習/考試三維情景，進行有針對性的學習、練習、考試等實訓操作，還可以查看已完成的練習/考試的成績詳情及對應的成績分析。具體包括以下功能：

①展示教師下發的實訓任務，選擇后進入VR實訓界面，加載對應試卷的故障進行實訓練習;

②若收到考試任務，強制進入VR實訓界面，可隨機加載試卷故障，保證每個學生的故障均不一致，防止學生相互抄襲;

③展示已經完成的練習/考試信息，可以查看對應的成績詳情，分析易錯問題點，促進學習改進。

（2）零件庫

對實訓設備的初步認知是做好設備拆裝和故障應急處理的基礎。通過虛擬零件庫中的功能，可實現對實訓設備從整體到細節的認知學習，達到設備認知實訓的目的。系統中的虛擬零件庫將每種設備分解成各種模塊，每種模塊對應部件模型。所有部件的比例、尺寸、材質、顏色均與實物相同，所有部件均可在虛擬環境下360度旋轉、矢量縮放，并能標識出各個部件名稱。

主要包含以下功能：

①根據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實訓設備的組成結構一目了然。

（3）作業指導書

系統提供實訓設備系統對應的基礎實訓指導手冊，主要包括以下功能：

①最新完整的設備作業指導書;

②完善的分類，為學生提供快速查閱學習資料的途徑。

四、結語

隨著VR技術的日趨成熟、逐漸普及，在VR技術上構建的虛擬教學發展是勢在必行的，以實為主、以虛為主或虛實結合及虛擬化程度如何可以依據現實條件而定，從而將虛擬仿真和真實的實訓設備真正結合起來，真正實現以學生為主體的實驗教學活動，在實訓中培養學生的實踐能力與創新精神。將虛擬仿真系統與現代的軌道交通行業的飛速發展相結合，尤其是在大數據和人工智能迅速發展的背景下，虛擬仿真實驗教學在軌道交通類實踐教學中必將發揮更大的作用，既可以為企業培養更實用的技能型應用人才，又能為VR虛擬仿真系統的研發拓展更廣闊的空間。

編輯 馬燕萍