VR技術在軌道交通類高職教育教學的研究

張倩菡 李愷

摘 要： 隨著我國對軌道類人才需求量激增，傳統教學手段人才培養效率低下，質量不高等缺陷成為了我國軌道類行業發展的障礙，虛擬現實技術具有良好的用戶體驗，為用戶提供了無時空限制的虛擬環境，為人才培養提供了良好的教學條件，有利于提高高職教育教學質量，提升人才培養效率。

關鍵詞： 虛擬現實;教學設計;交互

1 概述

隨著我國“一帶一路”戰略的提出，我國軌道類行業進入高速發展期，因此，出現了對軌道類人才的“搶購”。社會對軌道類人才需求量大，不僅體現在數量，還從質量上有更高的要求。

然而，由于軌道類設備（列車、機車、接觸網、軌道等）數量多種類繁雜，占地較大，因此軌道類專業大多對實訓場地以及實訓設備要求較高，對教學條件的要求較為苛刻，在我國具有培養軌道類專業的院校數量較少，因此人才培養無法跟上企業需求。

因此解決場地設備問題成為了軌道類專業建設中的關鍵一環，而虛擬現實技術的發展與推廣，為此打開了一扇新的大門。虛擬現實技術，彌補了現今高職院校因場地設備等原因無法提供有效的實訓場所的缺陷，在虛擬世界為學生提供良好的學習環境，讓學生學習擺脫了場地限制，極大地提升了教學效果，增強了學生的學習興趣，提升了教學質量。因而人才培養質量得到提高，同時因應用了虛實融合技術，計算機成為了新式的教師，對提升人才培養數量上奠定了有力支撐。

2 虛擬現實教學系統架構

虛擬現實技術是通過計算機創造一個近乎真實的網絡世界，構建出與真實世界一模一樣的虛擬三維世界，可以是學習者沉浸于其中，帶來觸覺、聽覺以及視覺感官的真實體驗，具有身臨其境之效。學習者在其中可通過鼠標、鍵盤、虛擬手柄、體感等交互方式，在虛擬世界中實現360度觀察、虛擬漫游等操作。軌道交通行業設備大多數較為昂貴且占地面積大，利用虛擬現實技術可以減少購買設備，同時帶來真實的教學體驗感受，可大大降低教學成本，提升教學效果，提升學生學習興趣。虛擬現實技術可通過Unity3D平臺搭建，用戶可通過客戶端對虛擬設備進行操作，具備良好的人機交互性、極強的沉浸感、體驗感，達到完美的模擬真實教學環境的作用。通過Unity3D平臺構建系統框架，系統框架如圖1所示。

構建虛擬現實教學系統可分兩步走：精細化3D模型制作和人機交互模式的搭建。精細化3D模型的制作一般通過計算機輔助設計來完成，現行市場上主流的開發軟件有3DMax、SolidWorks、Pro/E、UG、Maya、Creator等。人機交互模式的搭建一般通過通用軟件開發平臺來實現，如UE、Unity3D、QT等。系統前期開發需要具備一定的軌道交通設備的基礎知識，才能較好的建立3D模型以及相應動畫的制作，在結合材質處理、燈光渲染、動畫設置等模型精細化處理手段，才能建立一套較為完備的精細化3D模型材料。最后通過通用軟件開發平臺如UE、Unity3D、QT等，進行人機交互模式的搭建，包括精細化3D模型的導入、虛擬環境地形設置、用戶角色管理設計、交互界面設計以及場景發布等具體細節。最后通過軟件平臺發布客戶端程序，學習者通過使用客戶端在虛擬世界中即可學習。

2.1 精細化3D模型的制作與導入方法

精細化3D模型的制作有兩種方式：第一種，通過傳統的三維建模軟件設計開發三維模型。這種方式，模型細節突出，建模精度較高，整個模型質量較大，占內存較大，因此對計算機的硬件要求較高，普通電腦無法支持正常運轉。第二種，通過視景建模軟件生成的三維模型，如3Dmax、Maya、Creator等市場上流行的軟件。這種方式，建模精度比之第一種較低，細節方面有些無法顯示，整體質量低，占用內存較小，其模型并不追求精度，因此其單個模型的渲染面片數量與第一種方式相比較少，渲染速度較快，具備良好的用戶體驗性。在實際制作模型中，可兼容兩者一起進行。

2.2 虛擬現實交互手段

虛擬現實交互方式大致分為兩類：傳統桌面式交互方式（鼠標、鍵盤）和自然交互方式（手勢識別、語音交互、眼球跟蹤、體感交互、人腦交互）。前者技術手段成熟，開發難度低，設備成本較低，但是交互方式較為僵化，體驗感不理想。后者依托人的自然感覺為基礎，體驗感較好，交互方式較為自然，但是此項技術較為前沿，因此尚未成熟應用的技術出現，而且依托的設備往往成本較高，不易于推廣。

2.3 虛擬現實教學系統的開發

虛擬現實教學系統開發主要分成三個部分：虛擬場景建模、模型優化處理、虛擬現實引擎制作。其基本流程如圖2所示。

3 實驗驗證

按照本文提出的虛擬現實系統架構，開發出原型系統，利用Solidworks、3dsmax、Photoshop等建模與圖形處理工具;進行虛擬模型的建模過程，同時在3dsmax中完成動畫制作過程，將模型到處為FBX格式。最后將FBX格式模型文件導入到Unity3D中，完成交互設計，實現系統功能。系統的各部分邏輯關系如圖3所示。

4 結論

在軌道交通高速發展期，人才對于行業的發展尤為重要，在我國，軌道交通行業已步入快車道，大量的車輛即將進入維保期，急需大量的車輛維保技能型人才。然而傳統教育手段已然不能滿足行業發展需求，傳統與高科技相結合是教育發展的必然趨勢，現如今已有許多院校及學者開始研究利用多媒體、虛擬現實和計算機技術等先進技術的優勢，依托傳統教育優秀底蘊，借助高效、高質量先進技術為教學輔助手段，提升人才培養質量、提高教育教學效果。本文基于此，借助虛擬現實技術，將VR與傳統教學有機結合，搭建虛擬教學系統，打破了時空障礙，將教學融入整個系統之中，提升學生學習興趣，提升教學體驗，從而提升教學效果，有助于提高對虛擬培訓的認識和了解，同時有利于對技術進一步展開深入研究。

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基金項目： 2018年廣東省高等職業教育教育教學改革研究與實踐項目——基于虛實融合技術的混合教學模式的研究與實踐—以《軌道交通車輛電器檢修與維護》課程為例（編號：GDJG2019317）

作者簡介： 張倩菡（1990—），女，湖南婁底人，碩士，助教，研究方向為職業教育、中外合作辦學。

*通訊作者： 李愷（1990—），男，湖南郴州人，碩士，助教，研究方向為虛擬現實、智能制造。