VR技術在鐵道機車類實訓教學中的探索

白文濤 詹凌峰

摘要：虛擬現實是借助PC端形成交互式動態情景和現實動作的仿真平臺，通過這項技術培養更多具有創造力人才已經成為職業教育中的新生力量。特別是現在把學歷證書和職業技能等級證書結合起來，即“1+X”證書制度，更是讓虛擬現實在技術能力教育發揮出無與倫比的作用。因此本文首次對虛擬現實技術和鐵道機車類實訓教學進行探索，改變傳統的學習形式，培養學生成為創新型人才提出寶貴經驗。

Abstract： Virtual reality is an interactive dynamic scene and real action simulation platform with the help of PC. It has become a new force in vocational education to cultivate more creative talents through this technology. In particular， the combination of academic certificate and vocational skill level certificate， namely "1 + X" certificate system， makes virtual reality play an incomparable role in technical ability education. Therefore， this paper explores the virtual reality technology and railway locomotive training teaching for the first time， changes the traditional learning form， and puts forward valuable experience to cultivate students to become innovative talents.

關鍵詞：虛擬現實;鐵道機車;技術能力;創新型人才

Key words： virtual reality;railway locomotive;technical ability;innovative talents

中圖分類號：G4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0227-02

0? 引言

我校屬于鐵道類專業院校，從事的大部分都是軌道交通類課程教學，特別是鐵道機車類專業，今后對接的就是機車乘務員，屬于技術操作要求能力較高的崗位。同時鐵道機車的課程涉及的學科很廣，有機械大類和電氣大類。因此，培養學生需要有扎實的、高質量的理論知識，還需要學生將所學理論知識應用在實際操作中。這就需要有類似生產一線的設備和環境，讓他們更好的、更快的將所學知識應用在自己的今后的工作中去。但是在學校中我們無法讓每個學生都在畢業之前去機務段實習，這不管對費用、時間和金錢都是極大的浪費。并且由于學生對自己要求的放松和實踐經驗的欠缺，還存在極大的安全隱患。所以實訓課在學校的教學中占了相當大的比重。但是傳統的實訓課會有許多難以解決的麻煩。如：知識點的復雜性，學生無法完全理解所講內容;教學用的實訓設備價格非常高，實訓設備數量少，實訓設備更新換代少，使得設備大大落后于現場;且實訓設備的共享使用率很低，導致教學效率低下。所以虛擬現實應用到我們實訓教學中是最佳的選擇。

1? 虛擬現實（VR）技術在教學中的應用

虛擬現實本質上是綜合利用計算機圖形系統和各種現實及控制等設備，在計算機上生成的、可交互的三維環境中提供沉浸感覺的技術。傳統的人機交互中，是由人去適應計算機，這就削弱了人的主觀能動性，過度強化PC端。而在這個過程中，人們逐漸發現有很多弊端。讓計算機去適應人的發展的想法也就應運而生，這就使得人機交互更加合理化，也更加人性化，這就是虛擬現實技術。

齒輪由于科學技術的飛速發展，虛擬仿真在教學中，特別是在實訓教學中應用越來越廣泛，因為有些理論課，雖然應用到了虛擬現實，但只是舉例加深對知識的理解和應用。而實訓課就是使用虛擬現實，操作現實中的工具，對于教學效果更加理想。同時傳統實訓設備的價格昂貴，有些設備尺寸十分巨大，共享率低，存在安全隱患。2015年，教育部建設了100個國家級虛擬仿真試驗中心，一年之后又增加了200個，未來四年內又計劃增加1000項。西安理工大學建設工程實踐虛擬仿真教學中心;西北大學建設文化遺產數字化保護虛擬仿真實驗教學中心;西安郵電大學建設信息通信技術虛擬仿真實驗教學中心;西安科技大學建設礦山建設工程虛擬仿真實驗教學中心。這些仿真平臺的建立在教學方面取得了良好的教學效果。所以在中職和高職這種更偏向于實際操作的技能類課程，應用虛擬現實技術是一個有著巨大潛力的方向。

虛擬現實技術與學校實訓課程的結合需要因地制宜，在課中需要保障虛擬現實的真實性、交互性和實訓的性質。教師先總體講解這節課的主要內容和重難點，學生以老師講述內容為綱，以課本知識為領，結合自己在虛擬現實中的所見和操作，完成實訓課程的內容，達到實訓的基本要求。甚至老師能夠把上課變成一種學生最喜歡的模式，以一種類似于競賽闖關的方式，最大限度的調動學生的內驅力，使學生由被動學習轉化為主動學習。如《電力機車總體》認知實訓，老師先運用三維圖形將轉向架的組成結構及其部件名稱傳授給同學們，然后在10分鐘之內，同學們自己運用虛擬現實設備對照轉向架認清每個結構的名稱和位置。最后各個小組之間每個成員進行PK，將每隊PK隊員進行積分，總分高者獲得勝利。這種在一邊玩，一邊學的過程中，學生能更深刻的掌握所學知識。并且在這個過程中，老師也能夠及時發現在學習過程中的易錯點，及時指出學生的錯誤，防止學生重蹈覆轍。

鐵道機車類課程中使用虛擬現實技術，將枯燥的課堂、死板的知識點轉變為栩栩如生、充滿活力的三維教學，讓所講內容“眼見為實”，加深同學們對基本概念和原理的掌握。甚至我們可以使用虛擬仿真技術將我們整個機務段的作業實現1：1復制，對機務段的結構布置，作業流程，設備操作等實現情景再現，讓學生在學中看，看中學。

2? 傳統教學現存的問題

通過在高職教學的最終目的是培養對口的創造性人才，理論課與實訓課的比例大致為1：1，如此多的實訓課不管是對老師，還是對學生，亦或是對設備都是一個挑戰。對學生來講，現在高職實訓課教學大都是前期完成所有理論課的教學，然后進行整周的實訓，那么就存在一個理論和實訓操作上的時間差，學生無法將所學的知識與實訓操作進行有效結合，無法理解透徹實際原理。實訓場所的空間有限，如機車頭一次教學最多只能容納6個人，那么老師就需要將相同的內容講解七到八遍，并且如果是在夏天，機車頭中的溫度高，教學環境相當惡劣，對學生的學習效果也會大打折扣。以鐵道機車類專業實訓課程為例，總結下來主要存在以下幾個問題：

①鐵道機車類實訓課程教學，班級人數達到50人，屬于大班教學，但是由于實訓設備，也就是機車頭的價格昂貴，尺寸巨大，導致學校無法配置多臺機車頭供教學使用，這就使得實訓設備的共享率非常低下，根本無法開展大規模的實訓教學。

②理論教學與實訓教學存在時間上的遲滯性和空間上的異地性，先上理論后上整周實訓。這種滯后性會讓學生無法將所學知識聯系到自己操作的設備上，讓知識碎片化和單一化。理論課在教室，實訓課在距離較遠的室外實訓場，并且同一門實訓課也存在上課地點的差異，教學設備設置分散，且學生四處奔波，天氣的變化等外在因素也會影響到教學的效果。

③鐵道機車類實訓機車車輛就只有兩臺，一臺電力機車，一臺內燃機車，這兩臺機車車輛常年擺放在室外，隨著時間的推移，里面的一些電器老化和管路損壞，導致原本的實訓項目無法順利實施，而請人專門維修又是一筆非常大的費用。

④實訓設備的年代久遠，與現在投入使用的機車車輛存在巨大的技術差別，這也就導致與現場的設備會有出入，學生走上工作崗位無法以最快的時間融入自己的工作。

⑤隨著科技和網絡的大力融入生活，各種新奇的產品層出不窮，學生也更加偏向于科技含量高的教學設備。

3? 虛擬現實（VR）應用實訓教學的優勢

為了順應時代的發展要求，迎合“1+X”政策制度，將畢業證書與技能等級證書想結合的思想。在高職實訓教學中應用虛擬現實技術已成為一個新的趨勢。那么融合虛擬現實技術的實訓教學將帶來以下改變：

①虛擬現實技術能夠將教材中的知識點，特別是難點內容以畫面的形式置于你的眼前，讓抽象能力薄弱的學生更好理解，與現場設備相差無幾的虛擬場景讓學生完全融入場景，去探索知識，讓學生多方位、全身心的記住每個細節和重難點內容。

②消除了實訓設備的安全隱患，鐵道機車車輛有著高壓電和高度壓縮的空氣，如果操作不當會引起安全事故，特別是在學生還不熟悉操作流程，沒有充分意識到安全隱患，誤操作可能會引起人身安全，嚴重甚至導致生命安全。

③虛擬的實訓設備放置于室內，體積小，重量輕，相比于龐大而昂貴的實際機車車輛更節省金錢、人力、空間，且后期的維護成本非常低，極大的降低了實訓的成本。

④先進的實訓設備也更能牽動學生探索的欲望，增加他們學習的興趣，產生強烈的內驅力，這種學習方式是學習最有效的方法。

⑤可編輯性強，隨著車型的更新換代，虛擬現實只需要在程序上加以更新即可，省去引入新設備的麻煩，同時也能保持實訓教學設備的先進性。對于具體機型的改動也十分便捷。

⑥對于資源庫的建設相對來講更加合理和持久，同時能夠實現資源的共享，將許多存在的問題，優質的資源都能方便快捷共享，實現資源利用的最大化。

4? 結語

今年“疫情”將我們原本線下的工作，硬生生搬到了線上，這從客觀上來講推動了網絡技術進入我們課堂的腳步。相信虛擬現實技術作為一個最前沿的技術在教學中大范圍應用指日可待。將虛擬現實技術與鐵道機車類實訓課程的結合，克服了落后的實訓設備和逐漸增加的教學需求之間的矛盾;緩和了學生對傳統教學失去興趣與復雜交叉的學科知識之間的矛盾;學校資金欠缺與實訓設備更新換代的矛盾;由于特殊原因影響無法上課與不停課之間的矛盾;也順應國家“1+X”政策的理念，培養多方面、全層次的創造性技能人才。

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