VR技術(shù)在“工務(wù)工程”課程教學(xué)中的應(yīng)用構(gòu)想＊

徐金輝，孫勁松，馮青松

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌330013）

2020-02-26，教育部辦公廳印發(fā)了《2020年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》文件（教技廳〔2020〕1號(hào)）。文件中的重點(diǎn)任務(wù)指出，要加強(qiáng)教育信息化，深入實(shí)施《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，完善中國網(wǎng)絡(luò)教育教學(xué)體制建設(shè)，為高校信息化教育平臺(tái)提供指導(dǎo)建議[1]。《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》指出，要實(shí)現(xiàn)教育應(yīng)用覆蓋教師，數(shù)字化校園覆蓋學(xué)校，信息化教學(xué)水平和教師能力提高，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)加教育平臺(tái)建設(shè)，發(fā)展適用于信息時(shí)代新教學(xué)模式[2]。如今，在國家教育部的大力推動(dòng)發(fā)展下，VR/AR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的探索已初具規(guī)模，其中不少技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在高校鐵路維修教育教學(xué)課堂中，在鐵路維修教學(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)各高校學(xué)者對信息化背景下的教學(xué)創(chuàng)新改革進(jìn)行了一系列探索性研究[3-6]。

1 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也叫“沉浸式多媒體”或“計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)”，被稱為21世紀(jì)最具前景的發(fā)展學(xué)科，作為重點(diǎn)發(fā)展的重要技術(shù)之一，VR虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合了計(jì)算機(jī)、人工智能和信息工程等多項(xiàng)重要技術(shù)[7]。通過計(jì)算機(jī)搭建平臺(tái)來模擬真實(shí)環(huán)境相同的虛擬環(huán)境，從視覺、聽覺甚至是觸覺等多重感官領(lǐng)域去模擬真實(shí)場景。還具有交互式能力，能夠使體驗(yàn)者身臨其境。VR技術(shù)的引擎一般有Unity3D和虛幻等，在教學(xué)VR領(lǐng)域一般以Unity3D為主，VR虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)主要有以下幾個(gè)步驟：美術(shù)制作、模型建立、3D搭建、程序設(shè)計(jì)等。目前，隨著信息化時(shí)代的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸應(yīng)用于教育、醫(yī)療和軍事等多個(gè)領(lǐng)域，也取得了一定的成果。

隨著中國鐵路軌道交通事業(yè)的高速發(fā)展，近些年高速鐵路與城市軌道交通的大量建設(shè)，運(yùn)營維護(hù)逐漸成為軌道交通的重心，對于鐵路工務(wù)人才的需求也日益強(qiáng)烈。“工務(wù)工程”作為鐵道工程的重要課程之一，著重于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作能力，是鐵路維修領(lǐng)域的核心技術(shù)。借助國家對于VR技術(shù)的大力支持，利用VR技術(shù)與“工務(wù)工程”課程培養(yǎng)相結(jié)合，根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對不足之處，著重解決“工務(wù)工程”課程實(shí)際問題，提出鐵路工務(wù)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新改革思路，切實(shí)提高學(xué)生實(shí)踐操作能力以適應(yīng)行業(yè)發(fā)展下的新需求。

2 “工務(wù)工程”課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

隨著中國軌道交通事業(yè)的迅猛發(fā)展以及科技的日益進(jìn)步，行業(yè)對于人才培養(yǎng)的要求也逐步提高，教學(xué)培訓(xùn)能否符合行業(yè)用人需求也成為我們需要關(guān)注的重點(diǎn)。而“工務(wù)工程”在課程實(shí)踐環(huán)節(jié)往往脫離實(shí)際需求，缺乏實(shí)踐設(shè)備，大部分大型實(shí)踐設(shè)備均為模型或圖片，無法達(dá)到鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的目的。教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容更新無法與用人單位實(shí)際工作內(nèi)容同步，脫離實(shí)際生產(chǎn)。其次，高校實(shí)踐試驗(yàn)基地設(shè)備較為陳舊，嚴(yán)重制約學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低教學(xué)效果，但購買新型實(shí)踐實(shí)訓(xùn)設(shè)備需要大量資金，大部分高校對于新設(shè)備的購買能力有限。為了解決實(shí)踐課程存在的問題，一些學(xué)校選擇將“工務(wù)工程”課程實(shí)踐安排在校外實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場，雖然解決了校內(nèi)實(shí)踐設(shè)備不足的問題，但也帶來其他問題：首先，校外現(xiàn)場實(shí)踐存在一定風(fēng)險(xiǎn)，由于軌道交通行業(yè)工作特殊性，現(xiàn)場實(shí)踐只能在天窗時(shí)間進(jìn)行，而鐵路天窗時(shí)間較短，且和地鐵一樣往往處于夜晚，不利于教學(xué)任務(wù)的開展。軌道線路作業(yè)具有一定風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生在沒有充足培訓(xùn)下無法保證絕對安全，老師也無法保障每一位學(xué)生的安全，所以無法讓每位學(xué)生都親自動(dòng)手實(shí)踐，只能由老師或者工務(wù)人員進(jìn)行操作演示，雖然保證了學(xué)生的安全，但也無法達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的目的。其次，現(xiàn)場實(shí)踐很難找到適合進(jìn)行教學(xué)的工務(wù)工況，實(shí)際軌道結(jié)構(gòu)往往紛繁復(fù)雜，維修難度極高，不利于學(xué)生對軌道結(jié)構(gòu)和工務(wù)維修的理解，不能有效提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

由此可見，隨著軌道交通事業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)踐方式已經(jīng)無法適應(yīng)行業(yè)對于人才培養(yǎng)的需求，“工務(wù)工程”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)亟需改革。目前，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中國軌道交通實(shí)踐領(lǐng)域也有所應(yīng)用。例如，上海鐵路局正在研究建立虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)平臺(tái)，對于新入職的員工進(jìn)行實(shí)踐操作培訓(xùn)，解決培訓(xùn)實(shí)踐的時(shí)間和地點(diǎn)限制。高校應(yīng)結(jié)合VR技術(shù)針對傳統(tǒng)“工務(wù)工程”實(shí)踐課程的不足，根據(jù)教學(xué)需求，創(chuàng)建VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

3 VR技術(shù)在“工務(wù)工程”課程實(shí)踐中的應(yīng)用構(gòu)想

針對傳統(tǒng)“工務(wù)工程”實(shí)踐課程的不足之處，按照教學(xué)計(jì)劃安排，立足于工務(wù)維修實(shí)際工作的內(nèi)容，結(jié)合“工務(wù)工程”課程的特點(diǎn)，依托國家虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目，利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建“工務(wù)工程”實(shí)踐虛擬模型，開發(fā)道岔幾何形位檢測的虛擬教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生能夠通過電腦、手機(jī)或者實(shí)驗(yàn)室的VR設(shè)備進(jìn)行訪問學(xué)習(xí)。這樣，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握實(shí)踐技能的同時(shí)也能保障學(xué)生安全。

以“工務(wù)工程”實(shí)踐操作中的高速鐵路道岔維修養(yǎng)護(hù)為例，針對“工務(wù)工程”教學(xué)要求，結(jié)合高速鐵路道岔的養(yǎng)護(hù)維修規(guī)則，建立高速鐵路道岔檢測及養(yǎng)護(hù)維修虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

3.1 道岔內(nèi)容與原理的教學(xué)

道岔內(nèi)容與原理的教學(xué)主要包括：道岔結(jié)構(gòu)拆解及組裝操作演示，道岔結(jié)構(gòu)的介紹，道岔工作原理及工作動(dòng)態(tài)演示，車輛經(jīng)過道岔時(shí)變換軌道及輪軌接觸的演示。

3.2 道岔幾何形位測量與撥道修正

道岔幾何形位測量與撥道修正主要包括：道岔幾何形位的檢測過程演示及軌檢小車的操作演示，撥道工具的介紹以及撥道的操作演示。

3.3 道岔傷損檢測與維修養(yǎng)護(hù)

道岔傷損檢測與維修養(yǎng)護(hù)主要包括：軌道結(jié)構(gòu)及鋼軌結(jié)構(gòu)傷損檢測設(shè)備介紹及操作演示，道岔維修設(shè)備介紹及操作演示。

學(xué)生借助高速鐵路道岔檢測及養(yǎng)護(hù)維修虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，能夠在手機(jī)或電腦上反復(fù)進(jìn)行實(shí)踐操作，相比現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)，在保障學(xué)生安全的同時(shí)又能極大鍛煉學(xué)生動(dòng)手操作能力，這樣才能可以有效改善“工務(wù)工程”課程教學(xué)中的問題。

4 結(jié)語

“工務(wù)工程”作為一門注重實(shí)踐操作的基礎(chǔ)課程，主要為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，在信息化時(shí)代的背景下，著眼于“工務(wù)工程”對人才的需求及課程教學(xué)要求，針對傳統(tǒng)“工務(wù)工程”實(shí)踐教學(xué)的不足之處，結(jié)合VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立VR虛擬教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)。學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行操作實(shí)踐，大大強(qiáng)化了學(xué)生對于操作技能的理解與思考，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。本文在國家大力推動(dòng)教育信息化改革的背景下，對于借助VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)“工務(wù)工程”實(shí)踐操作進(jìn)行了一些構(gòu)想，進(jìn)行了教學(xué)改革探討，提出一些改革建議，以期提升學(xué)生的工務(wù)維修實(shí)踐能力，為學(xué)生在未來的工務(wù)維修工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。