VR技术在“工务工程”课程教学中的应用构想＊

徐金辉，孙劲松，冯青松

（华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌330013）

2020-02-26，教育部办公厅印发了《2020年教育信息化和网络安全工作要点》文件（教技厅〔2020〕1号）。文件中的重点任务指出，要加强教育信息化，深入实施《教育信息化2.0行动计划》，完善中国网络教育教学体制建设，为高校信息化教育平台提供指导建议[1]。《教育信息化2.0行动计划》指出，要实现教育应用覆盖教师，数字化校园覆盖学校，信息化教学水平和教师能力提高，推动互联网加教育平台建设，发展适用于信息时代新教学模式[2]。如今，在国家教育部的大力推动发展下，VR/AR虚拟现实技术在教育教学领域的探索已初具规模，其中不少技术已经应用在高校铁路维修教育教学课堂中，在铁路维修教学领域，国内各高校学者对信息化背景下的教学创新改革进行了一系列探索性研究[3-6]。

1 VR虚拟现实技术的应用前景

VR虚拟现实技术也叫“沉浸式多媒体”或“计算机模拟现实”，被称为21世纪最具前景的发展学科，作为重点发展的重要技术之一，VR虚拟现实结合了计算机、人工智能和信息工程等多项重要技术[7]。通过计算机搭建平台来模拟真实环境相同的虚拟环境，从视觉、听觉甚至是触觉等多重感官领域去模拟真实场景。还具有交互式能力，能够使体验者身临其境。VR技术的引擎一般有Unity3D和虚幻等，在教学VR领域一般以Unity3D为主，VR虚拟现实开发主要有以下几个步骤：美术制作、模型建立、3D搭建、程序设计等。目前，随着信息化时代的到来，虚拟现实技术逐渐应用于教育、医疗和军事等多个领域，也取得了一定的成果。

随着中国铁路轨道交通事业的高速发展，近些年高速铁路与城市轨道交通的大量建设，运营维护逐渐成为轨道交通的重心，对于铁路工务人才的需求也日益强烈。“工务工程”作为铁道工程的重要课程之一，着重于培养学生实践操作能力，是铁路维修领域的核心技术。借助国家对于VR技术的大力支持，利用VR技术与“工务工程”课程培养相结合，根据以往的教学经验，针对不足之处，着重解决“工务工程”课程实际问题，提出铁路工务人才培养模式的创新改革思路，切实提高学生实践操作能力以适应行业发展下的新需求。

2 “工务工程”课程传统教学存在的问题

随着中国轨道交通事业的迅猛发展以及科技的日益进步，行业对于人才培养的要求也逐步提高，教学培训能否符合行业用人需求也成为我们需要关注的重点。而“工务工程”在课程实践环节往往脱离实际需求，缺乏实践设备，大部分大型实践设备均为模型或图片，无法达到锻炼学生实践能力的目的。教学实践内容更新无法与用人单位实际工作内容同步，脱离实际生产。其次，高校实践试验基地设备较为陈旧，严重制约学生的学习兴趣，降低教学效果，但购买新型实践实训设备需要大量资金，大部分高校对于新设备的购买能力有限。为了解决实践课程存在的问题，一些学校选择将“工务工程”课程实践安排在校外实际生产现场，虽然解决了校内实践设备不足的问题，但也带来其他问题：首先，校外现场实践存在一定风险，由于轨道交通行业工作特殊性，现场实践只能在天窗时间进行，而铁路天窗时间较短，且和地铁一样往往处于夜晚，不利于教学任务的开展。轨道线路作业具有一定风险，学生在没有充足培训下无法保证绝对安全，老师也无法保障每一位学生的安全，所以无法让每位学生都亲自动手实践，只能由老师或者工务人员进行操作演示，虽然保证了学生的安全，但也无法达到培养学生动手实践能力的目的。其次，现场实践很难找到适合进行教学的工务工况，实际轨道结构往往纷繁复杂，维修难度极高，不利于学生对轨道结构和工务维修的理解，不能有效提高学生的实践操作能力。

由此可见，随着轨道交通事业的发展，传统的实践方式已经无法适应行业对于人才培养的需求，“工务工程”课程实践环节亟需改革。目前，VR虚拟现实技术在中国轨道交通实践领域也有所应用。例如，上海铁路局正在研究建立虚拟现实培训平台，对于新入职的员工进行实践操作培训，解决培训实践的时间和地点限制。高校应结合VR技术针对传统“工务工程”实践课程的不足，根据教学需求，创建VR虚拟现实平台，在虚拟现实环境中培养学生的动手能力。

3 VR技术在“工务工程”课程实践中的应用构想

针对传统“工务工程”实践课程的不足之处，按照教学计划安排，立足于工务维修实际工作的内容，结合“工务工程”课程的特点，依托国家虚拟仿真教学实践项目，利用VR虚拟现实技术搭建网络虚拟仿真教学平台，构建“工务工程”实践虚拟模型，开发道岔几何形位检测的虚拟教学系统，学生能够通过电脑、手机或者实验室的VR设备进行访问学习。这样，极大地提高了学生的学习兴趣，使学生更好地掌握实践技能的同时也能保障学生安全。

以“工务工程”实践操作中的高速铁路道岔维修养护为例，针对“工务工程”教学要求，结合高速铁路道岔的养护维修规则，建立高速铁路道岔检测及养护维修虚拟现实平台，主要包括以下几点内容。

3.1 道岔内容与原理的教学

道岔内容与原理的教学主要包括：道岔结构拆解及组装操作演示，道岔结构的介绍，道岔工作原理及工作动态演示，车辆经过道岔时变换轨道及轮轨接触的演示。

3.2 道岔几何形位测量与拨道修正

道岔几何形位测量与拨道修正主要包括：道岔几何形位的检测过程演示及轨检小车的操作演示，拨道工具的介绍以及拨道的操作演示。

3.3 道岔伤损检测与维修养护

道岔伤损检测与维修养护主要包括：轨道结构及钢轨结构伤损检测设备介绍及操作演示，道岔维修设备介绍及操作演示。

学生借助高速铁路道岔检测及养护维修虚拟现实平台，能够在手机或电脑上反复进行实践操作，相比现场实训，在保障学生安全的同时又能极大锻炼学生动手操作能力，这样才能可以有效改善“工务工程”课程教学中的问题。

4 结语

“工务工程”作为一门注重实践操作的基础课程，主要为了培养学生的动手能力，在信息化时代的背景下，着眼于“工务工程”对人才的需求及课程教学要求，针对传统“工务工程”实践教学的不足之处，结合VR虚拟现实技术，建立VR虚拟教学实践平台。学生在虚拟现实中进行操作实践，大大强化了学生对于操作技能的理解与思考，达到预期的教学目的。本文在国家大力推动教育信息化改革的背景下，对于借助VR技术实现“工务工程”实践操作进行了一些构想，进行了教学改革探讨，提出一些改革建议，以期提升学生的工务维修实践能力，为学生在未来的工务维修工作打下坚实的基础。