浅谈VR虚拟仿真系统在轨道交通类专业实训教学中的应用

巩芳

[摘           要]  随着计算机技术的快速发展， 各种由计算机衍生的技术不断涌现，其中，VR的仿真虚拟现实技术就是计算机技术发展的重要表现之一。随着该技术的不断发展，作为教学工具教育领域也正在大范围使用。但因为轨道交通类行业的特殊性和机密性，VR虚拟仿真技术并没有在轨道行业的课程中广泛运用。结合轨道交通专业的行业特色，特别是实训教学的需求，更需要VR虚拟仿真技术的接入，将传统的实训教学模式和新的信息技术有效融合，不论是对轨道交通类专业的发展，还是对计算机应用领域的拓展都有重要的意义。主要探讨如何将VR技术的仿真虚拟教学资源运用到轨道交通类专业开展实训教学。

[关    键   词]  VR技术;虚拟仿真;轨道交通类教学改革

[中图分类号]  G712               [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2019）33-0146-02

为了顺应社会发展需求，现有的职业院校都认识到了轨道交通类专业实训教学的重要性，传统教学模式已经满足不了现在的需求。特别是现有的轨道专业的实训课程，因真实设备安装环境要求高、设备占地面积大、危险系数高及不容易综合连通等特点，给实训教学带来极大困难，对学生的实训学习和老师的教学都造成困扰。

一、实践教学存在的问题

（一）实验设备利用率低

轨道交通类专业院校建设实训教学基地均耗资巨大，并且因设备成本较高，连通较为复杂，基本都只能满足一套实训设备，为了教学安排的便于管理，大多数实训课都是集中安排，导致学生对实验设备只能走马观花，不仅设备使用不合理，学生实训课程质量不高，也不利于本专业可持续发展。

（二）学生积极性不高

首先，现有的大多数考试还是以试卷为准，造成学生学习兴趣不高;其次，在学习中对设备只能表面观看、触碰，不能深层次学习，也提不起学习兴趣;最后，学生还没有走出校门，不能深刻体会到实训对后期工作的重要性。

（三）创新性、挑战性不足

传统实训课一般是教师介绍实验目的、实验方法和实验步骤、操作方式，交代应注意事项，学生按照实验指导书完成实验，获得数据并处理数据。这种“填鸭式”教学模式无法发挥学生的主观能动性，无法激起学生的兴趣，实验内容单一，没有融合到具体材料的整个研究中，无法让学生思考实验数据的意义，不利于学生创新思维方法的形成。

（四）行业特色保密性高

现场正在使用中的轨道设备属于机密部门管理，有技术保密要求，一般情况不对外开放，即使见着的设备也因为正在使用中不能碰，同样对设备性能状态不清楚也不敢碰，但设备一旦出现问题又影响特别大，所以对实训只能纸上谈兵，学生只能画饼解渴，不便于理解和掌握。

二、实训教学改革

根据现有实训课现状及存在问题，建议建立虚拟仿真和真实的设备相结合的实训训练系统，有效提升学生的认知能力、思考能力、实作能力、创新能力和综合素质，全面打造学校全方位应用型技能人才培养。

（一）组建VR虚拟仿真和真实设备相结合的实训系统

1.将现有的实训建设模式进行改建，打破原有的只有真实设备进行实训的模式，引入VR虚拟仿真的实训系统，改善了原有的因设备局限性不便于学生实训或者是设备使用不合理的现象。利用VR虚拟设备可多套同时安装的特性，教师机可同步教学的优势，不局限于实训的学生人数，大大提高了实训设备的使用率。

2.因虚拟设备的加入，避免了实训课程中的安全危险性，增加了学生的动手机会，提高了学生的实际操作能力，更大地调动了学生课堂的积极性。

3.加入VR虚拟仿真系统可以进行一些极端破坏性试验，减少了真实器材的损耗，降低了实验实训教学成本。

（二）创新多样化的教学形式

1.将传统的教学模式进行分解，帮助教师建立新型的教学模式，打破传统教学模式对教学的束缚、拓宽教学的空间，打破区域性限制，让学生能够自主选择合适的时间、地点、速度来学习。

2.利用“互联网+”开展网上教学，结合现代学生容易接受新兴事物的特点，将学习和考试同步。模拟游戏打怪升级的模式，将实训课程由浅及深设置。每名学生申请一个独立账号，进行该项目的系统学习，每次学习后通过游戏形式进行学习结果验证，并将每次的结果作为一个模块的考试成绩。每完成一个模块，晋升一个等级，将该课程实训模块学习完毕，游戏达到最高等级，并将游戏结果作为该课程实训的考试成绩记录。

3.利用虚拟仿真技术构建一种高度真实的实验教学环境，使学习者可以真实体验置身其中的感觉，实现互动实训教学，最大限度地激发学生探索以及揭开奥秘的能力，开发学生的构建思维。

（三）提升教学效果

1.利用VR虚拟仿真系统打造真实的实训场景，使實训过程更逼真、立体，将抽象性的实验过程形象逼真地展现出来。使师生在教学中可以获得更多知识内容和想象的教学资源，拓宽学生的知识获取途径，实现知识学习的延伸。

2.完成不可能的实验。例如，复杂性的、危险性高的、极端破坏性的、周期长的、无法控制的以及在真实设备上无法完成的实验，都可以利用VR虚拟仿真系统进行，使实训教学的效果得到全方位的提高。

3.虚实教学实训系统的有效结合，打造完善的实训学习模式，将不利于实际教学的部分在虚拟系统上进行，在学生全面掌握后，再在实际设备上进行操作演练，既节省了学生实训的时间，又提升了实训效果。

三、实训系统介绍

（一）特色

采用虚拟现实技术的第一人称视角进行学习、练习和考试操作，2K分辨率画质清晰逼真，90FPS刷新率使操作灵动流畅。采用1∶1比例构建设备模型，采用高保真色彩真实地还原设备原貌。具备丰富操作反馈的双操作手柄和卓越的空间定位仪器，现实动作與虚拟场景中的操作实时映射。采用优秀的游戏商业引擎，构建次世代光影效果，超现实的视觉沉浸感，让人流连忘返。

1.趣味性

丰富的音效、动画及仿真任务配合演示让学习过程犹如看科幻大片。各个拆装步骤犹如游戏关卡，拆装的练习和考核过程实时打分，犹如游戏闯关升级。全程仿真人物动画的讲解及互动，让实训过程生动有趣。

2.功能全

学生可以观看、学习实训设备部件的拆解流程及所需的装备、工具、注意事项等，并且可以参与其中，做模拟拆装。操作顺序不当或者工具使用错误，系统会给出警告，并记录出错的步骤，提醒学生避免在实际操作中犯错。操作步骤细致到一个螺丝或者销钉，真实还原实际操作细节。实训过程中，教师还远程实时监控学生的操作画面，对实训过程全面掌控。

3.模式多

系统具有引导学习、自主学习、引导练习、自主练习、模拟考试和考试等多种模式，让教师的教学更容易，学生的自学更高效。

（二）设备组成

1.教师终端

教师终端设备由一台计算机和一台显示器组成。教师可通过教师端对所有上课学生进行统一管理，完成对学生状态的监控、设置故障、下发试卷、查看实训成绩等功能。

2.学生终端

VR实训室学生端设备由一台计算机、一台液晶电视、一副VR眼镜、两个操作手柄组成。学生可通过自主练习或教师下发的练习/考试进入虚拟实训场景，进行实训设备认知、拆装、故障处理等实训。

3.数据库服务器

系统配置了一台服务器，作为整个系统的数据中心和存储中心，同时负责处理数据接口通讯服务。

（三）系统功能

1.教师终端功能

（1）试卷管理

试卷管理可以为教师建立试卷提供方便快捷的方式。系统根据智能电源屏型号、实训目的、故障位置等不同分类方式建立试卷供学生进行实训。

（2）练习/考试管理

练习/考试是教育中的重要环节，目的一是为了考查学生的知识掌握情况，二是为教师提供教学分析的依据。练习/考试管理可直接在教师端选择/建立试卷并方便快捷地发送给目标学生，提高了练习/考试的效率，并可以实时监控学生的成绩。具体包含以下功能：

①选择试卷建立练习/考试;

②可以根据班级快速查找并选择需要接受练习/考试的学生;

③选择开始考试后，学生端强制进入对应的考试场景;

④结束考试时，可选择需要结束考试的对象，应对某些学生的加时需求;

⑤练习/考试结束后，可以快速查看学生的成绩详单。

（3）用户管理

用户管理功能可以方便快捷地对教师、学生进行增删改查的基础信息管理，并可以提供快速查看学生练习/考试成绩的功能。具体包含以下功能：

①管理员能建立班级、单位等组织信息;

②管理员能建立组织下的教师信息;

③教师可以通过批量新增的方式快速建立班级的学生信息;

④教师可以根据班级快速查看学生的练习/考试详单。

（4）终端管理

用户可通过终端管理实时查看接入服务器的学生状态及练习/考试进度，并对接入的学生终端进行发送考试、强制退出等操作。具体包含以下功能：

①展示接入服务器的学生端信息及用户名;

②展示每个学生的练习/考试进度及当前得分;

③可以选中某个学生快速建立练习/考试;

④可以控制某个学生强制退出系统。

2.学生终端功能

（1）我的任务

学生登录后可通过我的任务进入教师下发的练习/考试三维情景，进行有针对性的学习、练习、考试等实训操作，还可以查看已完成的练习/考试的成绩详情及对应的成绩分析。具体包括以下功能：

①展示教师下发的实训任务，选择后进入VR实训界面，加载对应试卷的故障进行实训练习;

②若收到考试任务，强制进入VR实训界面，可随机加载试卷故障，保证每个学生的故障均不一致，防止学生相互抄袭;

③展示已经完成的练习/考试信息，可以查看对应的成绩详情，分析易错问题点，促进学习改进。

（2）零件库

对实训设备的初步认知是做好设备拆装和故障应急处理的基础。通过虚拟零件库中的功能，可实现对实训设备从整体到细节的认知学习，达到设备认知实训的目的。系统中的虚拟零件库将每种设备分解成各种模块，每种模块对应部件模型。所有部件的比例、尺寸、材质、颜色均与实物相同，所有部件均可在虚拟环境下360度旋转、矢量缩放，并能标识出各个部件名称。

主要包含以下功能：

①根据分类快速查询部件模型;

②所有模型均可以360度观察，支持放大、缩小、移动、全屏操作;

③实训设备的组成结构一目了然。

（3）作业指导书

系统提供实训设备系统对应的基础实训指导手册，主要包括以下功能：

①最新完整的设备作业指导书;

②完善的分类，为学生提供快速查阅学习资料的途径。

四、结语

随着VR技术的日趋成熟、逐渐普及，在VR技术上构建的虚拟教学发展是势在必行的，以实为主、以虚为主或虚实结合及虚拟化程度如何可以依据现实条件而定，从而将虚拟仿真和真实的实训设备真正结合起来，真正实现以学生为主体的实验教学活动，在实训中培养学生的实践能力与创新精神。将虚拟仿真系统与现代的轨道交通行业的飞速发展相结合，尤其是在大数据和人工智能迅速发展的背景下，虚拟仿真实验教学在轨道交通类实践教学中必将发挥更大的作用，既可以为企业培养更实用的技能型应用人才，又能为VR虚拟仿真系统的研发拓展更广阔的空间。

编辑 马燕萍