虚拟现实技术在动车组检修专业实训教学中的应用

侯娜娜　朱新龙

摘 要：虚拟现实技术促进了教育模式的變革，解决了实训教学中面临的“三高三难”问题，是高职教学改革的重要方向。本文在分析动车组检修专业实训教学困境及虚拟现实技术优势的基础上，介绍了动车组虚拟仿真检修实训室建设方案以及采用虚实结合的方式组织实训教学的过程，以期为其他研究者开展实训教学改革提供借鉴。

关键词：虚拟现实 动车组 实训教学

Application of Virtual Reality Technology in Training Teaching of EMU Maintenance Specialty

Hou Nana，Zhu Xinlong

Abstract：Virtual reality technology has promoted the reform of education mode and solved the "three highs and three difficulties" faced in practical training. It is an important direction of higher vocational teaching reform. Based on the analysis of the training teaching plight of the EMU maintenance major and the advantages of virtual reality technology， this paper introduces the construction plan of the EMU virtual simulation maintenance training room and the process of organizing the training teaching by the combination of virtual and reality， hoping to provide reference for other researchers when carrying out practical training and teaching reform.

Key words：virtual reality， multiple unit， practical teaching

虚拟现实（VR）技术采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生身临其境的感受和体验[1]。虚拟现实在医疗、航空、军事、娱乐等众多领域中均得到了广泛的应用，也推动了教育领域的技术变革。国内学者对虚拟现实技术应用于教学也进行了深入的研究，丁楠[2]分析了虚拟现实在教学中应用的优势及面临的挑战，如对学生学习的促进、提供了个性化的学习环境等。高义栋[3]以红色VR展馆开发为例介绍了虚拟现实在思政课程教学中的应用。本文介绍虚拟现实技术在动车组检修技术专业实训教学中的应用。

1 动车组检修专业实训教学困境

1.1 实训教学设备匮乏，技能训练难实施

动车组核心系统结构复杂、集成度高、造价昂贵、技术保密等一系列特点使得高职院校无法以真车实物作为教学设备，多以实物仿真模型为主，但仿真模型“能看不能动”仅能满足结构和原理教学的需要，大量实训教学环节难以有效实施。动车组真车实物设备，如受电弓、塞拉门等，因价格高占地大，台套数较少，课堂教学时间有限，学生动手操作机会少。铁路企业因安全生产要求不接收学生跟岗实习和顶岗实习，动车组综合实践类课程难以开展。实训设备数量不足、仿真模型难拆装、无综合类设备是制约动车组检修技术专业实训教学的主要因素。

1.2 师资缺乏现场经验，教学效果难保证

动车组检修技术专业教师大多来源于应届毕业生，理论知识扎实但缺乏企业工作经历，开展实训教学能力不足。铁路企业因质量卡控的要求，教师赴企业学习“能看不能练”，能熟悉检修标准和工作流程，但技能操作水平难提高。动车组检修作业标准、检修工艺、检修工具等新技术、新规范、新工艺更新速度快，教学内容与企业现场实际易脱节，实训教学内容难跟进。动车组维修基地与学校跨市设立，企业兼职教师不能长期承担教学任务，专任教师缺乏现场经验，实训教学效果难保证。

随着信息技术的发展，虚拟仿真技术的出现促进了传统教学育人手段的改革，是有效弥补动车组检修实训教学中看不到、进不去、动不了等困难的重要措施，能解决实训设备成本高昂，受场地、安全等因素影响实训教学环节难实施等问题。因此，建设动车组虚拟仿真检修实训室，解决动车组检修专业在实训教学中的困境。

2 动车组虚拟仿真检修实训室建设

2.1 建设目标

通过建设动车组虚拟仿真检修实训室，能满足不同车型结构部件认知、企业标准流程学习、动车组机械师岗位技能实操三个层面的学习需求，能达到教学、演练、考核三层递进的教学模式需求，能实现教学、培训、竞赛、科研和社会服务的功能。

2.2 建设内容

虚拟现实可分为非浸入式虚拟现实系统、半浸入式虚拟现实系统、浸入式虚拟现实系统[2]。非浸入式虚拟现实系统也叫桌面虚拟现实，将计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的窗口，通过鼠标进行交互，成本较低。半浸入式虚拟现实系统是桌面虚拟现实的加强版。浸入式虚拟现实系统利用头盔式显示器，把参与者的视觉、听觉封闭起来提供沉浸式空间，造价较高。综合考虑场地、成本、学生人数、教学效果达成等因素，动车组虚拟仿真检修实训室建设分桌面虚拟现实和沉浸虚拟现实两部分。

桌面虚拟现实由计算机终端搭载桌面版动车组一级修实训系统、动车组二级修实训系统和动车组应急故障处置实训系统。沉浸虚拟现实由VR头戴设备、无线控制手柄、激光定位器等组成的VR设备搭载动车组一级修、二级修实训系统。实训系统以高度仿真的工作场景、设备和工具、真实的作业流程，满足实训环境就是工作环境，实训内容就是工作内容的需求。根据动车所检修库的结构布局创建虚拟检修作业场景，按照主流动车车型的外观结构和内部构造制作高度逼真的动车组模型，以情景化教学的形式把行业技术规范和标准作为实训标准逐步引导学员学习，学员依据动车组一级修、二级修、应急处置标准作业流程完成地勤机械师、随车机械师岗位内容演练，建成后的实训室布局图如图1所示。

2.3 实训室功能

動车组虚拟仿真检修实训室主要功能有：（1）动车组车顶、车内、车侧、车底、司机室等区域的结构认知;（2）动车组一级修作业，包括司机室设备检查作业、车体两侧检查作业、车下检查作业和客室设施检查作业;（3）动车组二级修作业，包括动车组闸片更换、轮对尺寸测量、空气弹簧高度测量、空心车轴探伤、受电弓滑板更换、研磨块更换等;（4）动车组应急故障处置，包括机车救援、动车发生火灾爆炸、空气制动切除、受电弓自动降下、轴温报警切除/复位操作、空调切除/复位操作等。

3 实训教学实施

高速列车运行过程中轮对不断被磨耗，轮对尺寸不在限度范围内可能会危及行车安全。轮对尺寸测量是动车组机械师必备的一项操作技能，轮对尺寸测量包含轮径尺寸测量、轮对内侧距测量、轮缘尺寸测量、制动盘磨耗测量、闸片磨耗测量6个子项目。现场教学中，因班级人数多、实训工位少，学生轮流练习需要较多的课堂教学时间才能完成，且教学过程中会出现教师示范学生看不见、学生练习教师指导不到位的情况。动车组虚拟仿真检修实训室建成后，与现有的实物设备相结合，以实带虚、以虚助实、虚实结合开展实训教学提高了教学效率。下面以轮缘尺寸测量项目为例介绍实训教学过程。

3.1 课前阶段

教师在职教云平台上传学习指南及学习资源并发布课前要求。课前任务有：（1）学习动车组车轮检查器微课，熟悉动车组车轮检查器各部分的名称、作用及测量方法;（2）阅读轮对尺寸测量作业指导书，熟悉测量要点及检修限度。

3.2 课中阶段

轮缘尺寸测量项目课堂教学设计了识工具、知流程、练技能、赛风采四个教学环节。动车组车轮检查器组成部件较多，认识动车组车轮检查器各测尺的名称及作用是开展测量任务的基础，课前学生已学习了动车组车轮检查器微课，为了发挥学生主体地位，课中由学生讲解部件名称及作用，教师补充。正确的测量步骤是测量结果准确的保证，学生进入动车组虚拟仿真实训系统的教学模块，在系统的引导下逐步进行模拟演练，梳理出作业流程，即动车组状态确认、工具检查、轮缘尺寸测量、工具清点四个步骤，总结出轮缘尺寸测量步骤口诀：一落二贴三读四记录。动车组虚拟仿真实训系统工位多，学生可反复练习，解决实物训练设备少、时间短，测量过程中遗漏步骤或顺序混乱的问题，达到熟悉作业流程和步骤的目的。技能练习在真实的作业环境中进行实物训练，通过学生示范、教师指导、角色扮演、心得分享、微课辅助、问题梳理等环节完成测量任务，达到技能巩固和提升的作用。小组PK赛风采环节将技能与素养结合，让学生会技能、有匠心。

3.3 课后阶段

教师通过职教云平台布置课后任务：（1）拍摄轮缘尺寸测量视频，及时巩固技能并培养学生视频拍摄和制作的能力;（2）轮对尺寸测量结果不在限度范围内会进行镟修，通过观看数控不落轮镟修视频拓展学生知识面。

4 结语

虚拟现实技术的出现破解了动车组检修技术专业实训教学中高投入、高难度、高风险、难实施、难观摩、难再现“三高三难”的困境，推动了专业实训教学模式的改革和师资队伍建设，对提高教学质量和人才培养具有极大的促进作用。目前我校的虚拟仿真资源配置在固定的实训室，不能满足学生随时随地个性化学习的需求，下一步应建设虚拟仿真资源平台，实现优质虚拟仿真实训资源的开放共享和持续应用。

【基金项目】2020年度柳州铁道职业技术学院教改项目（2020-JGA04）“基于翻转课堂的混合式教学模式实践研究——以《动车组机械装置检修》为例”。

参考文献：

[1]王同聚.虚拟和增强现实（VR/AR）技术在教学中的应用与前景展望[J].数字教育，2017，3（01）：1-10.

[2]丁楠，汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J].现代教育技术，2017，27（02）：19-25.

[3]高义栋，闫秀敏，李欣.沉浸式虚拟现实场馆的设计与实现——以高校思想政治理论课实践教学中红色VR展馆开发为例[J].电化教育研究，2017，38（12）：73-78+85.