虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：解決專業(yè)教學(xué)與生產(chǎn)安全矛盾的新思路

陸超

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510430）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：解決專業(yè)教學(xué)與生產(chǎn)安全矛盾的新思路

陸超

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510430）

探討了在鐵路機(jī)車車輛職業(yè)教育中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，促進(jìn)虛擬實(shí)踐教學(xué)建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)現(xiàn)代化。鑒于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的局限性，還需要將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合，將現(xiàn)代教育理念與現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合，推動(dòng)課程教學(xué)改革。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；專業(yè)教學(xué)；生產(chǎn)安全

鐵路運(yùn)輸是國家經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，鐵道機(jī)車車輛的運(yùn)用與檢修是鐵路運(yùn)輸安全和效率的根本保證。近年來，我國軌道交通運(yùn)輸網(wǎng)建設(shè)日臻完善。2008年，國家經(jīng)濟(jì)政策進(jìn)行重大調(diào)整，《珠江三角洲地區(qū)改革發(fā)展規(guī)劃綱要 （2008～2020年）》明確指出：要建設(shè)開放的現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系，盡快建成珠江三角洲城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)；重點(diǎn)建設(shè)廣深港高速鐵路、沿海鐵路、貴州至廣州鐵路、南寧至廣州鐵路，以及廣州、深圳、佛山、東莞城市軌道交通等重大項(xiàng)目；到2012年，軌道交通運(yùn)營里程達(dá)1100公里，到2020年，軌道交通運(yùn)營里程達(dá)2200公里。這對鐵道機(jī)車車輛應(yīng)用型人才培養(yǎng)提出了更大、更新的要求，也給職業(yè)教育帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

鐵道機(jī)車車輛傳統(tǒng)職業(yè)教育的特點(diǎn)

鐵道機(jī)車車輛是鐵路運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備，機(jī)車、車輛的結(jié)構(gòu)維護(hù)和檢修至關(guān)重要，是機(jī)車、車輛安全、性能的根本保證。因此，在鐵道機(jī)車車輛人才培養(yǎng)中，應(yīng)努力讓學(xué)生更好、更全面地掌握機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)維護(hù)與檢修技術(shù)。

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法 高職教育的重心就是實(shí)踐，所以要依靠鐵路機(jī)務(wù)段、車輛段等一線生產(chǎn)現(xiàn)場。對于鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)部門來說，安全是第一位的，而學(xué)生的現(xiàn)場教學(xué)勢必影響其安全生產(chǎn)，這就產(chǎn)生了鐵路機(jī)車車輛專業(yè)教學(xué)與鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全的矛盾。近年來，鐵道部在全國鐵路推行單司機(jī)操作；鐵路第六次大提速以來，大量高速動(dòng)車組開行，絕不允許任何安全隱患存在。與此同時(shí)，高職教育又要求增大實(shí)踐教學(xué)的比重。因此，專業(yè)教學(xué)與生產(chǎn)安全這一矛盾更為突出。

實(shí)踐教學(xué)成本過高 要解決專業(yè)教學(xué)與生產(chǎn)安全這一矛盾，傳統(tǒng)的方法是把工廠“搬進(jìn)”學(xué)校，添置硬件教學(xué)設(shè)備。據(jù)調(diào)查，一臺(tái)主型機(jī)車價(jià)格為1500～2000萬元人民幣，一輛鐵路客車售價(jià)60～100萬元人民幣，一列CRH動(dòng)車組約2億元人民幣；與此相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)場地建設(shè)，檢修工裝設(shè)備配套和維護(hù)，檢修人員配備等將帶來學(xué)校辦學(xué)成本的大幅躍升。

傳統(tǒng)專業(yè)教學(xué)方法 如何讓學(xué)生能夠更好、更全面地掌握各類機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)及檢修技術(shù)，一直是高職鐵道機(jī)車車輛專業(yè)教學(xué)中的難點(diǎn)。由于機(jī)車車輛具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、型號多、成本高等特點(diǎn)，實(shí)物教學(xué)需要極大的經(jīng)費(fèi)投入。因此，在傳統(tǒng)教學(xué)中多采用文字和圖片方式，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新速度也滯后于技術(shù)更新速度。如果按照技術(shù)更新速度同步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新，投入將非常巨大，造成的浪費(fèi)也非常嚴(yán)重。

高職教育中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

高職教育的特殊性 高職教育的特殊性決定了在教學(xué)過程中必須重視學(xué)生在校學(xué)習(xí)與實(shí)際工作的一致性，有針對性地采取工學(xué)交替、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目導(dǎo)向、課堂與實(shí)習(xí)地點(diǎn)一體化等行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)模式。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)在高等職業(yè)教育教學(xué)活動(dòng)中占有非常重要的位置，對于深化學(xué)生對知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力具有重要作用。但是，我國高職實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)和條件，阻礙了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不能最大限度地激發(fā)學(xué)生的求知欲望，在一定程度上影響了學(xué)習(xí)效果。

引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 在發(fā)達(dá)國家，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已逐漸應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。例如，波音公司將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與CATIA三維仿真軟件結(jié)合，通過建立飛機(jī)的虛擬結(jié)構(gòu)模型，達(dá)到虛擬組裝及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，之后直接進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。我國的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步較晚，但近年來也在迅猛發(fā)展。對中國鐵路行業(yè)來說，隨著計(jì)算機(jī)的普及，無論是研究鐵路機(jī)車車輛技術(shù)的高等院校，還是進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的研究所與制造企業(yè)，都在逐步利用相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。例如，高等院校和研究所利用SIMPACK等動(dòng)力學(xué)仿真軟件模擬機(jī)車車輛在有關(guān)線路上的運(yùn)行；機(jī)車車輛制造企業(yè)利用CATIA、PRO/E等三維軟件對機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行虛擬制造、裝配分析、圖紙打印等。引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以鐵路機(jī)車車輛制造企業(yè)的設(shè)計(jì)制造方式為結(jié)合點(diǎn)，利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，用專業(yè)的三維軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)部件的虛擬仿真，制作相關(guān)的教學(xué)課件。同時(shí)，在實(shí)踐教學(xué)中，讓學(xué)生參與機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)部件的虛擬仿真，達(dá)到實(shí)踐與教學(xué)緊密結(jié)合。通過這種手段既讓學(xué)生清楚地學(xué)習(xí)相關(guān)的機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)，又讓學(xué)生參與機(jī)車車輛的設(shè)計(jì)制造過程，為今后適應(yīng)職業(yè)崗位打下良好的基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢 （1）彌補(bǔ)現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)條件的不足。在鐵道機(jī)車車輛實(shí)踐教學(xué)中，往往由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的原因，使本應(yīng)該開設(shè)的實(shí)踐教學(xué)無法進(jìn)行。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以彌補(bǔ)這方面的不足。學(xué)生在專業(yè)教室中就可以通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對鐵道機(jī)車車輛進(jìn)行各種各樣的結(jié)構(gòu)和故障分析，獲得與現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)一樣的體會(huì)，從而豐富感性認(rèn)識(shí)，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。（2）避免實(shí)踐教學(xué)或操作所帶來的危險(xiǎn)。傳統(tǒng)的鐵道機(jī)車車輛實(shí)踐教學(xué)，主要通過學(xué)生進(jìn)入鐵路機(jī)務(wù)段、車輛段等一線生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行教學(xué)。由于生產(chǎn)現(xiàn)場對學(xué)生具有一定危險(xiǎn)性，一般采用電視錄像的方式取代現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生無法親身參與實(shí)踐，獲得感性認(rèn)識(shí)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生在虛擬實(shí)踐環(huán)境中，可以放心地進(jìn)行各種實(shí)踐，很好地解決了專業(yè)教學(xué)與生產(chǎn)安全這一矛盾。例如，虛擬的輪對電機(jī)拆裝配合試驗(yàn)，可以避免現(xiàn)場實(shí)踐中輪對電機(jī)各部件所帶來的危險(xiǎn)。（3）減少專業(yè)教師實(shí)踐教學(xué)的困難。傳統(tǒng)的鐵道機(jī)車車輛實(shí)踐教學(xué)，每一次進(jìn)入鐵路機(jī)務(wù)段、車輛段等一線生產(chǎn)現(xiàn)場，都必須提前與相關(guān)單位聯(lián)系，辦理相關(guān)手續(xù)。這導(dǎo)致了專業(yè)教師在現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)前必須投入大量精力，同時(shí)還容易對一線生產(chǎn)單位生產(chǎn)過程造成諸多影響。而現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)是每年都必須進(jìn)行的職業(yè)教育環(huán)節(jié)，會(huì)對一線生產(chǎn)單位造成重復(fù)的安全事故隱患。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以完全避免上述問題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有可重復(fù)性，可以大大減少專業(yè)教師在實(shí)踐教學(xué)中的困難。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對鐵道機(jī)車車輛專業(yè)教學(xué)的影響

教學(xué)觀念的變化 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)能有效地做到教與學(xué)的有機(jī)結(jié)合，賦予學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，以學(xué)生為中心的個(gè)別化教學(xué)、合作化教學(xué)和環(huán)境中自我探究得以真正實(shí)現(xiàn)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教學(xué)后，逼真的虛擬環(huán)境可以提供良好的人機(jī)交互功能，教學(xué)內(nèi)容的組織安排將特別強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生主動(dòng)參與來構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)，學(xué)生的被動(dòng)聽講變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，極大地促進(jìn)了教學(xué)觀念的變化。

教學(xué)內(nèi)容的變化 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)高度集成，把信息的組織形式與信息內(nèi)容呈現(xiàn)的多樣性、復(fù)雜性結(jié)合起來，為學(xué)生提供了一種動(dòng)態(tài)、開放的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知形式。它既包括學(xué)科的基本內(nèi)容，又包括學(xué)科內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系；既注重知識(shí)的形成過程，又注重知識(shí)的結(jié)構(gòu)。采用二維實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)過程，鐵道機(jī)車車輛不可視的變化、無法觸摸的部件，以及危險(xiǎn)的場所，都可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去展現(xiàn)，憑借視覺、聽覺、觸覺信息的協(xié)調(diào)作用，充分體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)一性與靈活性。

教學(xué)手段的變化 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程，可以促使教學(xué)手段向科學(xué)化、高效益方向發(fā)展，其變化體現(xiàn)在以下幾方面：（1）互動(dòng)式教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)有助于師生互動(dòng)教學(xué)的開展。（2）發(fā)現(xiàn)式教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)不但提供良好的人機(jī)交互，還允許學(xué)生出錯(cuò)時(shí)，自行了解錯(cuò)誤的根源和后果，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)式的學(xué)習(xí)風(fēng)格和策略，以及高層次的思維技能。（3）協(xié)同工作式教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)不受空間位置的限制，可讓師生共處于一個(gè)虛擬空間，通過師生之間、學(xué)生之間的協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)同工作的意識(shí)，使學(xué)生具備適應(yīng)大系統(tǒng)工作的能力。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)教學(xué)中的問題

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)的區(qū)別 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖能對鐵道機(jī)車車輛所需的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行虛擬仿真，但鑒于目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，虛擬教學(xué)系統(tǒng)不太適合學(xué)生進(jìn)行探索性的實(shí)踐。虛擬化的結(jié)構(gòu)部件不能對真實(shí)結(jié)構(gòu)做到完全模擬，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入并不能完全代替專業(yè)現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)，它只是專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的有力補(bǔ)充。

虛擬教學(xué)系統(tǒng)對危險(xiǎn)操作的忽視 如果學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)中進(jìn)行了多次的實(shí)訓(xùn)后，他們可能會(huì)產(chǎn)生兩種不良習(xí)慣：一是在實(shí)際工作過程中不注意技能技術(shù)操作的各種不良后果；二是沉迷于虛擬教學(xué)環(huán)境中，對現(xiàn)實(shí)工作中的技能操作不感興趣。所以，在設(shè)計(jì)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)時(shí)，需要加入實(shí)際工作中的操作提示，或者用多媒體手段演示不良操作的后果。在教學(xué)組織上，需要盡可能采用“熟練的虛擬訓(xùn)練+實(shí)際的動(dòng)手訓(xùn)練”相結(jié)合的教學(xué)方式。

鐵道機(jī)車車輛專業(yè)教學(xué)和生產(chǎn)安全一直是職業(yè)教育中的一大矛盾。在鐵道機(jī)車車輛教育中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可有效解決實(shí)踐教學(xué)需要與實(shí)物教學(xué)投資成本大之間的矛盾；同時(shí)對專業(yè)教學(xué)的內(nèi)容、方法和手段可以進(jìn)行有效地變革。但也應(yīng)注意，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入并不能完全替代現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)，而應(yīng)該將兩者有機(jī)結(jié)合，開創(chuàng)實(shí)踐教學(xué)的新模式。

[1]周彩根.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職教育中的應(yīng)用[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,3（4）.

[2]徐鑫,劉巍.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用的理論探討[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28（1）.

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[5]趙士濱,肖鵬.虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于職業(yè)技術(shù)教育的研究與實(shí)踐[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007,（9）.

G712

A

1672-5727（2010）05-0150-02

陸超（1981—），男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士，廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通系助教，研究方向?yàn)闄C(jī)車車輛、動(dòng)力學(xué)及職業(yè)教育。