VR技術在“工務工程”課程教學中的應用構想＊

徐金輝，孫勁松，馮青松

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013）

2020-02-26，教育部辦公廳印發(fā)了《2020年教育信息化和網絡安全工作要點》文件（教技廳〔2020〕1號）。文件中的重點任務指出，要加強教育信息化，深入實施《教育信息化2.0行動計劃》，完善中國網絡教育教學體制建設，為高校信息化教育平臺提供指導建議[1]?！督逃畔⒒?.0行動計劃》指出，要實現(xiàn)教育應用覆蓋教師，數字化校園覆蓋學校，信息化教學水平和教師能力提高，推動互聯(lián)網加教育平臺建設，發(fā)展適用于信息時代新教學模式[2]。如今，在國家教育部的大力推動發(fā)展下，VR/AR虛擬現(xiàn)實技術在教育教學領域的探索已初具規(guī)模，其中不少技術已經應用在高校鐵路維修教育教學課堂中，在鐵路維修教學領域，國內各高校學者對信息化背景下的教學創(chuàng)新改革進行了一系列探索性研究[3-6]。

1 VR虛擬現(xiàn)實技術的應用前景

VR虛擬現(xiàn)實技術也叫“沉浸式多媒體”或“計算機模擬現(xiàn)實”，被稱為21世紀最具前景的發(fā)展學科，作為重點發(fā)展的重要技術之一，VR虛擬現(xiàn)實結合了計算機、人工智能和信息工程等多項重要技術[7]。通過計算機搭建平臺來模擬真實環(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域去模擬真實場景。還具有交互式能力，能夠使體驗者身臨其境。VR技術的引擎一般有Unity3D和虛幻等，在教學VR領域一般以Unity3D為主，VR虛擬現(xiàn)實開發(fā)主要有以下幾個步驟：美術制作、模型建立、3D搭建、程序設計等。目前，隨著信息化時代的到來，虛擬現(xiàn)實技術逐漸應用于教育、醫(yī)療和軍事等多個領域，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，運營維護逐漸成為軌道交通的重心，對于鐵路工務人才的需求也日益強烈。“工務工程”作為鐵道工程的重要課程之一，著重于培養(yǎng)學生實踐操作能力，是鐵路維修領域的核心技術。借助國家對于VR技術的大力支持，利用VR技術與“工務工程”課程培養(yǎng)相結合，根據以往的教學經驗，針對不足之處，著重解決“工務工程”課程實際問題，提出鐵路工務人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新改革思路，切實提高學生實踐操作能力以適應行業(yè)發(fā)展下的新需求。

2 “工務工程”課程傳統(tǒng)教學存在的問題

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步，行業(yè)對于人才培養(yǎng)的要求也逐步提高，教學培訓能否符合行業(yè)用人需求也成為我們需要關注的重點。而“工務工程”在課程實踐環(huán)節(jié)往往脫離實際需求，缺乏實踐設備，大部分大型實踐設備均為模型或圖片，無法達到鍛煉學生實踐能力的目的。教學實踐內容更新無法與用人單位實際工作內容同步，脫離實際生產。其次，高校實踐試驗基地設備較為陳舊，嚴重制約學生的學習興趣，降低教學效果，但購買新型實踐實訓設備需要大量資金，大部分高校對于新設備的購買能力有限。為了解決實踐課程存在的問題，一些學校選擇將“工務工程”課程實踐安排在校外實際生產現(xiàn)場，雖然解決了校內實踐設備不足的問題，但也帶來其他問題：首先，校外現(xiàn)場實踐存在一定風險，由于軌道交通行業(yè)工作特殊性，現(xiàn)場實踐只能在天窗時間進行，而鐵路天窗時間較短，且和地鐵一樣往往處于夜晚，不利于教學任務的開展。軌道線路作業(yè)具有一定風險，學生在沒有充足培訓下無法保證絕對安全，老師也無法保障每一位學生的安全，所以無法讓每位學生都親自動手實踐，只能由老師或者工務人員進行操作演示，雖然保證了學生的安全，但也無法達到培養(yǎng)學生動手實踐能力的目的。其次，現(xiàn)場實踐很難找到適合進行教學的工務工況，實際軌道結構往往紛繁復雜，維修難度極高，不利于學生對軌道結構和工務維修的理解，不能有效提高學生的實踐操作能力。

由此可見，隨著軌道交通事業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的實踐方式已經無法適應行業(yè)對于人才培養(yǎng)的需求，“工務工程”課程實踐環(huán)節(jié)亟需改革。目前，VR虛擬現(xiàn)實技術在中國軌道交通實踐領域也有所應用。例如，上海鐵路局正在研究建立虛擬現(xiàn)實培訓平臺，對于新入職的員工進行實踐操作培訓，解決培訓實踐的時間和地點限制。高校應結合VR技術針對傳統(tǒng)“工務工程”實踐課程的不足，根據教學需求，創(chuàng)建VR虛擬現(xiàn)實平臺，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中培養(yǎng)學生的動手能力。

3 VR技術在“工務工程”課程實踐中的應用構想

針對傳統(tǒng)“工務工程”實踐課程的不足之處，按照教學計劃安排，立足于工務維修實際工作的內容，結合“工務工程”課程的特點，依托國家虛擬仿真教學實踐項目，利用VR虛擬現(xiàn)實技術搭建網絡虛擬仿真教學平臺，構建“工務工程”實踐虛擬模型，開發(fā)道岔幾何形位檢測的虛擬教學系統(tǒng)，學生能夠通過電腦、手機或者實驗室的VR設備進行訪問學習。這樣，極大地提高了學生的學習興趣，使學生更好地掌握實踐技能的同時也能保障學生安全。

以“工務工程”實踐操作中的高速鐵路道岔維修養(yǎng)護為例，針對“工務工程”教學要求，結合高速鐵路道岔的養(yǎng)護維修規(guī)則，建立高速鐵路道岔檢測及養(yǎng)護維修虛擬現(xiàn)實平臺，主要包括以下幾點內容。

3.1 道岔內容與原理的教學

道岔內容與原理的教學主要包括：道岔結構拆解及組裝操作演示，道岔結構的介紹，道岔工作原理及工作動態(tài)演示，車輛經過道岔時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

道岔傷損檢測與維修養(yǎng)護主要包括：軌道結構及鋼軌結構傷損檢測設備介紹及操作演示，道岔維修設備介紹及操作演示。

學生借助高速鐵路道岔檢測及養(yǎng)護維修虛擬現(xiàn)實平臺，能夠在手機或電腦上反復進行實踐操作，相比現(xiàn)場實訓，在保障學生安全的同時又能極大鍛煉學生動手操作能力，這樣才能可以有效改善“工務工程”課程教學中的問題。

4 結語

“工務工程”作為一門注重實踐操作的基礎課程，主要為了培養(yǎng)學生的動手能力，在信息化時代的背景下，著眼于“工務工程”對人才的需求及課程教學要求，針對傳統(tǒng)“工務工程”實踐教學的不足之處，結合VR虛擬現(xiàn)實技術，建立VR虛擬教學實踐平臺。學生在虛擬現(xiàn)實中進行操作實踐，大大強化了學生對于操作技能的理解與思考，達到預期的教學目的。本文在國家大力推動教育信息化改革的背景下，對于借助VR技術實現(xiàn)“工務工程”實踐操作進行了一些構想，進行了教學改革探討，提出一些改革建議，以期提升學生的工務維修實踐能力，為學生在未來的工務維修工作打下堅實的基礎。