VR 技術(shù)在鐵道工程教學(xué)中的應(yīng)用*

葉 玲

（華東交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 江西南昌 330013）

隨著2019 年12 月底全球新冠肺炎疫情暴發(fā)，世界上各行各業(yè)的生存模式與發(fā)展方向都緊跟時代大變局進(jìn)行改革，教育領(lǐng)域的改革更是國家重點(diǎn)扶持的重中之重。面對突如其來的疫情，從事教育行業(yè)的學(xué)者們積極響應(yīng)國家政策，始終將人民的生命安全擺在第一位，采取足不出戶的網(wǎng)上學(xué)習(xí)方式，為各種智慧化教學(xué)方式與軟件開發(fā)提供了良好發(fā)展環(huán)境。其中，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟，將VR 技術(shù)引入鐵道工程專業(yè)教學(xué)上是緊跟時代背景下的必然產(chǎn)物，學(xué)生可以感受VR 場景所帶來的沉浸感、交互感、現(xiàn)場環(huán)境等，有助于學(xué)生對鐵道工程專業(yè)中一些抽象和復(fù)雜概念的理解和學(xué)習(xí)，如鐵路施工過程、施工順序、檢測計劃等。

一、VR 技術(shù)概念

VR 技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)模擬系統(tǒng)。它以計算機(jī)技術(shù)為核心，將相關(guān)科學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，生成一個在視覺、聽覺和觸覺方面與特定范圍的真實環(huán)境高度相似的數(shù)字環(huán)境。在數(shù)字環(huán)境中擁有必要設(shè)備和物體的學(xué)生可以相互作用、相互影響，感受和體驗現(xiàn)實世界，虛擬現(xiàn)實是人類在探索和理解自然過程中創(chuàng)造產(chǎn)生的，是人類目前認(rèn)識范圍內(nèi)形成一種對自然的理解，虛擬現(xiàn)實被用來模擬自然，更好地適應(yīng)和使用自然科學(xué)方法。

VR 已不僅僅被關(guān)注于計算機(jī)圖像領(lǐng)域，它已涉及更廣的領(lǐng)域，如電視會議、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布計算技術(shù)，并向分布式虛擬現(xiàn)實發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成為新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的重要手段。其中，協(xié)同工作虛擬現(xiàn)實是VR 技術(shù)新的研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，它引入了新的技術(shù)問題，包括人的因素和網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。如人的因素，已需要考慮多個參與者在一個共享的空間中如何相互交互、虛擬空間中的虛擬對象在多名參與者的共同作用下的行為等。在VR 環(huán)境下進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，團(tuán)隊成員可同步或異步地在虛擬環(huán)境中從事構(gòu)造和操作虛擬對象的活動，并可對虛擬對象進(jìn)行評估、討論以及重新設(shè)計等活動。分布式虛擬環(huán)境可使地理位置上分布不同的設(shè)計人員面對相同的虛擬設(shè)計對象，通過在共享的虛擬環(huán)境中協(xié)同地使用聲音和視頻工具，可在設(shè)計的初期就能夠消除設(shè)計缺陷，減少產(chǎn)品上市時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，VR 已成為構(gòu)造虛擬樣機(jī)、支持虛擬樣機(jī)技術(shù)的重要工具。VE（虛擬環(huán)境）技術(shù)可使工程師在三維空間中實時地與他們的設(shè)計樣機(jī)(虛擬樣機(jī))進(jìn)行交互。

VR 技術(shù)近年來發(fā)展迅速，從最初的單純用于計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，到現(xiàn)在應(yīng)用于社交娛樂、工業(yè)設(shè)計與制造、虛擬評價等各領(lǐng)域，同樣，在工科教育領(lǐng)域中，VR 技術(shù)也被廣泛應(yīng)用，如VR 技術(shù)在鐵道工程教學(xué)中可以生動形象地展示實際工程中各項施工流程步驟等，使學(xué)生身臨其境面對面地感受現(xiàn)場氛圍。

隨著教育理念的轉(zhuǎn)變，21 世紀(jì)的教學(xué)不再是從輸液到復(fù)習(xí)到考試的傳統(tǒng)教學(xué)模式，而是教會學(xué)生如何自主學(xué)習(xí)知識，如何獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維技能的一個過程。VR 技術(shù)做到了為學(xué)生提供一個跨越時間和空間、組裝大量信息、智能和個性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生分析、判斷和解決問題的思辨能力。通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入虛擬現(xiàn)實的教學(xué)，學(xué)生可以更有效地發(fā)揮各種感官的作用，更容易接受更多的信息。

二、鐵道工程教學(xué)應(yīng)用

（一）傳統(tǒng)教學(xué)方法現(xiàn)狀

鐵道工程的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生達(dá)到擁有解決鐵路線路、橋梁、隧道施工及維修技術(shù)問題的基本能力，成為從事鐵路工程施工及維修等工作的高素質(zhì)技術(shù)技能人才。作為鐵道工程教學(xué)者，教學(xué)的核心內(nèi)容是軌道結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)、施工順序、檢測計劃等。然而，由于鐵道工程的專業(yè)知識往往是抽象和復(fù)雜的，一成不變地采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式授課，一直取不到較為理想的效果，因為工程實踐類知識很大的組成部分不能帶入課堂，特別是對于學(xué)生的實地考察，學(xué)生一直難以理解和消化，教學(xué)效率低下。雖然傳統(tǒng)的線上課堂教學(xué)現(xiàn)已逐漸實現(xiàn)多媒體課堂，教學(xué)者經(jīng)常使用模型、圖片、視頻等作為輔助教學(xué)來增強(qiáng)學(xué)生的理解力，但效果并不顯著；學(xué)生還是存在無法觀察整個講述內(nèi)容的綜合結(jié)構(gòu)或過程，細(xì)節(jié)仍存在不夠細(xì)化甚至丟失，實際的鐵道工程工作場景更是依賴于學(xué)生的想象力。

（二）VR 實驗室教學(xué)方法內(nèi)容

為解決傳統(tǒng)教學(xué)效率低、難理解等弊端，根據(jù)近年來在教育領(lǐng)域提出的多概念教學(xué)，其主要思想為涉及學(xué)習(xí)的感官越多、學(xué)習(xí)的保留率越高的理論。

虛擬現(xiàn)實（VR）應(yīng)用于中學(xué)教學(xué)主要表現(xiàn)在以下兩個方面：課堂教學(xué)中，實驗教學(xué)。課堂教學(xué)是教學(xué)的主要方式，也是虛擬現(xiàn)實運(yùn)用于教學(xué)的主要戰(zhàn)場。根據(jù)不同的學(xué)科，虛擬現(xiàn)實發(fā)揮著不同的作用，主要有以下方面的應(yīng)用：立體物體的展示、立體空間的展示、展品的介紹、虛擬空間的營造與構(gòu)建、虛擬場景的構(gòu)造。一般學(xué)?，F(xiàn)有的條件下，有許多實驗是根本不可能做的，如核反應(yīng)實驗，還有些實驗是不能讓學(xué)生做的，如涉及放射性物質(zhì)或有毒物質(zhì)的部分。利用VR技術(shù)，可以有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。在教學(xué)中，許多昂貴的實驗、培訓(xùn)器材，由于受價格的限制而無法普及。如果利用VR 技術(shù)，在多媒體計算機(jī)上建立虛擬實驗室，學(xué)習(xí)者便可以走進(jìn)這個虛擬實驗室，身臨其境般地操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以通過儀表顯示身體的感受反饋給學(xué)生，來判斷操作是否正確。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至得出滿意結(jié)果。VR 實驗室的一大優(yōu)點(diǎn)還在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而造成人身事故。

本文依據(jù)多概念教學(xué)理論，提出基于VR 技術(shù)建立VR 實驗室教學(xué)方法提升教學(xué)效率。VR 實驗室將通過從增加學(xué)生學(xué)習(xí)感官數(shù)量，即多個“渠道”可以接收信息，如視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸摸等，做到以更加直觀的方式在學(xué)生面前呈現(xiàn)模型和技術(shù)過程，為學(xué)生提供全面觀察和理解這些知識可能的機(jī)會，以便學(xué)生在離開書本知識首次進(jìn)入實際工程項目時，不會感到困惑和太大的心理落差。這里以教學(xué)軌道結(jié)構(gòu)模型為例，描述了VR 實驗室所需的具體設(shè)備與用途，首先VR 是一種允許學(xué)生實時探索和操作3D 交互式環(huán)境的技術(shù)，建立VR 實驗室需具備以下要素：

1.立體顯示：需要雙色眼鏡，主動立體顯示，被動同步立體投影設(shè)備，真正的三維立體顯示等更先進(jìn)的設(shè)備；

2.虛擬屏幕生成：虛擬圖像的范圍從虛對象到虛光、虛相機(jī)、數(shù)學(xué)建模，使用成像幾何，并在計算機(jī)上生成；

3.頭部位置跟蹤：位置跟蹤器是一種作用于空間位置跟蹤和定位的設(shè)備；

4.虛擬環(huán)境交互：虛擬環(huán)境交互使用先進(jìn)的計算機(jī)視覺技術(shù)和投影顯示技術(shù)來創(chuàng)造奇妙的動態(tài)交互體驗。

其中立體顯示是整體感受VR 實驗室中3D 軌道結(jié)構(gòu)模型的基本要素；虛擬屏幕生成是用來給學(xué)習(xí)者傳達(dá)軌道結(jié)構(gòu)模型周圍的3D 區(qū)域感覺，包含器官的視覺、聽覺和觸覺等項目；頭部位置跟蹤通常與其他VR 設(shè)備（例如數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等）結(jié)合使用，以使學(xué)生能夠在空間中自由移動和旋轉(zhuǎn)軌道結(jié)構(gòu)模型，而不是束縛在某個設(shè)定好的空間立體位置。該設(shè)備具有3 個和6 個自由度，可實現(xiàn)額外的靈活性、自由度和任意功能。虛擬環(huán)境交互可以讓學(xué)習(xí)者通過使用儀器或他們的腳和手與傳統(tǒng)投影屏幕上的虛擬實驗室中軌道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行交互，使他們能夠進(jìn)入融合現(xiàn)實和虛擬的鐵道工程世界。這些因素使得VR 實驗室具有以下優(yōu)點(diǎn)：表示的保真度（渲染對象的真實性）、沉浸式的感覺（由于表現(xiàn)出現(xiàn)實主義和高度控制）；以及控制的直接性和高水平的參與（從不同角度查看對象的能力，以及選擇、檢查和修改虛擬世界中對象的能力）。

此外，VR 實驗室教學(xué)方法不只局限于虛擬軌道結(jié)構(gòu)模型教學(xué)上，如在軌道施工過程教學(xué)、新型工程材料教學(xué)、解釋建筑安全活動范圍教學(xué)、加速鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識過程等等，VR 實驗室同樣具備傳統(tǒng)教學(xué)方法所沒有的優(yōu)勢。如，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為學(xué)生提供生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境；提供優(yōu)秀的虛擬模型的交互式操作；允許教學(xué)者或和學(xué)生監(jiān)控鐵道工程中的施工項目流程和監(jiān)測計劃的施工順序，甚至做到查看每個施工組件的形狀細(xì)節(jié)，并且協(xié)助研究施工過程的一些必要設(shè)備和操作方法。

因此，使用VR 技術(shù)開發(fā)這些教學(xué)應(yīng)用程序，有助于提高教學(xué)模型的效率；虛擬模型的交互操作，可以給教學(xué)者或?qū)W生提供一個直觀并且可重復(fù)的3D 空間交互環(huán)境，觀察工作發(fā)展中固有的演變，直到學(xué)生掌握在真實工作環(huán)境下所需的技能水平。VR 實驗室應(yīng)用于教學(xué)模式的新概念為鐵道工程教育帶來了新的視角。

三、VR 實驗室在鐵道工程教學(xué)中的優(yōu)勢與未來的挑戰(zhàn)

（一）VR 實驗室教學(xué)鐵道工程專業(yè)的優(yōu)勢

針對鐵道工程專業(yè)的VR 實驗室教學(xué)方法與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，VR 實驗室教學(xué)方法具有三個優(yōu)勢：

1.它克服了空間限制，突出了以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)模式。一方面，教學(xué)者可以擺脫重復(fù)工作的負(fù)擔(dān)，提高實際效果；另一方面，實驗可以轉(zhuǎn)移到計算機(jī)上，克服了空間限制，使學(xué)生無須前往施工現(xiàn)場即可操作。

2.以低成本獲得豐富的實驗材料。VR 實驗室可以模擬數(shù)千種常用組件和其他實驗設(shè)備，參數(shù)可以任意設(shè)定，使用次數(shù)和頻率不受限制，避免儀器損壞，從根本上解決因經(jīng)費(fèi)不足、操作不當(dāng)、不善愛護(hù)等原因造成的對實驗室建設(shè)的資金制約。

3.建立實驗室以擴(kuò)大學(xué)生的理解，學(xué)生可以自由直觀地使用計算機(jī)。充分拓展學(xué)生的思維空間，給予他們更大的空間和想象自由，創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)環(huán)境和條件。

（二）VR 實驗室應(yīng)用于鐵道工程教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

VR 實驗室應(yīng)用在鐵道工程教學(xué)中面臨的三大挑戰(zhàn)：

1.潛在的健康風(fēng)險：由于虛擬圖像成像位于眼睛前方25—50 cm 處，因此眼睛將持續(xù)聚焦在25—50 cm 處，戴頭盔眼鏡時無法移動，而且視野都是電子顯示屏，長時間佩戴虛擬現(xiàn)實頭戴（眼鏡）容易出現(xiàn)眼肌疲勞、頭暈和不適。因此，青少年視力的健康風(fēng)險也可能是虛擬現(xiàn)實未來教育成功的一個非技術(shù)挑戰(zhàn)。畢竟，對于處于身體發(fā)育階段的學(xué)生來說，沒有健康影響的輔助教學(xué)設(shè)備是最基本的要求之一。

2.虛擬實驗室教育內(nèi)容的更新速度：沒有用于VR 內(nèi)容制作的工具，沒有工具將意味著無法完成大規(guī)模的內(nèi)容生產(chǎn)。但是，對于教學(xué)而言，只有形成一個系統(tǒng)，教學(xué)內(nèi)容才能在實際教學(xué)過程中發(fā)揮積極作用。

3.教師接受的速度：就土木工程教師而言，更多的教師知識來自理論和實踐。施工現(xiàn)場仍然是許多教師教學(xué)的首選之地。在某種程度上，他們會選擇避免嘗試這些新的教學(xué)方法，并繼續(xù)使用他們熟悉的教學(xué)方法，并向?qū)W生推薦他們的學(xué)習(xí)方法。因此，即使將來會有專門的軟件來制作和顯示虛擬現(xiàn)實教學(xué)內(nèi)容，教師也不會快速適應(yīng)和接受軟件，這也是虛擬現(xiàn)實改變土木教學(xué)甚至整個教學(xué)過程的挑戰(zhàn)。

結(jié)語

本文基于鐵道工程專業(yè)知識教授方法，將傳統(tǒng)教育方法與VR 實驗室的教學(xué)方法對比，分析了針對軌道工程這類授課內(nèi)容抽象且復(fù)雜導(dǎo)致的授課效率低的問題，從多概念的角度出發(fā)，提出運(yùn)用逐漸成熟的VR 技術(shù)建立VR 實驗室教學(xué)方法，達(dá)到提升教學(xué)者授課效率，降低學(xué)生理解難度，激發(fā)學(xué)生對知識主動渴求的目的。VR 實驗室教學(xué)方法從根本上解決了工程知識教育過于抽象、缺乏趣味及自主性差的問題，為國家培養(yǎng)對知識充滿熱情的創(chuàng)新型人才具有重大意義。