基于網(wǎng)絡(luò)平臺的高職軌道交通虛擬實驗教學(xué)研究

◇蘇州高博軟件技術(shù)職業(yè)學(xué)院 韓麗東

高職軌道交通專業(yè)實驗課程是高職院校的重要課程，能夠?qū)W(xué)生的綜合能力進(jìn)行培養(yǎng)。然而由于高職院校實驗課程占比過少，設(shè)備設(shè)施不夠完善，導(dǎo)致實驗課程的教學(xué)效果不明顯?；诰W(wǎng)絡(luò)平臺的高職軌道交通虛擬實驗教育，通過對現(xiàn)實場景進(jìn)行模擬，為學(xué)生提供真實的環(huán)境，從而提高學(xué)生的實踐能力。本文通過對虛擬實驗教學(xué)的作用進(jìn)行分析，為高職軌道交通專業(yè)設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)，并提出系統(tǒng)設(shè)計流程，豐富高職院校的課程內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。

隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展，社會對相關(guān)專業(yè)的人才需求量極大，使得教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展尤為重要。高職院校是專業(yè)人才的輸出地，是保障我國人才供應(yīng)的關(guān)鍵，軌道交通專業(yè)在軌道交通行業(yè)發(fā)展中起著尤為重要的作用。然而現(xiàn)在來看，我國高職軌道交通專業(yè)的實驗教學(xué)仍存在很多問題，教學(xué)形式單一，學(xué)生興趣不高，教學(xué)水平有限，教學(xué)設(shè)施設(shè)備不全，導(dǎo)致實驗教學(xué)工作很難開展，這都是影響我國軌道交通專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的重要問題，急需解決。互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給教育行業(yè)帶來了新的轉(zhuǎn)機(jī)，通過科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)虛擬實驗教學(xué)，滿足學(xué)生的需求，有利于快速提高高職院校的教學(xué)能力。

1 虛擬實驗教學(xué)的概念

虛擬實驗教學(xué)是一種新的教學(xué)方式，通過計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)對現(xiàn)實情境的模擬，給人們提供真實的感官。通過對多類信息的收集與整合，利用計算機(jī)仿真技術(shù)，構(gòu)建三維立體的環(huán)境，使得用戶能夠在環(huán)境中有真實的體驗，并通過觸摸給用戶實物的體驗。在虛擬實驗中學(xué)生能夠根據(jù)情景進(jìn)行操作，模仿顯示操作流程，從而提高學(xué)生的實踐能力。但是由于虛擬實驗教學(xué)對計算機(jī)硬件要求比較高，所需成本大，很多院校目前還沒有能夠完全采用。隨著我國科技水平的提升，計算機(jī)硬件處理能力提高，會使得虛擬實驗教學(xué)設(shè)備價格降低，讓虛擬實驗教學(xué)在高職院校中得到普及。目前虛擬實驗已經(jīng)被應(yīng)用到了各個行業(yè)，包括醫(yī)療、航空等，現(xiàn)在將仿真技術(shù)應(yīng)用于教育事業(yè)，是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的又一里程碑。虛擬實驗教學(xué)將教學(xué)資源更好的整合，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，豐富了教學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠提高學(xué)生的綜合能力。

2 虛擬實驗教學(xué)對高職軌道交通教學(xué)的作用

（1）豐富教學(xué)結(jié)構(gòu)。虛擬實驗教學(xué)作為一種新的教學(xué)模式，為高職軌道交通教學(xué)帶來了新的教學(xué)方式，豐富了教學(xué)結(jié)構(gòu)，使得教學(xué)內(nèi)容能夠得到更好的體現(xiàn)。單一的教學(xué)結(jié)構(gòu)不但無法對課程內(nèi)容進(jìn)行全面體現(xiàn)，還會影響學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。軌道交通行業(yè)是我國發(fā)展比較迅速的行業(yè)，需要多方面的人才，傳統(tǒng)的教學(xué)模式不能夠滿足社會的需求，通過豐富教學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行綜合教學(xué)，提高學(xué)生的綜合能力，更好的體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（2）緊密聯(lián)系理論內(nèi)容。虛擬實驗教學(xué)能夠聯(lián)系理論內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生將理論轉(zhuǎn)換為實踐。就目前來看，我國高職院校學(xué)生的最大弱勢就是缺少理論轉(zhuǎn)換能力，很多理論知識雖然學(xué)習(xí)的很透徹，但是在真正利用時，缺又無從下手。軌道交通行業(yè)是一個實踐大于理論的專業(yè)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式只能講理論傳授給學(xué)生，當(dāng)學(xué)生買入社會時，沒有辦法直接理論，使得高職院校畢業(yè)生的能力發(fā)展受到影響。虛擬實驗教學(xué)能夠與理論相結(jié)合，在理論知識講授完畢后，進(jìn)行實踐操作，兩者連接，全面的提高學(xué)生的能力。

（3）提高學(xué)生的操作能力。虛擬實驗教學(xué)通過對現(xiàn)實場景進(jìn)行模擬，能夠為學(xué)生創(chuàng)造一個實操的環(huán)境，從而提高學(xué)生的操作能力。軌道交通專業(yè)教學(xué)所需設(shè)備一般都比較龐大，移動困難，并且費用極高，很多高校的實驗課程占比比較少，就是因為教學(xué)投入太大。虛擬實驗教學(xué)減少了設(shè)備的投入，只需要對高新技術(shù)進(jìn)行掌握，就能夠讓學(xué)生體驗真實的場景，并進(jìn)行相關(guān)操作，提高了學(xué)生的操作能力。

（4）提高學(xué)生的積極性。虛擬實驗教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生的參與性，能夠讓學(xué)生成為教學(xué)的主體，讓學(xué)生真正的參與到教學(xué)中來，做學(xué)習(xí)的主人。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師為教學(xué)的主題，教師通過對課程內(nèi)容進(jìn)行整理，再灌輸給學(xué)生，在整個教學(xué)過程中與學(xué)生之間的溝通比較少，很難得到學(xué)生的反饋，使得教學(xué)變得單向化，這種教學(xué)模式會導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)疲勞，逐漸讓學(xué)生喪失了學(xué)習(xí)的興趣。虛擬實驗教學(xué)首先能夠讓學(xué)生參與進(jìn)來，就大大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，作為一種新的教學(xué)模式，符合現(xiàn)代發(fā)展，能夠給年輕人帶來新鮮感，從而吸引學(xué)生參與到學(xué)習(xí)中來。最后，學(xué)生與老師能夠在虛擬實驗中加強(qiáng)溝通，提高了溝通效率，有利于教學(xué)課程的開展，當(dāng)學(xué)生遇到問題時，能夠馬上得到解決，這也是對學(xué)生的一種鼓勵，通過提高學(xué)生的能力，提高學(xué)生的興趣。

3 虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

本文以構(gòu)建城軌電子沙盤為例，解析基于網(wǎng)絡(luò)平臺的高職軌道交通虛擬實驗教學(xué)。首先這個城軌電子沙盤是有10個車站，以及車站對應(yīng)的車站平臺組成，其中包括車站線路、岔道變換等，另外還有20臺網(wǎng)絡(luò)化交互式學(xué)員演練系統(tǒng)供學(xué)生使用。在整個沙盤中能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：①城軌電子沙盤能夠還原完整的地鐵結(jié)構(gòu)與線路，包括十條線路以及車站平臺；②通過投影儀能夠?qū)Φ罔F的整體環(huán)境進(jìn)行映射，通過三維建模的方式構(gòu)建真實的實訓(xùn)環(huán)境，其中含括地鐵內(nèi)的各種要素組成，學(xué)生能夠在電子沙盤中進(jìn)行實操演練，例如乘務(wù)員駕駛等；③在電子沙盤中能夠?qū)崿F(xiàn)信號燈轉(zhuǎn)換，路線變換等，提高邏輯性，體現(xiàn)學(xué)生的反應(yīng)能力；④能夠?qū)崿F(xiàn)對電子沙盤的放大與縮小功能，能夠通過選擇進(jìn)行角度切換，給學(xué)生更好的體驗；⑤電子沙盤能夠模擬突發(fā)事件，為學(xué)生實際操作提供更多選擇。通過計算機(jī)仿真平臺設(shè)計完整的城軌運行流程，涵蓋其中各個要素，形成一個完整的體系，對學(xué)生有一個系統(tǒng)的考核，提高學(xué)生的綜合能力。

4 基于網(wǎng)絡(luò)平臺的高職軌道交通虛擬實驗教學(xué)研究

（1）3D虛擬場景的搭建與建模準(zhǔn)備。為了能夠給學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)環(huán)境，在進(jìn)行虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計時要考慮現(xiàn)實情況，通過對現(xiàn)實場景的布局進(jìn)行分析，對虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計，能夠提高學(xué)生的感官。為此，在進(jìn)行3D虛擬場景還原時，要對實際場地的尺寸進(jìn)行測量，如果能夠到實地進(jìn)行考察，利用精準(zhǔn)的測量儀器進(jìn)行測量，如果不能夠得到具體測量數(shù)據(jù)，需要通過咨詢設(shè)備廠商相關(guān)數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)及還原場景的要素通過數(shù)學(xué)建模的方式，設(shè)定到場景中，使得要素之間的關(guān)系滿足物理定律，這不但能夠提高學(xué)生的感受，還能夠提高實驗的意義。另外，在通過顏色渲染的方式對虛擬的場景進(jìn)行勾勒，提高虛擬場景的真實性。

（2）網(wǎng)絡(luò)交互式設(shè)計。虛擬實驗教學(xué)最主要的特點就是具有交互性，能夠提高各個理論之間的結(jié)合，也能夠提高學(xué)生之間的合作，從而提高教學(xué)的效率。在進(jìn)行虛擬場景設(shè)計時，要對各個元件的功能進(jìn)行分析，通過對仿真腳本的編輯，實現(xiàn)元件之間的交互影響，提高整個系統(tǒng)的完整性。另外，利用數(shù)字手套、虛擬頭盔等工具，實現(xiàn)學(xué)生在虛擬場景中的實操訓(xùn)練，學(xué)生能夠進(jìn)行任何操作，從而改變虛擬場景的狀態(tài)，并且在系統(tǒng)中能夠設(shè)置對學(xué)生操作的反饋，增加系統(tǒng)的操作性，提高學(xué)生的興趣。在初期，學(xué)生還不能完全適應(yīng)虛擬實驗教學(xué)，為了能夠給學(xué)生一個過渡的時間，可以在系統(tǒng)中設(shè)置引導(dǎo)功能，引領(lǐng)學(xué)生完成實驗內(nèi)容。同時為了能夠提高虛擬實驗教學(xué)的趣味性，可以在系統(tǒng)中設(shè)置懲罰機(jī)制及背景音樂，提高系統(tǒng)的真實性，讓學(xué)生能夠感同身受，提高學(xué)生的興趣。

（3）綜合功能性設(shè)計。虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)該逐漸趨于綜合性，從單一的功能進(jìn)行擴(kuò)展，發(fā)展成為具有綜合功能的系統(tǒng)，為學(xué)生提供更多的服務(wù)。虛擬實驗系統(tǒng)是通過對教材的理解，提煉的關(guān)鍵實驗課程，為了能夠豐富教學(xué)的內(nèi)容，凸顯實驗教學(xué)的價值，可以增加一些實驗教學(xué)內(nèi)容，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，讓學(xué)生從多個角度了解軌道交通專業(yè)的特點。為了能夠吸引學(xué)生的注意，可以由學(xué)生提出，找到對虛擬實驗系統(tǒng)改革的點，能夠提高學(xué)生的自主性，也能夠滿足學(xué)生的需求。通過對系統(tǒng)進(jìn)行綜合功能設(shè)計，能夠豐富教學(xué)內(nèi)容，促使學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維培養(yǎng)，能夠提高學(xué)生對本專業(yè)的認(rèn)識，提高學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，從而提升專業(yè)能力。

（4）虛實結(jié)合理論。在進(jìn)行高職軌道交通專業(yè)課程實驗教學(xué)時，應(yīng)該秉持能實不虛，虛實結(jié)合的理論，在進(jìn)行實驗場景設(shè)計時，應(yīng)該盡可能的對現(xiàn)實場景進(jìn)行還原，提高學(xué)生的感官體驗。虛擬實驗教學(xué)是由于學(xué)校的教學(xué)成本有限，無法采購先進(jìn)的設(shè)備，從而導(dǎo)致的實驗教學(xué)區(qū)域虛擬化，虛擬實驗教學(xué)的本身還是為了能夠讓學(xué)生有更深刻的體驗，因此實驗教學(xué)應(yīng)該以還原現(xiàn)場為主，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場盡可能的還原，為學(xué)生提供一個好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（5）線上、線下交融教學(xué)。線上、線下交融式教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)資源的整合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。將虛擬實驗內(nèi)容導(dǎo)入移動端設(shè)備，學(xué)生可以在課下利用碎片化的時間進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，將學(xué)生零散的時間利用起來，擴(kuò)寬學(xué)生的學(xué)習(xí)時間。線上、線下交融的教學(xué)方式，還能夠?qū)崿F(xiàn)針對性教學(xué)的目的，有的學(xué)生接受能力比較差，通過課下進(jìn)行復(fù)習(xí)的方式，能夠縮小與其他學(xué)生之間的差距，避免因為落差感影響學(xué)生的積極性。

5 結(jié)束語

綜上可知，基于網(wǎng)絡(luò)平臺的高職軌道交通專業(yè)應(yīng)該進(jìn)行教學(xué)改革，通過計算機(jī)仿真技術(shù)，進(jìn)行虛擬實驗場景設(shè)計，提高學(xué)生的參與度，讓學(xué)生成為教育的主體，提高學(xué)生的積極性，并在虛擬實驗教學(xué)中，不斷地提高學(xué)生的實踐能力，為社會培養(yǎng)綜合性人才。