基于混合現(xiàn)實技術(shù)的城市軌道交通車輛專業(yè)教學探索與展望

龔博，楊光明

（合肥職業(yè)技術(shù)學院，安徽 合肥 23000）

2020 年，教育部教職成司印發(fā)《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓基地建設工作的通知》，堅持科技引領(lǐng)，虛實結(jié)合，建設職業(yè)教育虛擬仿真實訓基地，有效彌補職業(yè)教育實訓中看不到、進不去、成本高、危險性大等傳統(tǒng)問題，從而確立了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)院校實踐教學中的重要地位。近年來，虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)、增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)、混合現(xiàn)實(Mixed Reality，MR)等現(xiàn)實增強技術(shù)不斷發(fā)展，打破了傳統(tǒng)教育的壁壘，通過全新的視覺感受和交互體驗為虛擬仿真教學的實現(xiàn)提供了可能。其中以虛實融合、實時互動、三維注冊等為主要特征的混合現(xiàn)實技術(shù)將以獨特優(yōu)勢在教育領(lǐng)域展現(xiàn)其巨大的應用潛力。

1 混合現(xiàn)實技術(shù)概述

1.1 混合現(xiàn)實技術(shù)的特點

混合現(xiàn)實技術(shù)(Mixed Reality)是借助先進的計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)和人機交互技術(shù)，生成虛實融合特征的可視化環(huán)境，虛擬和現(xiàn)實對象在此環(huán)境中共存，學習者可與之實時互動。Mixed Reality 技術(shù)的特點主要體現(xiàn)在虛實融合、實時互動、3D 注冊等方面，其中虛實融合是通過顯示設備實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實環(huán)境的交叉融合，可以將虛擬物體融入現(xiàn)實世界，也可以將現(xiàn)實物體融入計算機的虛擬世界。實時互動是指用戶與混合現(xiàn)實環(huán)境通過視覺、觸覺或感知通道相連接，形成智能互動與反饋。3D 注冊是指通過虛擬與現(xiàn)實空間之間的三維方位所形成的映射關(guān)系感知用戶方位和身體姿態(tài)的變化，將恰當?shù)挠^察畫面實時地呈現(xiàn)出來。

1.2 混合現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

VR 是一個純粹的虛擬場景，虛擬世界是依靠計算機圖形技術(shù)產(chǎn)生的。學習者通過佩戴式設備在計算機建模和三維處理的虛擬世界產(chǎn)生交互。

AR 是在現(xiàn)實基礎(chǔ)上增加輔助的虛擬圖像，是虛擬和現(xiàn)實的結(jié)合。多采用計算機視覺相關(guān)技術(shù)同時將真實環(huán)境和虛擬物體實時疊加到同一個畫面或空間，使虛擬的信息應用到學習者環(huán)境中。

MR 是一個新的可視化環(huán)境，由現(xiàn)實和虛擬混合產(chǎn)生，包括增強現(xiàn)實和增強虛擬。物理和數(shù)字對象在新的可視化環(huán)境中共存，實時互動，借助先進的計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)和人機交互式技術(shù)。學習者通過自然的方式，如手勢、體感、凝視、觸摸等，與虛擬的或現(xiàn)實的物體互動，并提供各種各樣的反饋（圖1）。

圖1

VR 頭戴顯示設備在人機交互方面存在諸多不足的同時，存在嚴重影響學習者學習體驗的視覺滯留和眩暈感。AR 的交互性明顯增強，但系統(tǒng)本身的算法優(yōu)化程度、精確度以及外界的光照環(huán)境都很容易影響學習者的交互體驗。

MR 推動了虛擬世界與現(xiàn)實世界的聯(lián)結(jié)，將人的感覺延伸到新創(chuàng)造的學習場景中，建立在多個感受通道的基礎(chǔ)上。充分調(diào)動各種感官，如視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺等，有效增強學習者的身臨其境、代入感和置入感，幫助他們快速進入學習狀態(tài)，在提高知覺體驗的同時，促進認知，提高學習效率。

2 城市軌道交通車輛專業(yè)教學中存在的問題

近年來，隨著軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，為保障地鐵線路的正常運營，企業(yè)亟需足夠的高素質(zhì)技能人才，軌道交通車輛檢修的人才缺口尤為突出。城市軌道交通車輛技術(shù)專業(yè)（檢修方向）要求培養(yǎng)具備列車操作、設備與工具使用、車輛調(diào)試及檢修、突發(fā)事件與故障處理能力的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才，對教學實踐活動要求較高。而現(xiàn)有傳統(tǒng)教學實訓設備因?qū)嵨锝虒W成本高，設備數(shù)量少、課程教學資源匱乏等原因無法滿足教學需求，新興技術(shù)手段的加持打破了傳統(tǒng)教育的諸多限制，為教學實訓的改善提供了幫助。

2.1 傳統(tǒng)實訓設備不足，實驗作用單一

傳統(tǒng)實踐教學需借助專業(yè)的實訓設備設施，配備專門的實訓教師，在規(guī)定的實訓場地開展實訓教學活動，學?；A(chǔ)設施建設資金進一步增加，原材料所需數(shù)量大、成本高、周期長、資源消耗大，傳統(tǒng)教學模式的實訓場地在實際建設過程中通常會動用大量資金、材料和資源等。過多的學員和數(shù)量不夠的器材臺套，會導致學員在外層周圍看不清、聽不清，這樣的實際訓練效果就大打折扣了。

2.2 某些實訓活動存在安全隱患

實訓的教學過程中，由于部分設備和零部件重量較重，學生在沒有實踐經(jīng)驗的情況下直接操作車輛或設備，在一些高危險的實際操作中，如受電弓和空調(diào)機組檢修，可能會發(fā)生傾翻和扎傷等安全隱患，以及電擊等事故，導致設備損壞或人身安全事故，增加了設備維護成本，也增加了學生和教師的心理壓力，以至于老師有顧慮不敢讓學生操作，學生害怕動手操作，阻礙了實踐教學活動的開展。

2.3 設備損耗嚴重

實訓教學過程中，學生會對實訓車輛及配套設備進行反復拆卸和安裝。例如，在客室車門檢修學習中，要求學生能對車門進行V 形調(diào)整，學生需不斷地調(diào)節(jié)調(diào)整螺母，反復對比確實測試數(shù)據(jù)，此過程中車門和檢測儀器均存在一定的損耗，包括設備的自然老化現(xiàn)象，這在具體應用過程中不可避免；在實際操作中，還會存在因?qū)W生的錯誤操作而出現(xiàn)的異常磨損現(xiàn)象，例如，學生在使用輪徑尺檢測車輪直徑時，由于操作不當，而使車輪表面出現(xiàn)異常磨損，導致測量數(shù)據(jù)超限。這些都將使其壽命縮短，需定期對設備進行維修和更換，使教學成本增加。

2.4 教學評價效率低

城軌車輛結(jié)構(gòu)精密復雜、模塊眾多，傳統(tǒng)教學方式描述不直觀、難以理解，會導致出現(xiàn)檢修培訓及操作效率低以及容易出錯等問題，學生實際動手能力較差。傳統(tǒng)實訓操作考核對教學反饋信息的收集需要耗費大量精力，對實訓教學中的短板難以分析，對被調(diào)查者的真實感受難以準確反應，導致信息評價效率較低。

在城軌交通車輛專業(yè)的相關(guān)教學中，MR 技術(shù)被引入并應用于車輛的故障診斷、拆卸、維護和其他關(guān)鍵部件的實際操作中，研發(fā)適用于實訓教學使用的MR 城軌車輛虛擬仿真教學平臺在提高教學效果、彌補城軌交通車輛實訓教學空白等方面具有重大的意義。

3 混合現(xiàn)實技術(shù)在城市軌道交通車輛專業(yè)教學中的應用現(xiàn)狀

3.1 混合現(xiàn)實技術(shù)在城軌車輛構(gòu)造基礎(chǔ)課程中的應用

城市軌道交通車輛構(gòu)造主要包括受電弓、轉(zhuǎn)向架、車體、車輛連接裝置等結(jié)構(gòu)，要求學生掌握地鐵車輛結(jié)構(gòu)組成和工作原理，同時準確掌握各部分結(jié)構(gòu)在整車上的位置，為檢修課程的學習打下基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，車輛構(gòu)造課程的教學主要以圖片、視頻、單獨的各零件實物等輔助教學。這些方式雖有一定的作用，但學生在學習時仍有困難，特別是各部分結(jié)構(gòu)在整車中的位置認知學生普遍掌握情況較差。

以軌道交通電客車設備為對象，以混合現(xiàn)實MR 技術(shù)為保障，以MR 眼鏡為載體，開展對車輛構(gòu)造的全息教學應用的研究，通過全息教學手段讓學生們在虛實結(jié)合的環(huán)境下沉浸于教學內(nèi)容的學習。例如，以轉(zhuǎn)向架為例，設計了結(jié)構(gòu)認知、爆炸拆解、視頻資料、重置等功能，結(jié)構(gòu)認知可以顯示轉(zhuǎn)向架各個部件列表，點擊某一部件按鈕，顯示對應的文字介紹，點擊孤立顯示可以隱藏其他部件，點擊X 光模式可以將其他部件變?yōu)閄 光效果，突出顯示所選的部件。爆炸拆解可以將轉(zhuǎn)向架拆解為各個部件，可單獨拾取某一部件進行查看。視頻資料包括轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)認知、輪對測量、閘瓦更換、高度調(diào)整桿更換及調(diào)整、齒輪箱換油等內(nèi)容，點擊按鈕會播放對應的視頻資料。重置包括主視、左視和俯視，轉(zhuǎn)向架會在點擊按鈕后調(diào)節(jié)到相應的視角。通過語音和手勢進行隔空交互操作，以趣味化、游戲化的方式模擬軌道交通車輛檢修專業(yè)運營維護場景，為學生營造身臨其境的實訓空間。高度逼真的訓練環(huán)境，使得學生能夠獲得生動直觀的感性認識，增進對抽象的原理的理解，節(jié)省時間和成本。

3.2 混合現(xiàn)實技術(shù)在城軌車輛檢修專業(yè)課程中的應用

軌道交通車輛檢修虛擬仿真實訓教學項目，通過虛擬仿真技術(shù)，1:1 還原車輛結(jié)構(gòu)、常見故障、作業(yè)工具和檢修作業(yè)項點，機械結(jié)構(gòu)仿真至零部件級，包括所有固定螺栓及連接線纜，故障類型有破損、漏氣、銹蝕、密封不良、功能異常等10 余種；控制邏輯包括司機室HMI 顯示屏、照明控制、車門控制、空調(diào)控制、監(jiān)控攝像頭等；作業(yè)工具包括第四種檢查器、輪徑尺、拉力計、絕緣鞋、絕緣手套等；檢修作業(yè)項點包括4 個檢修周期，100 余個檢修項點，1000 余個故障項點。將軌道交通車輛的設備結(jié)構(gòu)、檢修環(huán)境、常見故障以及作業(yè)流程等，完全還原到學生的眼前。對轉(zhuǎn)向架的拆卸工藝、維修工具的使用工藝等維修操作流程進行了形象模擬；模擬檢修工具擺放環(huán)境、檢修工具外形、檢修工具操作方式、檢修工具操作效果等，對工具設備的使用情況進行形象模擬。學生通過沉浸式、交互式的學習、訓練和考試，掌握城軌列車檢修專業(yè)核心課程的知識點和崗位要求的技能點。

基于信息化技術(shù)手段，開發(fā)線上綜合測試評價系統(tǒng)，包括練習模式和考核模式。練習模式下，學生可以自主選擇檢修作業(yè)內(nèi)容，系統(tǒng)有幫助提示，進行針對性的訓練。在考試模式下，老師將試題從試題庫中抽出，整理成卷，下發(fā)到學生手中，供學生作答。該系統(tǒng)實時監(jiān)測學生在車輛轉(zhuǎn)向架課程的實訓過程行為，并進行實時評價。一旦學生出現(xiàn)錯誤操作，系統(tǒng)提示扣分并引導學生按照正確的步驟完成任務，從而鍛煉學生的操作技能，提高教學評價的效率。

3.3 混合現(xiàn)實技術(shù)在遠程在線教學中的應用

目前，大規(guī)模在線課程在學習體驗感和監(jiān)督力度方面相比線下教學存在不足，城軌車輛檢修在線課程中融入MR 技術(shù)，采用基于MR 智能眼鏡為主，web 相互配合實現(xiàn)MR 全息內(nèi)容編輯和演示的創(chuàng)作平臺，異地多人實時分享并可以協(xié)同創(chuàng)作，通過MR 中的3D 虛擬角色進行協(xié)作，用戶可以在此空間進行音視頻通訊、操作和編輯場景內(nèi)的全息內(nèi)容，自定義房間布局，并根據(jù)不同空間屬性對空間內(nèi)的角色分配不同的功能。

采用混合現(xiàn)實全息創(chuàng)作平臺將異地教師或本地教師及學生加入同一虛擬房間，開展雙師、多師遠程教學和共享教學，學生和教師均可對教學內(nèi)容進行編輯，通過視覺共享，使學生在檢修作業(yè)操作中的操作流程及標準作業(yè)有更直觀深入的理解。同時，學生可以在MR 環(huán)境中進行反復操作練習，老師可以通過共享的視角或者錄下的視頻查看學生操作過程，從而提供指導和反饋，促進學生規(guī)范操作，使處于不同空間的教師、學生身臨其境地“面對面”交流，從而提高教學效果。

4 現(xiàn)存問題及展望

4.1 教學資源短缺

MR 應用于娛樂、產(chǎn)品設計等商業(yè)化領(lǐng)域，但用于教育和教學的卻很少，特別是用于城軌車輛方面的實際訓練和教學的內(nèi)容更是少之又少。研究內(nèi)容設計、3D 建模和場景構(gòu)建等技術(shù)是開發(fā)MR 軌道車輛課程資源的關(guān)鍵。企業(yè)無法為我們準確提供現(xiàn)有車用零部件的三維模型和詳細尺寸，因此，教師需要利用三維軟件，根據(jù)教學需要，繪制現(xiàn)有車輛各部件的外形和安裝尺寸的簡化零件圖，并根據(jù)需要，建立機車車輛零部件的虛擬仿真模型庫，根據(jù)需要隨時生成新的虛擬設備，以現(xiàn)有車型為基礎(chǔ)，適時更新教學內(nèi)容。使實踐訓練及時跟上技術(shù)的發(fā)展。同步開發(fā)城軌車輛系列精品教學課件、系列微課、課程試題庫和典型案例資源，不斷豐富教學資源，提升城軌車輛系列課程信息化建設質(zhì)量和教學效果。

4.2 開發(fā)人員與教學人員脫節(jié)

虛擬仿真交互式教學環(huán)境開發(fā)需采用Solidworks、3dsMax 構(gòu)建城軌車輛和檢修庫三維模型，Substance Painter 繪制材質(zhì)貼圖，使用Unreal Engine4 引擎搭建場景，構(gòu)建燈光環(huán)境和視覺效果，技術(shù)層面要求較高。

要求研制人員既要有計算機應用方面的專門技能，又要有在研制裝備方面有一定難度的專用軌道車方面的特長。迫切需要通過校企合作的模式，組建混合現(xiàn)實技術(shù)設計制作團隊，與城市軌道車輛專業(yè)教學接軌，讓專業(yè)老師參與系統(tǒng)開發(fā)的團隊協(xié)作，這樣MR 技術(shù)才能更適應專業(yè)教學的需求。

4.3 教學方法需進一步完善

混合現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通車輛實訓上的應用尚處于嘗試階段，還沒有成熟的教學方法可以借鑒，那么，在軌道交通車輛的實際教學中如何應用MR 技術(shù)，才能有效地提高實際教學的效果，這是一個很值得研究的課題。首先，要對負責MR 資源模塊授課的專業(yè)教師進行操作培訓，使教師能夠恰當?shù)貙⒃摷夹g(shù)融入現(xiàn)有的教學中，此外，還需要具備將城軌車輛維修專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為資源的能力，并在實踐中對所遇到的問題不斷地發(fā)現(xiàn)與研究。將教師依附在傳統(tǒng)設施設備上的演示員角色轉(zhuǎn)換為引導者角色，引導者在虛擬仿真技術(shù)中的要求。混合現(xiàn)實技術(shù)促進了城軌車輛專業(yè)教學的內(nèi)容、方法及手段的變革，但是并不能完全取代線下的實踐教學體系，要把二者的教學方法有機地結(jié)合起來，在實踐教學制度上創(chuàng)造一個新的范本。

5 結(jié)語

混合現(xiàn)實技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，因其虛實融合、實時交互、三維注冊等特點，目前已在城軌車輛構(gòu)造基礎(chǔ)課程、城軌車輛檢修專業(yè)課程教學、遠程線上教學等領(lǐng)域中有一定的應用?，F(xiàn)階段，混合現(xiàn)實技術(shù)在城軌車輛專業(yè)教學應用中仍存在課程資源短缺、開發(fā)難度大、教學方法滯后等不足。還需進一步研究混合現(xiàn)實技術(shù)在教學中的應用及融入現(xiàn)有課程體系的課時課程設計的問題，與現(xiàn)有的教學體系更好地融合，進一步提高學習效率。