VR技術(shù)在軌道交通類高職教育教學的研究

張倩菡 李愷

摘 要： 隨著我國對軌道類人才需求量激增，傳統(tǒng)教學手段人才培養(yǎng)效率低下，質(zhì)量不高等缺陷成為了我國軌道類行業(yè)發(fā)展的障礙，虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有良好的用戶體驗，為用戶提供了無時空限制的虛擬環(huán)境，為人才培養(yǎng)提供了良好的教學條件，有利于提高高職教育教學質(zhì)量，提升人才培養(yǎng)效率。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實;教學設(shè)計;交互

1 概述

隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，我國軌道類行業(yè)進入高速發(fā)展期，因此，出現(xiàn)了對軌道類人才的“搶購”。社會對軌道類人才需求量大，不僅體現(xiàn)在數(shù)量，還從質(zhì)量上有更高的要求。

然而，由于軌道類設(shè)備（列車、機車、接觸網(wǎng)、軌道等）數(shù)量多種類繁雜，占地較大，因此軌道類專業(yè)大多對實訓場地以及實訓設(shè)備要求較高，對教學條件的要求較為苛刻，在我國具有培養(yǎng)軌道類專業(yè)的院校數(shù)量較少，因此人才培養(yǎng)無法跟上企業(yè)需求。

因此解決場地設(shè)備問題成為了軌道類專業(yè)建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán)，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與推廣，為此打開了一扇新的大門。虛擬現(xiàn)實技術(shù)，彌補了現(xiàn)今高職院校因場地設(shè)備等原因無法提供有效的實訓場所的缺陷，在虛擬世界為學生提供良好的學習環(huán)境，讓學生學習擺脫了場地限制，極大地提升了教學效果，增強了學生的學習興趣，提升了教學質(zhì)量。因而人才培養(yǎng)質(zhì)量得到提高，同時因應(yīng)用了虛實融合技術(shù)，計算機成為了新式的教師，對提升人才培養(yǎng)數(shù)量上奠定了有力支撐。

2 虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過計算機創(chuàng)造一個近乎真實的網(wǎng)絡(luò)世界，構(gòu)建出與真實世界一模一樣的虛擬三維世界，可以是學習者沉浸于其中，帶來觸覺、聽覺以及視覺感官的真實體驗，具有身臨其境之效。學習者在其中可通過鼠標、鍵盤、虛擬手柄、體感等交互方式，在虛擬世界中實現(xiàn)360度觀察、虛擬漫游等操作。軌道交通行業(yè)設(shè)備大多數(shù)較為昂貴且占地面積大，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以減少購買設(shè)備，同時帶來真實的教學體驗感受，可大大降低教學成本，提升教學效果，提升學生學習興趣。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可通過Unity3D平臺搭建，用戶可通過客戶端對虛擬設(shè)備進行操作，具備良好的人機交互性、極強的沉浸感、體驗感，達到完美的模擬真實教學環(huán)境的作用。通過Unity3D平臺構(gòu)建系統(tǒng)框架，系統(tǒng)框架如圖1所示。

構(gòu)建虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)可分兩步走：精細化3D模型制作和人機交互模式的搭建。精細化3D模型的制作一般通過計算機輔助設(shè)計來完成，現(xiàn)行市場上主流的開發(fā)軟件有3DMax、SolidWorks、Pro/E、UG、Maya、Creator等。人機交互模式的搭建一般通過通用軟件開發(fā)平臺來實現(xiàn)，如UE、Unity3D、QT等。系統(tǒng)前期開發(fā)需要具備一定的軌道交通設(shè)備的基礎(chǔ)知識，才能較好的建立3D模型以及相應(yīng)動畫的制作，在結(jié)合材質(zhì)處理、燈光渲染、動畫設(shè)置等模型精細化處理手段，才能建立一套較為完備的精細化3D模型材料。最后通過通用軟件開發(fā)平臺如UE、Unity3D、QT等，進行人機交互模式的搭建，包括精細化3D模型的導入、虛擬環(huán)境地形設(shè)置、用戶角色管理設(shè)計、交互界面設(shè)計以及場景發(fā)布等具體細節(jié)。最后通過軟件平臺發(fā)布客戶端程序，學習者通過使用客戶端在虛擬世界中即可學習。

2.1 精細化3D模型的制作與導入方法

精細化3D模型的制作有兩種方式：第一種，通過傳統(tǒng)的三維建模軟件設(shè)計開發(fā)三維模型。這種方式，模型細節(jié)突出，建模精度較高，整個模型質(zhì)量較大，占內(nèi)存較大，因此對計算機的硬件要求較高，普通電腦無法支持正常運轉(zhuǎn)。第二種，通過視景建模軟件生成的三維模型，如3Dmax、Maya、Creator等市場上流行的軟件。這種方式，建模精度比之第一種較低，細節(jié)方面有些無法顯示，整體質(zhì)量低，占用內(nèi)存較小，其模型并不追求精度，因此其單個模型的渲染面片數(shù)量與第一種方式相比較少，渲染速度較快，具備良好的用戶體驗性。在實際制作模型中，可兼容兩者一起進行。

2.2 虛擬現(xiàn)實交互手段

虛擬現(xiàn)實交互方式大致分為兩類：傳統(tǒng)桌面式交互方式（鼠標、鍵盤）和自然交互方式（手勢識別、語音交互、眼球跟蹤、體感交互、人腦交互）。前者技術(shù)手段成熟，開發(fā)難度低，設(shè)備成本較低，但是交互方式較為僵化，體驗感不理想。后者依托人的自然感覺為基礎(chǔ)，體驗感較好，交互方式較為自然，但是此項技術(shù)較為前沿，因此尚未成熟應(yīng)用的技術(shù)出現(xiàn)，而且依托的設(shè)備往往成本較高，不易于推廣。

2.3 虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)的開發(fā)

虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)開發(fā)主要分成三個部分：虛擬場景建模、模型優(yōu)化處理、虛擬現(xiàn)實引擎制作。其基本流程如圖2所示。

3 實驗驗證

按照本文提出的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)出原型系統(tǒng)，利用Solidworks、3dsmax、Photoshop等建模與圖形處理工具;進行虛擬模型的建模過程，同時在3dsmax中完成動畫制作過程，將模型到處為FBX格式。最后將FBX格式模型文件導入到Unity3D中，完成交互設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的各部分邏輯關(guān)系如圖3所示。

4 結(jié)論

在軌道交通高速發(fā)展期，人才對于行業(yè)的發(fā)展尤為重要，在我國，軌道交通行業(yè)已步入快車道，大量的車輛即將進入維保期，急需大量的車輛維保技能型人才。然而傳統(tǒng)教育手段已然不能滿足行業(yè)發(fā)展需求，傳統(tǒng)與高科技相結(jié)合是教育發(fā)展的必然趨勢，現(xiàn)如今已有許多院校及學者開始研究利用多媒體、虛擬現(xiàn)實和計算機技術(shù)等先進技術(shù)的優(yōu)勢，依托傳統(tǒng)教育優(yōu)秀底蘊，借助高效、高質(zhì)量先進技術(shù)為教學輔助手段，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量、提高教育教學效果。本文基于此，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將VR與傳統(tǒng)教學有機結(jié)合，搭建虛擬教學系統(tǒng)，打破了時空障礙，將教學融入整個系統(tǒng)之中，提升學生學習興趣，提升教學體驗，從而提升教學效果，有助于提高對虛擬培訓的認識和了解，同時有利于對技術(shù)進一步展開深入研究。

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基金項目： 2018年廣東省高等職業(yè)教育教育教學改革研究與實踐項目——基于虛實融合技術(shù)的混合教學模式的研究與實踐—以《軌道交通車輛電器檢修與維護》課程為例（編號：GDJG2019317）

作者簡介： 張倩菡（1990—），女，湖南婁底人，碩士，助教，研究方向為職業(yè)教育、中外合作辦學。

*通訊作者： 李愷（1990—），男，湖南郴州人，碩士，助教，研究方向為虛擬現(xiàn)實、智能制造。