虛擬現實技術在城軌車輛技術課程信息化建設中的應用

魏 巍

(北京勞動保障職業學院，北京 100029)

1 前言

2019年初，國務院正式印發《國家職業教育改革實施方案》(俗稱“職教20條”)，吹響了現代職業教育改革的嘹亮號角。職業教育領域的各個方面正在與信息技術發生深度融合，新一代信息技術應用已成為教育教學的基本元素之一，新的課程形態正在建立，新的學習生態正在形成。課程形態和教學模式由傳統的常規課堂面授，逐步向線上/線下結合、多媒體全息資源、跨地域全時域共享的方向迅速發展。“互聯網+”、大數據、人工智能、虛擬現實等信息時代新技術使創新多種教學模式，面向不同學習對象，支持多點學習終端的“教與學”成為可能。

根據學院2017～2020年專業改革與發展規劃及特高校建設的改革需要，并結合北京城市軌道交通發展趨勢和我院城市軌道交通機電技術專業建設的具體情況，依托市級財政專項的資金支持，于2019年正式啟動了城軌車輛技術課程的信息化建設項目，嘗試借助虛擬現實(VR)技術開發出一系列針對城市軌道交通車輛檢修工作現場的，以交互式、體驗式教學場景和三維動畫模擬為特色載體的教學資源庫。

始于2020年初的新冠疫情全球性多點爆發，使國際、國內高等職業教育模式面臨前所未有的新挑戰。筆者也試圖在此次城軌車輛技術課程信息化建設項目的執行過程中探索疫情防控常態化背景下的工科實訓教學的新路徑和新方法。

2 虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術始創于20世紀90年代的美國，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術，又稱靈境技術。借助計算機仿真生成基于實時動態三維數字模型的，以視覺感受為主，包括聽覺、觸覺等多種的動態感知的人工虛擬環境，給人一種“身臨其境”的感覺。

虛擬現實系統的主要特征包括：浸沒感、交互性和構想性。這3個特性的英文單詞首字母均為I，所以通常被統稱為虛擬現實系統的“3I”特性。

目前，虛擬現實技術主要分為四大類：①桌面級的虛擬現實；②投入的虛擬現實；③增強現實性的虛擬現實；④分布式虛擬現實。本文所涉及的城軌車輛技術課程信息化建設項目擬采用的虛擬現實技術以桌面級虛擬現實技術和投入式虛擬現實技術為主。

3 城軌車輛技術系列課程建設的現狀

我院的城市安全與應急管理系的“城市軌道交通機電技術”專業開設的城軌車輛技術系列課程主要包括：“城市軌道交通車輛”課程，是2012年我院教師和香港地鐵、北京地鐵專業技術人員一起開發的8門專業基礎課程之一，48課時，是面向全專業學生必修的通識性教育課程；“電動列車部件檢修”課程，是針對地鐵行業城軌電動列車檢修工及城軌電動列車駕駛員方向的崗位需求開發的專業方向課程，108課時，主要供大三畢業年級學生根據就業方向和需求自主選修。

上述兩門課程開發的教學內容均與工作內容、崗位需求高度契合，如地鐵駕駛員崗位的教學內容側重于懂原理，會操作；而城軌電動列車檢修工除了懂原理，會操作外，還要進行維護、維修操作；對于城市軌道交通機電技術專業的其他就業崗位，也有必要對城市軌道交通車輛有較全面的基礎認知。

目前，城軌車輛技術系列課程所使用的教學資源主要是教學課件和電動列車部件檢修實訓室設備等。課件中除了文字外，主要包括少量的地鐵企業工作現場及車輛、設備的圖片，可用的視頻資料匱乏。相對而言，教學資源的形式比較單調，電動列車部件檢修實訓設備體量龐大，結構復雜，加之部分實訓人員安全的顧慮，實訓室相當部分的零部件都只能看，不能拆。無法滿足城軌車輛技術課程教學對于整個地鐵車輛的結構、城市軌道交通車輛各子系統的組成、各系統間復雜的聯動連鎖控制關系、控制邏輯及控制流程、地鐵車輛段工作流程、車輛檢修工藝規范等比較抽象的課程知識和實操訓練的重難點突破。希望通過本課程信息化建設項目實施，豐富升級后的“城軌車輛技術”系列課程的教學資源，實現課程教學的全面信息化。

通過城軌車輛技術課程信息化建設項目的前期調研與論證，初步確立了該項目設計與實施的4個基本原則：①發揮校企合作的優勢，與北京地鐵、京港地鐵等企業緊密協作，在項目前期調研、招投標、項目實施等不同階段聽取企業技術人員的寶貴意見；②盡量采用相對成熟的信息化技術手段，提高軟件開發的成功率，縮短項目研發周期；③課程資源開發的原始素材均應從地鐵運營一線或生產廠家獲得，使課程資源開發成果與企業實際高度契合；④項目涉及的設計工具和軟硬件配置應考慮與學院現有局域網或VR類教學設備相兼容。

4 應用虛擬現實技術構建交互式教學環境和場景資源

城軌車輛技術課程信息化建設項目由五大模塊構成：系列精品教學課件開發；虛擬仿真交互式教學環境開發；系列微課開發；課程試題庫開發；典型案例資源開發。其中，虛擬現實(VR)技術得到了大量的應用，全面提升了課程信息化建設項目的建設質量和教學效果。

虛擬仿真交互式教學環境開發是整個課程信息化建設項目的重點，采用solidworkes三維建模技術、composer三維立體動畫場景展示技術、VR虛擬仿真技術等開發，實現了全新的信息化課程教學環境與資源拓展。開發內容包括：

(1)地鐵檢修中心(車輛段)三維立體教學模型開發(1套);

(2)車體模塊化生產流程三維立體教學模型開發(1套);

(3)轉向架結構組成(總裝爆炸圖)三維立體教學模型開發(1套);

(4)牽引電機拆裝流程訓練交互式VR教學模型開發(1套);

(5)VR虛擬現實交互式、體驗式教學場景(日檢)開發(1套);

(6)VR虛擬現實交互式、體驗式教學場景(列檢)開發(1套);

(7)城軌車輛客室內氣流分布三維立體動畫場景開發(1套);

……

其中，軌道交通地鐵檢修中心(車輛段)教學場景及車輛車體、走行部、連接部、驅動部、制動部等各主要部件教學模型的建模采用Dassault Systemes S.A公司的solidworks軟件開發平臺開發實現，SolidWorks 2016 *64 Edition開發環境如圖1所示。

4.1 三維建模實施步驟

(1)設計標準軌道交通土建結構及設備系統CAD二維平面圖。

(2)基礎組件設計，利用已設計開發的CAD二維平面圖設計尺寸，通過SolidWorks集成開發環境進行三維模型設計，繪制主要流程：①草圖繪制；②特征繪制；③材質與渲染。

(3)裝配體集成，利用已繪制好的單體SolidWorks組件，進行集成裝配，實現所需的完整模型結構體。

4.2 三維動畫開發實施步驟

(1)三維模型設計，利用SolidWorks設計完成動畫所需全部三維模型，生成.SLDASM裝配體文件。

(2)將三維模型導入到composer集成開發環境。

(3)在composer集成開發環境內逐幀進行動畫設計開發。

4.3 交互式教學環境和場景搭建

采用Unity 3D集成開發環境實現虛擬場景加載、VR設備加載、交互開發及最終產品打包發布等全過程，此部分開發涉及前期軌道交通基礎場景、設備系統的完整建模，配套以Unity3D中進行Visual C#等后臺應用程序開發。Unity 3D集成開發環境如圖2所示。

4.4 基于虛擬場景的職業安全教育考試模塊開發

城軌車輛技術課程信息化建設項目的試題庫開發模塊，利用分布式DBMS數據庫技術、無線網絡傳輸與控制技術，并結合手機或無線PAD終端應用程序技術開發了完整的試題庫。試題庫包含5種題型：選擇題、判斷題、填空題、簡答題、論述題，可實現遠程在線考試的全流程，以全新的信息化手段提高學生的學習欲望，以信息化手段督促學生緊隨教學進度，完整掌握本課程的學習任務。

借助虛擬現實技術，該試題庫將擁有一套城市軌道交通地鐵檢修中心(車輛段)工作場景下的安全作業規范VR考試模塊。該模塊既可用于安全培訓，也可用于安全教育考試。借助VR頭盔等硬件設備，被測試者將置身于近乎真實的地鐵車輛段工作場景中，接受系統預設的安全行為規范測試。

5 結語

在城軌車輛技術課程信息化建設項目的實施過程中，所有的三維立體教學場景、主要設備模型、動畫場景均要求嚴格按照軌道交通標準現場級設備系統進行開發；課程所涉及的非仿真三維場景，各類組件、部件、元器件、接線及控制原理也均要求與軌道交通現場級保持一致。虛擬現實技術在其中的合理應用為實現上述嚴苛的技術要求提供了可能性。

虛擬現實技術(VR)的發展為軌道交通類職業培訓課程的信息化教學和課程資源開發提供了一種全新的技術手段。基于虛擬現實技術的課程虛擬仿真資源或虛擬實驗室(實訓室)未來將成為工科類職業教育的標準配置之一。