VR技術在鐵道車輛教學中的探索與應用

胡士華　陳文軒　萬里榮　白文濤

摘 要：軌道交通認知類實訓課是進入軌道交通類企業工作的專業基礎課，此類基礎課程的實訓效果直接影響其相關工作能力，本文針傳統理論課弊端及軌道交通實訓難度問題，提出結合現代VR技術的人機交互教學法，打破常規的教學方法，實現理實一體，為學生適應鐵路企業工作打下堅實基礎，論文以動車組概論課程進行傳統教學和VR教學對比，證實VR實訓效果有明顯提升作用。

關鍵詞：軌道交通 實訓效果 VR技術 理實一體

Application of VR Technology in Cognitive Training Course of Rail Transit

Hu Shihua，Chen Wenxuan，Wan Lirong，Bai Wentao

Abstract：Rail transit cognitive training course is a professional basic course for entering rail transit enterprises. The training effect of such basic courses directly affects its relevant working ability. Aiming at the disadvantages of traditional theoretical courses and the difficulty of rail transit training， this paper puts forward a human-computer interaction teaching method combined with modern VR technology， breaks through the conventional teaching methods and realizes the integration of theory and practice. To lay a solid foundation for students to adapt to the work of railway enterprises， this paper compares the traditional teaching and VR teaching of EMU introduction course， and proves that the VR training effect can be significantly improved.

Key words：rail transit， training effect， VR technology， integration of theory and practice

1 引言

大網絡時代下，虛擬現實技術的發展越來越好，且勢頭仍然十足，虛擬現實技術涵蓋視覺圖像處理、軟件工程、3D渲染等多項高級專業技術，在多個工程領域都有所涉及，尤其是國家大力支持的高端專業方面。軌道交通一直都是世界各國的命脈，我國也不例外，隨著2007年的全國第六次鐵路大提速，鐵路速度創造了驚人的奇跡，為了加快國家發展，鐵路局、地鐵迎來了大機遇與挑戰，這對相關從業者的能力需求也越來越高。基于此，全國各大學校紛紛開設相關專業，鐵路院校對該類的專業尤為重視。

軌道交通的專業基礎課程都兼帶有課內認知實訓，理論實際結合的好不好直接影響到軌道行業從業者的基礎知識水平，而基礎直接影響水平的深度。為了培養更多更優質的軌道行業從業者，將VR虛擬現實技術引入到此類課程當中已變得越來越重要。

2 傳統軌道交通認知類實訓課在教學中存在的問題

2.1 傳統理論課的弊端

理論的學習往往相對枯燥乏味，且理論的學習并不能對學習者形成固有的實體印象，現場認知實訓課成了該課程的至關重要步驟，甚至可以說，現場的認知實訓是此類課程的核心。

當前客觀環境及現有技術下，要想培養的學生有充足時間在課程中學習到有用知識。迫切需要通過使用VR技術并結合電腦終端還原出軌道交通真實情況的環境，讓學生沉浸其中，最大程度讓每一個學生在有限的時間里學掌握和未來專業發展方向契合的基礎知識。為后面的專業核心課程提供強有力的基礎，也為他們未來走向社會工作崗位邁出了堅實的一步。

2.2 給教師帶來的教學問題

對于每個教師來說，能讓學生順利學會知識點并懂得利用是件很重要的事。職業教育相對本科或者研究生教育更注重實踐操作，良好的實踐環境直接會影響到學生的學習結果，這對于打基礎的學生尤為重要，但由于軌道交通行業的封閉性和實訓器材教學樣本的難獲取性，更多的實訓現場是往往是一群學生圍繞著一臺設備或者是一個設備模型去學習研究，這樣的情況下，教師避免不了要講多遍，同一個內容多遍重復會使得講課情緒消沉，課堂效果大打折扣;此外，對于學生來說，設備不夠情況下，往往其中一組正練習占用設備，其他組只能等待，這也會造成寶貴的的課堂時間浪費，軌道類實訓場地大多在戶外，碰到嚴寒酷暑，給老師學生都帶來不少的身體安全挑戰。

2.3 學生實訓中易引起安全隱患

上實訓課時，學生人員流動性比較大，一個老師很難兼顧到既要講好知識又要管理整個班級的安全、紀律等問題，必然會造成少部分學生監管不到位，安全意識淡薄的學生對一切產生好奇，很可能會對各種亂動，亂按，違規操作對于昂貴設備損耗不說，更重要的是如果是帶電，帶尖銳部分的設備，容易誤觸造成短路引起火災，也容易被尖銳器材傷害，對老師、學生都是有巨大安全隱患。

2.4 給學校帶來的問題

軌道交通屬于封閉性比較強的行業，封閉性使得其設備要被獲取難度性大于其它普通行業，尤其對于整機車、整動車組、整地鐵這種大型教學設備難度頗高。

學校的發展離不開巨大資金支持，所以資源資金面的分配對學校影響深遠。從資金上考慮，軌道交通實訓樣本往往大件且笨重，購買價格極其昂貴，很多學校難以承受。比如一輛機車、動車或車輛，其造價動輒幾千萬甚至上億，對于一所普通院校的資金鏈都是個巨大挑戰。

3 虛擬現實（VR）技術在軌道交通實訓課程中的探索

針對以上問題，柳州鐵道職業技術學院領導充分重視，并且花費重資聯合武漢風河信息科技有限公司在動力技術二級學院建立了VR實訓室。經過近兩年期間投入使用，動力技術學院學生在軌道交通認知類實訓課程中獲得了巨大的效益效果。

3.1 搭建VR實訓室建設基本信息

經過校方和各配合公司努力，采購的軟硬件內容：VR圖形工作站、VR設備、VR區域框架結構搭建及弱電工程、交互智能教學平臺、管理服務器、動車檢修一級修、二級修沉浸式學習軟件套、一級修、二級修仿真實訓軟件、應急故障處置實訓軟件、圖形工作站管理機、教學端動車檢修虛擬實訓管理軟件、桌面版圖形工作站、圖形工作站管理工作臺、VR圖形工作站、桌面版圖形工作站學員桌椅、耳機、機柜、網絡交換機、網絡系統。

3.2 增強理論與實訓結合體驗，做到“玩中學”

軌道類基礎課程，都有著理論結合實訓環節，傳統上理論和實踐都是分開進行，會出現理論課剛剛聽懂，到實訓課時出現忘記狀況，這對于學習肯定是不利的。把VR技術融合到此類課程，可以真正做到理論實訓結合，這很大程度上，提高學生的學習效率，做到“現學現做”。另外的VR技術由于其真實體驗感，學生容易身臨其境，設置學習進度關卡，增加趣味性，像打游戲一樣，真正做到“玩中學”。

3.3 增強實訓教學效果，考核學生綜合水平

VR技術具有很強的靈活性，不受制于太多的環境影響，且有著多次使用不易損壞等優點。此外，VR實訓室的內學習，可以有效避免事故的發生。學習期間，利用VR技術加計算機結合的便捷性，學生的學習效果可以受到老師的實時監控，老師可以及時進行糾正與指導，最大的做好師生互動。考核期間利用平臺出成績，避免人為的主觀性，真正做到公平公正。

4 VR融合課程具體教學應用

為了驗證VR融合課程能否帶來一定的積極效果，本次選用軌道交通專業具有代表性的《動車組概論》課程來進行探究，將同一個班級分成兩組進行授課，一組以傳統教學方法授課，另一組融入VR進行授課，圖1為學生通過VR設備學習，再以項目考核進行效果對比。

4.1 題材選取及VR理念教學安排

《動車組概論》課是鐵路高職院校了解動車知識的入門基礎課，涉及內容范圍較廣，轉向架作為復雜且重要的部分，本次教學內容以此為實踐對象，配合以任務驅動，小組PK、關卡難度遞增的循序漸進教學模式。

4.2 課后評價及教學結果反思

VR概念第一次融入到動車組概論課程學習當中，學生對此興趣濃烈，結合合理的環節設計，普遍對動車轉向架結構掌握情況達到良好以上成績。少數幾位同學存在基礎差異化，但經過正確學習引導，也基本能完成任務，達到預期效果。課后對傳統組和VR組兩組同學進行轉向架知識項目考核，考核結果如下表2。

表2中可以看到，VR融合教學相對于傳統教學，在測試項目結構組成、認知操作、作業上正確率分別提高了12%、13%、10%。可以看出VR教學對于學生學習有著很好地幫助。課程結束后，學生評論對于VR新型教學方法都給予了肯定，并表示以后希望學校能將VR融入到其它更多的課程，以供他們學習。

5 結語

本文就軌道類認知實訓課程融合VR技術進行研究。采用VR虛擬實訓室+課程形式，不僅可以完成軌道交通概論課程的認知實訓存在的欠缺，還能提高學習者的興趣，教師和學生良好的互動配合，極大的提高學習效率，真正做到“玩中學”。《動車組概論》課程傳統教學和VR融入教學對比結果很好地反映了VR技術具有一定提升作用。

柳州鐵道職業技術學院已將該技術應用到了動車組檢修專業當中，并取得良好的成績，借鑒于此，為了取得更好的效果，可以就類似課程的增加VR設備投入，讓學生在軌道交通專業學習到更多、更扎實的知識。

教改課題，項目編號：2021-JGA04。

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