基于VR/AR技術的城軌專業“認識實習”課程的優化與創新探討＊

蔣亞龍

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

近年來VR/AR技術發展迅速，其發展推動了各行各業的信息化進步，土木工程專業在中國基建中起到至關重要的作用，對中國經濟建設起到了促進作用，在新工科背景下，創新綜合型人才的需求量日益增大，特別在當前全國范圍內推進新工科發展的環境下，對人才培養提出了更高的要求[1]，并且隨著中國社會經濟的快速發展，中國已從高速發展轉向高質量發展，強調可持續發展，日前國內大中城市的土地資源的利用趨于飽和，城市地下空間資源的開發利用已成為社會可持續發展的重要方向之一，其中以地鐵為代表的地下設施不僅促進了城市經濟的快速發展，還極大地改善了市民生活條件。

中國一、二線城市陸續開始大力建設軌道交通，2020年底中國在軌道交通上的投資已突破了萬億元，中國對軌道交通方面的人才需求量逐年增大，由此，土木工程城市軌道工程方向（以下簡稱為“城軌專業”）便應運而生，“認識實習”是工科學生了解自身專業的第一門必修課，“認識實習”是通過前往與專業相關企業進行參觀學習，讓學生對自身所學專業有一個初步認識，為后續更深入的學習打下一定的基礎，也是提升學生專業能力的一種重要方式[2-4]。本文結合當前中國對城軌領域的需求，以華東交通大學城軌專業為依托背景，就完善認識學習課程體系、優化課程結構以及加強創新性實踐教學方面，為培養城軌專業創新型人才獻計獻策。

1 城軌專業“認識實習”課程教學存在的問題

在高度信息化的21世紀，新興產業迫切需要的是實踐能力強、創新能力強、具有國際競爭力的“全能型人才”，當然在整個土木建筑行業也是需要不斷地引進新技術、注入新血液，目前開設城軌專業的高校并不算多，主要以土木工程專業強?；蛘叱擒夘愄厣盒橹鳎绕涫菍τ谲壍李愄厣盒５慕處焷碚f，要勇于承擔專業發展的重任，在新形勢新時代的大背景不斷創新，積極探索新教學方式。目前傳統城軌專業“認識實習”課程教學主要是以任課教師授課講解和現場實習參觀2部分構成，存在的不足具體如下。

1.1 傳統的教學方法僵化、互動性不強

“認識實習”課程教學往往需要一些專業基礎課程的支撐，當然也必須依靠實際的工程項目，所謂理論結合實際并不無道理的，因為理論可以指導工程實踐，工程實踐反過來也可以反映出理論。然而目前大多數國內大學在教學活動中主要通過在教室里板書結合PPT演示的方式，這種教學方式存在一定的弊端。盡管板書的形式可以清楚地向學生傳達知識點，但是會造成一個問題，那就是學習過程太枯燥，學生的學習效率會大大降低，不容易把注意力集中在課堂上；而通過PPT演示的教學形式一方面無法讓學生跟上教師在課堂上的進度，譬如教師正在演示PPT時，不可能逐字逐句地說，教師有時在時間不足的情況下會快速翻頁，導致學生錯過了零零散散的知識點，學生一旦在課堂上跟不上教師上課節奏，要想提高教學質量只是任課教師的一廂情愿，另一方面教師在PPT中展示的教學案例一般會長時間使用，少說三五年，PPT課件多年不更新，有時候所展示的是一些老工程，涉及的新技術、新工藝相對偏少，這不利于培養新時代“復合型”人才。

1.2 教學資源有限

不同高校之間的教學資源存在差距，主要體現在教學條件和師資力量上，重點院校相比于普通高校擁有更充足的科研經費，而目前普通高校普遍存在實驗設備陳舊、實驗儀器落后以及教學設施不具多樣化[5]的問題，而且普通高校的師資力量遠不及重點高校，作為高校教師，應該認真思考如何在有限的資源里將最先進的、最優質的、最符合社會發展需要的、最有利于學生發展的優質教學資源運用到課堂教學中。

1.3 課程資源有限

認知實踐是學生獲得更全面、更豐富的實際生產知識的最直接途徑，但由于“認識實習”多以參觀的形式呈現，許多學校的“認識實習”課時一般設置不多，如果學生在專業學習中只能停留在課本或視頻層面，收獲是有限的[6]，尤其像城軌專業的“認識實習”項目一般是在地下工程中，在施工期間存在較大的安全隱患，不適合大量學生聚集。該現象會造成“認識實習”以外部參觀為主，造成學生在專業實踐中缺乏主動性，不善于去發現問題、提出問題以及解決問題[7]。

2 城軌專業“認識實習”課程教學模式優化方法探討

2.1 優化課程結構，建立校企合作

隨著高精尖的技術和設備出現，土木工程行業也在逐漸轉向智能化，為了匹配快速發展的趨勢，這便要求要提升實踐項目水平，及時去跟進技術先進的項目，因此建立高校與卓越企業間的合作關系是迫切需要的，高校具有科研人才，可為企業提供一定的技術服務，但無法提供大型工程項目的實習場地，而當高校與企業建立合作后實現了互通有無、優劣勢互補，學生可以將自身所學理論知識與現場實際聯系起來，加深對理論知識的理解，同時豐富工程項目的實踐經驗，在校期間的實習時間有限的，利用好這寶貴的實習實踐時間有助于學生的未來職業發展。

2.2 增設虛擬仿真綜合“認識實習”課程

在信息技術飛速發展的當下，經常把新興技術作為教學手段與傳統教學進行結合，新興技術主要是包括VR技術和AR技術，發展至今VR/AR技術已經融入了很多領域，并且取得了一系列不錯的成績，教學工作本應該是靈活多變的，結合VR/AR技術通過將現代化技術融入“認識實習”課堂教學中，讓課堂教學不局限于空間和時間的維度，讓學生在任何時間、任何地點都能獨立學習，實現開放式教育，讓課堂學習成為實踐教學的延伸。

3 基于新興技術（VR/AR技術）的“認識實習”課程教學新模式探討

目前，土木工程教學實踐的傳統教學方法已不能滿足培養高層次人才的迫切需要。為了更好地激發學生對城軌學科的興趣，培養學習者主動思考、創新制造的能力，有必要改革現有的教學實踐模式，開放實踐教學理念，旨在將先進的新興技術融入傳統教學實踐，而VR/AR技術是新興技術的代表，VR/AR學習環境帶給我們的不僅僅是一個工作平臺，很可能會孕育出一種新的教學模式或教學手段，盡管目前距離消費者們完全接受AR/AR技術其實還有很長很艱難的路要走，但這并沒有阻擋科技企業研發相關技術的步伐。盡管AR/AR領域仍然存在一些關鍵問題需要解決，但目前部分體驗者已投入使用，可以想象到的是，將VR/AR技術融入城軌專業“認識實習”教學實踐中極有可能會帶來前所未有的體驗[8]。

3.1 VR/AR技術介紹

虛擬現實（簡稱“VR”）是一種能夠創造和體驗虛擬世界的計算機系統。虛擬世界是整個虛擬環境或給定仿真對象的整體，它是由計算機生成的交互式視覺模擬，通過看、聽、摸等功能，讓用戶身臨其境，即沉浸式體驗，因此，沉浸式虛擬現實系統是由計算機圖形學、圖像處理和模式識別、多傳感器、語音處理、音視頻、網絡等技術組成的大規模集成環境。虛擬現實相對應的就是增強現實技術（簡稱“AR”），AR通過對攝像頭圖像位置和角度的精算以及圖像分析技術，可以將屏幕上的虛擬世界與現實世界場景進行組合和交互。兩者差別在于VR場景完全是虛擬的，而AR在現實世界中有很強的聯系。

將VR/AR技術融入教學工作可以達到如下效果：①直接構造出三維場景，在學生上課或者看書過程中通過VR/AR技術構造出三維場景畫面效果，在可視化的環境下進行學習會更加形象，學生可直接在此環境下物品進行互動。②展示難以親眼見到的物品。在城軌專業“認識實習”主要是參觀地鐵建設，例如在地鐵隧道施工過程中最具代表性的盾構機是非專業工作人員難以親眼見到的，當實現現實與虛擬之間的交互時就能使其清晰地出現在學生眼前，甚至細部微觀結構也能清楚看到。

3.2 VR/AR技術在多元化認知實踐教學實踐模式中的應用

以華東交通大學城軌專業“認識實習”課程實踐為例，學校地理位置位于江西南昌，當前正處于南昌地鐵建設蓬勃發展時期，南昌也正是世界VR大會的主辦地，學校將以此為契機，為城軌專業學生安排為期1～2 d的地鐵盾構隧道認知實踐，旨在讓學生初步認知了解盾構隧道的內部結構和主要施工技術。但由于隧道施工現場往往存在危險性，且隧道內空間有限，僅有一條人行通道，不適合幾十名學生同時參觀學習，大多數情況下，學生只能從外面參觀盾構隧道結構，這將導致學生無法前往隧道內部去學習參觀，他們只能通過教科書或視頻的方式從側面學習，此類傳統教學模式主要是向學生傳遞文字信息以及圖片信息等，無法為學生帶來三維立體式感受。

為滿足課程更深入的教學需求，學校構建了如圖1所示的智慧教室，學校堅持3個標準的辦學：好用+易用+愛用。近年來，學校按照國家教育部和省委教育工委的要求，強化學校內涵建設，嚴把教育教學質量關，結合新興技術，充分利用現代化教學設備優化教學手段，全面推動智慧教室的使用和智慧教學平臺的應用。在課堂中教師可以通過VR/AR技術為學生展示無法在現場親歷學習的施工工藝，例如地鐵修建常采用的施工方法——盾構法，對于城軌專業學生來說盾構法并不陌生，但欲讓其闡述盾構有哪些種類、盾構法和TBM的區別、盾構機結構組成以及盾構法施工流程時，還是難以說出所以然。

首先就盾構分類，盾構可以按照斷面形式（分為單圓、多圓、非圓盾構）、開挖直徑（微型、小型、中型、大型、超大型盾構）和支護地層的形式（自然支護、機械支護、泥水支護、土壓支護盾構）進行分類。

接著當談及盾構機構造，可分為：①盾構殼體，盾構殼體又可細分為切口環、支承環和盾尾；②推進系統，主要由均勻分布在支承環周圍的數十個千斤頂和相應的液壓設備構成，在千斤頂頂推力的作用下實現盾構機向前掘進的過程；③拼裝設備，通過高精度的機械臂使得襯砌管片間的縱向螺栓和環向螺栓精準對接，提高管片拼裝質量。

最后就是盾構法施工流程問題，主要施工工序如下所示：①盾構的始發與到達。在盾構機始發或者到達時需要對豎井進行拼裝和拆除。②盾構機的拼裝。由于盾構機質量大，起重設備和運輸設備難以吊裝或者運輸此龐然大物，通常將盾構機拆卸為切口環、支承環和盾尾3部分進行配送，將三者逐一安放至墊層上，依次進行組裝。③洞口加固。當盾構在不良地層中掘進時必須要在洞口處土體進行加固，若土體強度達不到安全要求，當鑿除封口后土體和地下水會快速涌入到豎井內，造成不必要的經濟損失，甚至會造成嚴重的事故。④盾構掘進。通過調整譬如千斤頂頂推力、注漿壓力和泥水壓力（或土倉壓力）等機器參數，保證盾構機沿著隧道設計軸向進行掘進，并保障開挖過程中掌子面的穩定。⑤管片拼裝與注漿。在盾構掘進后將若干個管片塊拼裝呈環形，并在盾尾空隙內進行盾尾注漿，必要時需要進行二次補注漿，以維持在盾構開挖后隧道結構頂部地表沉降穩定。

在VR/AR技術的輔助之下，可以讓學生對盾構有哪些種類、盾構法和TBM的區別、盾構機結構組成以及盾構法施工流程有一個較為深入的了解，一系列危險復雜的施工工序以動畫、視頻以及仿真的方式呈現在學習者面前，能夠讓城軌專業學生更好地理解書本中那些晦澀難懂的專業名詞，進一步擴展學生的知識寬度，加深對具體教學內容的理解。此外，當教學內容通過這種新興技術呈現時極大地增加了學生視覺震撼感，課程教學可在智慧教室中以翻轉教學的方式，提高學生間交互感和參與感，讓每一個學生均能融入到某些具體工程案例中，因此在未來VR/AR技術勢必會帶來教學史上一個重大歷史變革。

4 結語

城軌專業是一門十分重視實踐操練的專業，華東交通大學順應時代發展對專業的培養方案作出小幅度的修訂，在省內率先推出智慧教室這一新概念，積極推進綜合性人才的培養工作，借助智慧課堂這一平臺，土木建筑學院將VR/AR技術引入到城軌專業“認識實習”實踐教學中，應用VR/AR技術的優勢在于可以帶來非常好的沉浸感體驗，學生可以在完全虛擬的環境中體驗傳統教學實踐難以帶來的親身經歷的內容，激發學生的學習激情，“VR/AR技術+認識實習”的教學模式無疑是為城軌專業“認識實習”課程的優化和創新提供新的思路與方法，加快推動了城軌專業“認識實習”教學實踐的新時代建設。