虛擬現實技術在動車組檢修專業(yè)實訓教學中的應用

侯娜娜　朱新龍

摘 要：虛擬現實技術促進了教育模式的變革，解決了實訓教學中面臨的“三高三難”問題，是高職教學改革的重要方向。本文在分析動車組檢修專業(yè)實訓教學困境及虛擬現實技術優(yōu)勢的基礎上，介紹了動車組虛擬仿真檢修實訓室建設方案以及采用虛實結合的方式組織實訓教學的過程，以期為其他研究者開展實訓教學改革提供借鑒。

關鍵詞：虛擬現實 動車組 實訓教學

Application of Virtual Reality Technology in Training Teaching of EMU Maintenance Specialty

Hou Nana，Zhu Xinlong

Abstract：Virtual reality technology has promoted the reform of education mode and solved the "three highs and three difficulties" faced in practical training. It is an important direction of higher vocational teaching reform. Based on the analysis of the training teaching plight of the EMU maintenance major and the advantages of virtual reality technology， this paper introduces the construction plan of the EMU virtual simulation maintenance training room and the process of organizing the training teaching by the combination of virtual and reality， hoping to provide reference for other researchers when carrying out practical training and teaching reform.

Key words：virtual reality， multiple unit， practical teaching

虛擬現實（VR）技術采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生身臨其境的感受和體驗[1]。虛擬現實在醫(yī)療、航空、軍事、娛樂等眾多領域中均得到了廣泛的應用，也推動了教育領域的技術變革。國內學者對虛擬現實技術應用于教學也進行了深入的研究，丁楠[2]分析了虛擬現實在教學中應用的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)，如對學生學習的促進、提供了個性化的學習環(huán)境等。高義棟[3]以紅色VR展館開發(fā)為例介紹了虛擬現實在思政課程教學中的應用。本文介紹虛擬現實技術在動車組檢修技術專業(yè)實訓教學中的應用。

1 動車組檢修專業(yè)實訓教學困境

1.1 實訓教學設備匱乏，技能訓練難實施

動車組核心系統(tǒng)結構復雜、集成度高、造價昂貴、技術保密等一系列特點使得高職院校無法以真車實物作為教學設備，多以實物仿真模型為主，但仿真模型“能看不能動”僅能滿足結構和原理教學的需要，大量實訓教學環(huán)節(jié)難以有效實施。動車組真車實物設備，如受電弓、塞拉門等，因價格高占地大，臺套數較少，課堂教學時間有限，學生動手操作機會少。鐵路企業(yè)因安全生產要求不接收學生跟崗實習和頂崗實習，動車組綜合實踐類課程難以開展。實訓設備數量不足、仿真模型難拆裝、無綜合類設備是制約動車組檢修技術專業(yè)實訓教學的主要因素。

1.2 師資缺乏現場經驗，教學效果難保證

動車組檢修技術專業(yè)教師大多來源于應屆畢業(yè)生，理論知識扎實但缺乏企業(yè)工作經歷，開展實訓教學能力不足。鐵路企業(yè)因質量卡控的要求，教師赴企業(yè)學習“能看不能練”，能熟悉檢修標準和工作流程，但技能操作水平難提高。動車組檢修作業(yè)標準、檢修工藝、檢修工具等新技術、新規(guī)范、新工藝更新速度快，教學內容與企業(yè)現場實際易脫節(jié)，實訓教學內容難跟進。動車組維修基地與學?？缡性O立，企業(yè)兼職教師不能長期承擔教學任務，專任教師缺乏現場經驗，實訓教學效果難保證。

隨著信息技術的發(fā)展，虛擬仿真技術的出現促進了傳統(tǒng)教學育人手段的改革，是有效彌補動車組檢修實訓教學中看不到、進不去、動不了等困難的重要措施，能解決實訓設備成本高昂，受場地、安全等因素影響實訓教學環(huán)節(jié)難實施等問題。因此，建設動車組虛擬仿真檢修實訓室，解決動車組檢修專業(yè)在實訓教學中的困境。

2 動車組虛擬仿真檢修實訓室建設

2.1 建設目標

通過建設動車組虛擬仿真檢修實訓室，能滿足不同車型結構部件認知、企業(yè)標準流程學習、動車組機械師崗位技能實操三個層面的學習需求，能達到教學、演練、考核三層遞進的教學模式需求，能實現教學、培訓、競賽、科研和社會服務的功能。

2.2 建設內容

虛擬現實可分為非浸入式虛擬現實系統(tǒng)、半浸入式虛擬現實系統(tǒng)、浸入式虛擬現實系統(tǒng)[2]。非浸入式虛擬現實系統(tǒng)也叫桌面虛擬現實，將計算機屏幕作為用戶觀察虛擬世界的窗口，通過鼠標進行交互，成本較低。半浸入式虛擬現實系統(tǒng)是桌面虛擬現實的加強版。浸入式虛擬現實系統(tǒng)利用頭盔式顯示器，把參與者的視覺、聽覺封閉起來提供沉浸式空間，造價較高。綜合考慮場地、成本、學生人數、教學效果達成等因素，動車組虛擬仿真檢修實訓室建設分桌面虛擬現實和沉浸虛擬現實兩部分。

桌面虛擬現實由計算機終端搭載桌面版動車組一級修實訓系統(tǒng)、動車組二級修實訓系統(tǒng)和動車組應急故障處置實訓系統(tǒng)。沉浸虛擬現實由VR頭戴設備、無線控制手柄、激光定位器等組成的VR設備搭載動車組一級修、二級修實訓系統(tǒng)。實訓系統(tǒng)以高度仿真的工作場景、設備和工具、真實的作業(yè)流程，滿足實訓環(huán)境就是工作環(huán)境，實訓內容就是工作內容的需求。根據動車所檢修庫的結構布局創(chuàng)建虛擬檢修作業(yè)場景，按照主流動車車型的外觀結構和內部構造制作高度逼真的動車組模型，以情景化教學的形式把行業(yè)技術規(guī)范和標準作為實訓標準逐步引導學員學習，學員依據動車組一級修、二級修、應急處置標準作業(yè)流程完成地勤機械師、隨車機械師崗位內容演練，建成后的實訓室布局圖如圖1所示。

2.3 實訓室功能

動車組虛擬仿真檢修實訓室主要功能有：（1）動車組車頂、車內、車側、車底、司機室等區(qū)域的結構認知;（2）動車組一級修作業(yè)，包括司機室設備檢查作業(yè)、車體兩側檢查作業(yè)、車下檢查作業(yè)和客室設施檢查作業(yè);（3）動車組二級修作業(yè)，包括動車組閘片更換、輪對尺寸測量、空氣彈簧高度測量、空心車軸探傷、受電弓滑板更換、研磨塊更換等;（4）動車組應急故障處置，包括機車救援、動車發(fā)生火災爆炸、空氣制動切除、受電弓自動降下、軸溫報警切除/復位操作、空調切除/復位操作等。

3 實訓教學實施

高速列車運行過程中輪對不斷被磨耗，輪對尺寸不在限度范圍內可能會危及行車安全。輪對尺寸測量是動車組機械師必備的一項操作技能，輪對尺寸測量包含輪徑尺寸測量、輪對內側距測量、輪緣尺寸測量、制動盤磨耗測量、閘片磨耗測量6個子項目?，F場教學中，因班級人數多、實訓工位少，學生輪流練習需要較多的課堂教學時間才能完成，且教學過程中會出現教師示范學生看不見、學生練習教師指導不到位的情況。動車組虛擬仿真檢修實訓室建成后，與現有的實物設備相結合，以實帶虛、以虛助實、虛實結合開展實訓教學提高了教學效率。下面以輪緣尺寸測量項目為例介紹實訓教學過程。

3.1 課前階段

教師在職教云平臺上傳學習指南及學習資源并發(fā)布課前要求。課前任務有：（1）學習動車組車輪檢查器微課，熟悉動車組車輪檢查器各部分的名稱、作用及測量方法;（2）閱讀輪對尺寸測量作業(yè)指導書，熟悉測量要點及檢修限度。

3.2 課中階段

輪緣尺寸測量項目課堂教學設計了識工具、知流程、練技能、賽風采四個教學環(huán)節(jié)。動車組車輪檢查器組成部件較多，認識動車組車輪檢查器各測尺的名稱及作用是開展測量任務的基礎，課前學生已學習了動車組車輪檢查器微課，為了發(fā)揮學生主體地位，課中由學生講解部件名稱及作用，教師補充。正確的測量步驟是測量結果準確的保證，學生進入動車組虛擬仿真實訓系統(tǒng)的教學模塊，在系統(tǒng)的引導下逐步進行模擬演練，梳理出作業(yè)流程，即動車組狀態(tài)確認、工具檢查、輪緣尺寸測量、工具清點四個步驟，總結出輪緣尺寸測量步驟口訣：一落二貼三讀四記錄。動車組虛擬仿真實訓系統(tǒng)工位多，學生可反復練習，解決實物訓練設備少、時間短，測量過程中遺漏步驟或順序混亂的問題，達到熟悉作業(yè)流程和步驟的目的。技能練習在真實的作業(yè)環(huán)境中進行實物訓練，通過學生示范、教師指導、角色扮演、心得分享、微課輔助、問題梳理等環(huán)節(jié)完成測量任務，達到技能鞏固和提升的作用。小組PK賽風采環(huán)節(jié)將技能與素養(yǎng)結合，讓學生會技能、有匠心。

3.3 課后階段

教師通過職教云平臺布置課后任務：（1）拍攝輪緣尺寸測量視頻，及時鞏固技能并培養(yǎng)學生視頻拍攝和制作的能力;（2）輪對尺寸測量結果不在限度范圍內會進行鏇修，通過觀看數控不落輪鏇修視頻拓展學生知識面。

4 結語

虛擬現實技術的出現破解了動車組檢修技術專業(yè)實訓教學中高投入、高難度、高風險、難實施、難觀摩、難再現“三高三難”的困境，推動了專業(yè)實訓教學模式的改革和師資隊伍建設，對提高教學質量和人才培養(yǎng)具有極大的促進作用。目前我校的虛擬仿真資源配置在固定的實訓室，不能滿足學生隨時隨地個性化學習的需求，下一步應建設虛擬仿真資源平臺，實現優(yōu)質虛擬仿真實訓資源的開放共享和持續(xù)應用。

【基金項目】2020年度柳州鐵道職業(yè)技術學院教改項目（2020-JGA04）“基于翻轉課堂的混合式教學模式實踐研究——以《動車組機械裝置檢修》為例”。

參考文獻：

[1]王同聚.虛擬和增強現實（VR/AR）技術在教學中的應用與前景展望[J].數字教育，2017，3（01）：1-10.

[2]丁楠，汪亞珉.虛擬現實在教育中的應用：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)[J].現代教育技術，2017，27（02）：19-25.

[3]高義棟，閆秀敏，李欣.沉浸式虛擬現實場館的設計與實現——以高校思想政治理論課實踐教學中紅色VR展館開發(fā)為例[J].電化教育研究，2017，38（12）：73-78+85.