VR技術提升軌道交通類實訓教學質量的可行性研究

胡靖

關鍵詞：VR;實訓;軌道交通

一、背景分析

VR（Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實）是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾在20世紀80年代初提出的。VR的具體內涵是：綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術。虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，利用多源信息融合的交互式三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。

隨著互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興技術的飛速發(fā)展，各類新興技術在各行業(yè)中成為決定生產力的關鍵因素，這些技術對于職業(yè)教育行業(yè)也產生了巨大的影響。隨著《國家業(yè)教育改革實施方案》的各項政策逐步落地，對職業(yè)教育培養(yǎng)的技能型人才提出了更高的要求，同樣需要職業(yè)院校運用先進的科學方法和手段，滿足企業(yè)對于高素質高技能人才的需求，這一點在軌道交通行業(yè)顯得尤為突出。

截至2020年年底，我國內地累計有40個城市開通軌道交通運營，軌道交通歷程突破7545千米，軌道交通行業(yè)已經(jīng)進入又一個十年發(fā)展黃金期，在接下來十年發(fā)展期內，軌道交通行業(yè)必將經(jīng)歷較大變革，其中主要的問題為軌道交通建設投資較大，許多中小城市跟風建設，且經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各大型城市線路趨于飽和，對于人才需求也從專精型人才逐步轉變?yōu)榧寄軓秃闲腿瞬?。在這樣的背景下，對于職業(yè)院校的人才培養(yǎng)提出了更高要求，對人才技能要求更全面，也對各職業(yè)院校實訓設備的全面性提出了更高要求。因此解決實訓場地占地廣、實訓設備造價昂貴等問題成為了軌道交通類專業(yè)建設中的關鍵一環(huán)，而虛擬現(xiàn)實技術的進一步發(fā)展，為解決這類問題提供了更優(yōu)的選擇。2016年中國的VR市場規(guī)模為34.6億元，到2021年，經(jīng)過5年發(fā)展，預計中國會成為全球最大的VR市場，行業(yè)整體規(guī)模將達到790.2億元，而在其中，教育和培訓的巨大需求是VR市場快速增長的主要原因，可見VR技術在教育領域廣闊的發(fā)展前景。

二、VR技術在教育教學中的前景

教育部提出的《職業(yè)教育提質培優(yōu)行動計劃（2020-2023）》明確提出，在全國范圍內遴選出100個左右示范性虛擬仿真實訓基地，將虛擬仿真技術與人工智能、職業(yè)教育實訓教學深度融合，解決職業(yè)教育高投入、高損耗、高危險、難實施、難再現(xiàn)、難觀摩的問題，利用示范性虛擬仿真實訓基地的資源共享、輻射周邊，解決實訓教學資源不足問題，在2022年基本實現(xiàn)“三全兩高一大”的發(fā)展目標。

教育部在2018年印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃中》，已將VR技術明確列入教育信息化建設的重點任務中，在國家層面對于VR技術能帶動教育行業(yè)發(fā)展，提升教學效果充滿了信心。2021年7月，教育部確定職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目，全國共215個虛擬仿真實訓基地項目入選，通過示范性虛擬仿真實訓基地項目建設，達到賦能虛擬仿真實訓教學優(yōu)勢，推進職業(yè)教育現(xiàn)代化進程，輻射帶動區(qū)域職業(yè)教育綜合發(fā)展等意義，教育部明確提出要重視虛擬仿真技術，將虛擬仿真技術作為改革傳統(tǒng)教學方法、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的重要手段，加強虛擬仿真技術在職業(yè)教育領域的應用與研究。全國首個國家職業(yè)教育虛擬仿真示范實訓基地也將在2021年10月亮相，標志著虛擬仿真技術在職業(yè)教育中的發(fā)展進入了新的階段。

北京師范大學關于AR技術在教育行業(yè)的案例做過統(tǒng)計，例如在高等教育的立體幾何教學中，利用AR技術將2D圖形與3D圖形相結合，免去手工建模的麻煩。增強現(xiàn)實技術（AR）在近幾年的醫(yī)學教學領域發(fā)揮了巨大的作用，微軟公司在AR眼鏡的發(fā)布會上就展示了在醫(yī)學教育領域的能力，可以單獨觀察某一器官的運動，還可以觀察到不同層次的人體結構;在教育書籍方面，將AR技術融入圖書，利用AR技術進行輔助閱讀，增加了閱讀的趣味性;VR/AR技術用于科技館、博物館等場地針對市民的科普教育，例如中國科技館的“天工開物”和“祖國山河”等項目，游客在游覽時，可以通過虛擬模型直觀地認識各類器物。

三、VR技術在軌道交通行業(yè)員工培訓中的應用

城市軌道交通已經(jīng)從智能交通往智慧交通發(fā)展，智慧交通中核心就是需要實現(xiàn)智能運維。智能運維技術面向列車運行的復雜環(huán)節(jié)，高度運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等技術，形成一套具有列車狀態(tài)感知與跟蹤、故障診斷預警、剩余壽命預測、運維智能決策、作業(yè)自動化等能力的智慧系統(tǒng)，實現(xiàn)列車運維精準管理。在此前提下，對于行業(yè)員工新技術、新技能提升已經(jīng)提上日程.各地城市軌道交通人力培訓成本占到日常運營總成本50%以上，通過校企共建實訓基地，利用職業(yè)院校所建成的VR實訓室進行員工培訓，可以節(jié)省大量設備建設和維護成本，達到設備共用的目的。VR技術經(jīng)過多年發(fā)展，在各院校已經(jīng)成為一項穩(wěn)定實現(xiàn)實訓教學的方式，校企合作共建專業(yè)實訓室既能解決學校實訓室與企業(yè)現(xiàn)場脫節(jié)問題，也能充分利用學校實訓室對企業(yè)員工進行培訓和提升，達到實訓室功能的有效利用，避免重復建設浪費資源的問題。

以成都鐵路局電務部重慶電務段為例，重慶電務段培訓基地在北碚火車站，主要設備為現(xiàn)場設備利舊使用，現(xiàn)場各電務段均采用此類方式建設職工培訓基地，現(xiàn)場設備到達使用年限后，在現(xiàn)場無法繼續(xù)使用，但能滿足教學需求，企業(yè)培訓基地同樣面臨培訓基地建設場地不足、工位不足問題，而此類培訓基地只能完成車站基礎設備及聯(lián)鎖系統(tǒng)基礎培訓，受實際場地限制，無法完全貼合鐵路現(xiàn)場，對于列控、聯(lián)鎖等幾大系統(tǒng)之間的功能也只能進行理論教學。為解決此類問題，近幾年成都鐵路局電務部、重慶軌道集團等單位也在積極與各地職業(yè)院校交流，希望能達到共建專業(yè)實訓室，同時利用高校實訓室完成新人職員工技能培訓要求，并將新員工人職考核地點落戶各高校，既能解決高校學生頂崗實習無法到現(xiàn)場去的問題，又能解決員工培訓問題，縮短新員工人職培訓時間，降低培訓成本，讓新員工能更快達到上崗要求。

以重慶公共運輸學院為例，學院與江西科駿實業(yè)有限公司合作共建的虛擬仿真（VR/AR）創(chuàng)新實驗實訓中心，已經(jīng)順利通過驗收，該實訓中心建設完成后，重慶公共運輸職業(yè)學院將利用已有軌道交通類專業(yè)實訓室承擔每年成都鐵路局的“2+1”定向培訓、司機提職培訓等各類培訓，負責新人職員工崗前培訓，解決企業(yè)培訓難題。

四、軌道交通專業(yè)實踐教學應用虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢與意義

以鐵道信號自動控制專業(yè)為例，當前各鐵路局及軌道交通集團對于新進信號專業(yè)崗位員工要求需達到中級信號工水準，要求學生能夠獨立完成各項信號基礎設備的集中檢修與測試，能對現(xiàn)場信號基礎設備出現(xiàn)的簡單突發(fā)故障進行處理，對于學生理論知識和技能要求進一步提高。而信號設備幾乎包括軌道交通行業(yè)車站內所有主要設備，要達到相關崗位要求，需要學生有大量時間進行實踐技能能力訓練，就進一步要求各院校完善相關設備，并且工位數(shù)能滿足學生訓練要求，通過與相關信號設備生產廠家調研發(fā)現(xiàn)，要利用現(xiàn)場設備達到上述要求存在各類問題。

（一）傳統(tǒng)實訓室教學存在的問題

1.學校前期投入大

以信號專業(yè)技能當中一個實現(xiàn)模塊“轉轍機集中檢修與測試”為例，若學校按照小班配置，一個班級30名學生，在實訓課程授課中需要達到所有同學都能進行練習而不是體驗的要求，針對一個班級的授課，至少需要6臺轉轍機才能滿足至少5人為一組的分組練習;且以重慶地區(qū)為例，通過調研成都鐵路局、重慶軌道集團和重慶鐵路集團等大型軌道交通國有企業(yè)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場常用轉轍機型號就包括ZYJ7、ZY4、ZDJ9、ZD6等多個型號，為滿足企業(yè)人才培養(yǎng)需要，至少需要建設兩個型號設備，已經(jīng)轉轍機連接的線路，僅此一個實訓項目投入造價就上百萬。

2.進行后期維護成本高

對于高校實訓室建設最大難點在于后期維護保養(yǎng)，由于大部分教師缺少現(xiàn)場工作經(jīng)驗，缺乏現(xiàn)場設備維護經(jīng)驗，遇到設備故障也無法解決，加上學院實訓設備使用頻繁，導致大部分實訓設備由于保養(yǎng)不到位，建成不久就無法使用的情況，若聘請廠家人員維護又需要較高維護費用。

3.實訓時安全性

任何實訓項目都存在安全性，而學校對于安全性要求較高，加之學生對于設備不了解，對于現(xiàn)場安全要求不夠重視，容易出現(xiàn)學生私自操作設備導致一些顯性的安全事故;除此之外，一些隱性安全問題也同樣存在，例如實訓課配備兩位教師授課，也容易出現(xiàn)實訓教師很難全面關注每個學生的操作行為，也可能成為事故隱患。而部分院校處于安全角度考慮，無法完全按照現(xiàn)場要求開設實訓項目，導致影響到學生基礎技能掌握，降低實訓課程整體教學質量等問題。

4.教學條件無法契合企業(yè)環(huán)境

軌道交通行業(yè)為了培養(yǎng)學生大國工匠精神，各院校在實訓室建設過程中都會讓實訓室盡量貼合企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，讓學生在教學期間就熟悉相關安全要求，但同樣會導致實訓環(huán)境受天氣影響較大，例如夏天室外天氣過熱，會導致學生上課效率降低，實訓條件相對落后的問題。

以上各類問題逐漸成為信號類專業(yè)建設的最大難題，VR技術的引入能夠很好地解決以上各類問題。

（二）VR系統(tǒng)在實踐教學中的優(yōu)勢

VR技術能夠很好地解決以上各類問題，讓學生學習擺脫了場地限制，提升實訓教學效果，增強學生學習興趣。

1.解決實訓場地問題

利用VR技術，打破了傳統(tǒng)的實訓室教學模式，學生可以在機房實現(xiàn)實訓設備的拆裝，掌握各實訓設備基本結構，利用理實一體化教學，讓學生更容易掌握各類基礎知識，也降低了實訓室建設場地要求，可以將場地用于更需要現(xiàn)場操作的實訓室建設。

2.實訓項目建設投入降低

VR實訓室的建設主要成本在與硬件設備的搭建以及后續(xù)課程開發(fā)的投入，現(xiàn)各學院采用的是整合各專業(yè)教師資源，充分利用專業(yè)教師與基礎課教師進行課程共建，既降低了前期投入成本，也讓教師充分參與課程建設，解決后期課程內容更新問題，讓課程能跟上現(xiàn)場技術要求，充分提升教師信息化教學能力。

3.提高實訓教學安全性

在信號類實訓課程中存在較多安全隱患，信號專業(yè)屬于電務系統(tǒng)，會長期接觸各類220V與380V電源，在實訓要求中對于安全操作要求高，避免學生出現(xiàn)觸電危險，部分機械部件的更換檢查易出現(xiàn)砸傷危險，傳動機械易出現(xiàn)肢體傷害的安全隱患。利用VR技術能將部分安全性要求高，極易發(fā)生安全事故的實訓項目利用虛擬仿真技術實現(xiàn)，在虛擬環(huán)境中去模擬現(xiàn)場操作，即使學生出現(xiàn)操作失誤，也不會造成實際財產損失以及安全事故，讓學生既掌握了技能，又避免了安全隱患，更符合學校教學要求。

五、虛擬現(xiàn)實技術在職業(yè)教育中存在的問題

（一）虛擬現(xiàn)實技術硬件與技術問題

在虛擬現(xiàn)實技術中，設備至關重要，其中頭戴式設備使用時間較長后容易出現(xiàn)眩暈感，而桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)教學與軟件開發(fā)相互分離，導致一線教師對于課堂掌控不夠，更多只能作為使用者存在。

（三）教師教學能力的問題

虛擬現(xiàn)實技術對于一線教師來說屬于新型技術，教師對于虛擬現(xiàn)實技術在實際教學應用中停留于表面，需要教師具備熟練運用虛擬現(xiàn)實技術的能力;另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)教學內容無法滿足虛擬現(xiàn)實教學，傳統(tǒng)教學內容更多的是基礎性知識，缺乏真實環(huán)境下的應用性知識，相較于傳統(tǒng)教學，教師需要在課堂內容上增加相關真實工作情境內容。

結語

通過對大量虛擬現(xiàn)實技術相關文章的發(fā)文統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)至2016年虛擬現(xiàn)實技術相關文章發(fā)布量相較于之前有了大幅度的增長，將2016年稱之為虛擬現(xiàn)實技術元年。經(jīng)過近幾年各項新技術發(fā)展，特別是隨著5G技術的發(fā)展，進一步解決了虛擬現(xiàn)實技術數(shù)據(jù)傳輸失真方面的問題，增加了VR的使用范圍，達到真正的交互式、沉浸式的教學。未來的教學模式將變得更身臨其境，VR技術能進一步幫助教師提升教學質量，豐富教學形式，也能進一步提升教師教學水平。

隨著教育形式的多樣化發(fā)展以及前沿信息化技術在教育領域的深入應用，VR/AR將推動教師回歸教育本質。