虚拟现实技术在高职轨道交通类专业教学中的应用

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　　摘要：文章分析了虚拟现实技术的发展现状和前景，结合高职轨道交通类专业虚拟仿真系统建设的技术形式，探讨了虚拟仿真技术在高职轨道交通类实训中的应用方法和途径。
　　关键词：高职 ;实践教学 ;信息化应用
　　中图分类号：G642     文獻标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）02-0111-02
　　轨道交通类专业是一项实践技能要求极高的技术型专业，实践操作是教学中的重要环节。《教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》指出，“要积极探索校内生产性实训基地建设的校企组合新模式，要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。要形成一批高水平的高等职业教育校内生产性实训基地”。虚拟现实技术为解决高职轨道交通类专业实践的“看不到”“动不了”“难再现”问题提供了解决方法。
　　1 虚拟现实技术的现状与发展
　　虚拟现实技术，是以沉浸感、交互性为基本特征的计算机高级人机界面，是迅速发展的一项综合性计算机、图形交互技术。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、网络技术、并行计算和传感技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能，使人与计算机进行交互，通过语言、手势等方式进行交互，身临其境，突破时间、空间限制，感受真实世界中无法亲身经历的体验。
　　虚拟现实技术具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特征，虚拟现实的关键技术主要由动态环境建模技术、实施三维图形生成技术、立体现实技术、传感器技术、系统开发与集成技术等方面组成。当今的虚拟现实技术应用前景十分广阔，在娱乐、教育、新闻、医疗、太空探索、博物馆等场景都有应用。近年来，随着网络应用的普及，一些基于网络的虚拟现实应用使得位于不同地理空间的用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境，参与者可自由地进行交互作用。
　　对于轨道交通类职业院校，越来越重视实践教学的开展，利用虚拟仿真技术对实践教学的创新和改革已经得到普遍应用。虚拟仿真的优势在于高度仿真虚拟实验实训环境和对象，呈现客观世界的真实物理特性和相互作用，其高度沉浸和仿真的效果可以达到传统教学手段不能企及的高度。开发虚拟仿真资源是解决轨道交通专业实训基地建设成本大、技术门槛高、传统方法不易实现等问题的一个重要途径。
　　2 轨道交通专业虚拟仿真的技术形式
　　轨道交通运输企业的产品是人或物的转移，该类专业的要满足培养学生掌握职业岗位所需的专业核心能力就需要尽可能的创建真实工作环境以期达到让学生的接触真实的“生产过程”并参与“真实工作任务”从而掌握实践技能。轨道交通类专业的虚拟仿真教学资源和实训项目的开发实现主要体现在以下几种技术形式：
　　1） 展示巡游类虚拟仿真
　　又称桌面式虚拟现实系统，使用个人计算机和初级工作站来产生三维空间的交互场景。这是虚拟仿真最广泛和最简单的应用，使用者以第一人称视角进入3维场景，漫游并浏览相关设备和设施，系统给出相关文字或多媒体信息，用于专业工作场景及设备内容方面的认知和学习。例如城市轨道交通认知环境演练、铁道运输场景演练等实训项目，适合建设此类展示巡游类虚拟仿真。该类系统具有小型、经济、适用等特点，借助位置跟踪及其他手控输入设备，在虚拟环境中漫游。
　　2） 技术应用虚拟仿真
　　这类仿真是针对某种技术应用进行的虚拟仿真，如某些设备或软件的操作，某型工艺的模拟实施。通过建立虚拟仿真设备模型或相同软件UI，针对具体的操作规范和工作作业流程，对设备（系统）的操作过程、操作数据（参数）进行虚拟仿真，让学员借助鼠标、手柄等外设控制虚拟设备，进行虚拟操作、虚拟拆装、虚拟检修、虚拟装配，学生可以较短的时间内掌握设备（系统）的各种应用技术。例如高铁接触网运维与检修、铁道车辆检修与维护等教学，适合建设此类虚拟仿真。
　　3） 任务协同虚拟仿真
　　此类虚拟仿真系统需要岗位协同的分布式设计来实现。轨道交通类专业的专业定位主要面向地铁、铁路一线岗位，车站、线路、车间大部分的工作也是由多岗位、多设备、多系统相互协同完成。以城轨车站应急虚拟仿真系统为例，设计系统化的真实工作任务，源于企业实际真实工作任务，按照教学目标要求，通过预制的任务脚本针对不同学生指导、参与、演绎脚本的实现，学生按任务中的岗位角色设定进行群体协作和配合，教师通过任务导演的形式让学生充分体验完整工作任务的全过程和实际情境，掌握安全生产的基本工作要求，充分提高学生的应急处理等基本工作能力和安全职业素养。
　　4） 半实物虚拟仿真
　　半实物虚拟仿真系统就是一种在同一项目内虚拟仿真部分与真实的物理设备、仪器仪表结合而成系统回路，形成更加真实有效的培训效果。半实物虚拟仿真系统可以应用在生产工艺的系统化半实物仿真（采用真实的人机界面，后台系统采用虚拟仿真或部分虚拟仿真）、组设备操作的半实物仿真（组设备包括真实设备和虚拟设备，组合形成系统回路）、仿真沙盘等需要虚实结合的项目。半实物虚拟仿真系统技术涉及总体技术、仿真模型校核与验证技术、接口技术、运动特性仿真技术、虚拟物理量控制技术等。将虚拟仿真对象与等比例或缩小比例的物理实物对象通过接口模块和伺服控制与反馈模块、物理量数据库等构建完整闭环的系统仿真回路，虚拟仿真对象与物理实物对象在系统中同步实时运行并共享数据，从而模拟整个系统的运行状态。
　　3 轨道交通专业虚拟现实技术应用
　　1） 轨道交通专业实训应用场景
　　在一些传统方法不易实现的领域，可以采用建设虚拟仿真实训系统来实现模拟“真实工作任务”这一目标。针对轨道交通专业实训教学而言应用场景有：复杂程度较高不易反复操作的实验实训，如模拟驾驶、调度实训等;危险性程度非常高且对安全高度要求的实验实训，如调车作业、接触网作业等;极端破坏性的实验实训，如事故、火灾等应急演练等;变化周期过长的实验实训，如线路施工等;以及无法控制变化过程以及采用传统方法无法或不易完成的实验实训，如事故救援等。利用虚拟现实技术的优势，将其应用到实训教学环的课前、课中、课后等环节。
　　2） 轨道交通专业校内实训应用
　　在校内实训时，利用虚拟训练进行技能训练。例如在校内建立的铁路机车模拟驾驶装置、地铁司机模拟训练系统，利用模拟系统对学生进行列车操纵能力和列车运行中故障处理能力的技能训练，特别是电器内部故障、DCU故障、火灾、列车脱离、线路毁坏等非正常情况下的应急处理训练;引进轨道运输运营虚拟教学系统，将计算机联锁软件、底层联锁逻辑和现场设备的状态及变化过程整合到训练沙盘上，为轨道运输专业学生提供直观的实训仿真环境，进行设备单操、调车、正常和非正常情况下接发车等操作技能训练。如在地铁运营调度实践中，采用轨道交通综合仿真系统，模拟各种线路和列车的运行状况，让学生掌握列车调度的操作规程，提高学生的安全生产意识。
　　3） 轨道交通虚拟实训基地建设
　　在实训基地建设中，虚实结合不仅仅指的是在专业方案框架下不同实训项目的虚拟形式与真实形式的结合，也包括同一项目内虚拟仿真与真实物理设备的结合。当然，实训项目的虚拟性和真实性应有机结合，相互交融。一方面，要通过虚拟补缺补差对校内原有实训项目中由于资金、场地、技术等原因不能建设的生产工艺、设备、材料等通过建立虚拟的场景和图像予以补充;另一方面，要通过虚实结合提高实训效果充分发挥虚拟技术直观、形象的功能，提高生产工艺与设备的透明度，使复杂的工艺与设备问题简单化，从而促使学生在有限的空间和时间内掌握更多的实践知识，使知识传授的速度和强度大大提高。
　　总之，虚拟现实技术在轨道交通类专业实训中的应用日益普遍，在高职轨道交通类实践教学中还需加强虚拟仿真系统的开发，提高教学实训系统的仿真度，并借助网络技术实现虚拟实训资源的共享，避免重复建设。在虚拟仿真系统应用中，密切结合理论教学过程，拓展学生实际技能训练，增强学生真实体验感，提高学生实践创新能力。
　　参考文献：
　　[1] 张建武.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究，2010（4）.
　　[2] 许爱军.虚拟现实技术在轨道交通类专业教学中的应用[J].长江大学学报：社会科学版，2011（4）.
　　[3] 蔡龙辉.虚拟现实技术在职教实训教学中的应用研究[D].广东技术师范学院，2014.
　　【通联编辑：李雅琪】
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