VR技术在轨道交通类高职教育教学的研究

张倩菡 李恺

摘 要： 随着我国对轨道类人才需求量激增，传统教学手段人才培养效率低下，质量不高等缺陷成为了我国轨道类行业发展的障碍，虚拟现实技术具有良好的用户体验，为用户提供了无时空限制的虚拟环境，为人才培养提供了良好的教学条件，有利于提高高职教育教学质量，提升人才培养效率。

关键词： 虚拟现实;教学设计;交互

1 概述

随着我国“一带一路”战略的提出，我国轨道类行业进入高速发展期，因此，出现了对轨道类人才的“抢购”。社会对轨道类人才需求量大，不仅体现在数量，还从质量上有更高的要求。

然而，由于轨道类设备（列车、机车、接触网、轨道等）数量多种类繁杂，占地较大，因此轨道类专业大多对实训场地以及实训设备要求较高，对教学条件的要求较为苛刻，在我国具有培养轨道类专业的院校数量较少，因此人才培养无法跟上企业需求。

因此解决场地设备问题成为了轨道类专业建设中的关键一环，而虚拟现实技术的发展与推广，为此打开了一扇新的大门。虚拟现实技术，弥补了现今高职院校因场地设备等原因无法提供有效的实训场所的缺陷，在虚拟世界为学生提供良好的学习环境，让学生学习摆脱了场地限制，极大地提升了教学效果，增强了学生的学习兴趣，提升了教学质量。因而人才培养质量得到提高，同时因应用了虚实融合技术，计算机成为了新式的教师，对提升人才培养数量上奠定了有力支撑。

2 虚拟现实教学系统架构

虚拟现实技术是通过计算机创造一个近乎真实的网络世界，构建出与真实世界一模一样的虚拟三维世界，可以是学习者沉浸于其中，带来触觉、听觉以及视觉感官的真实体验，具有身临其境之效。学习者在其中可通过鼠标、键盘、虚拟手柄、体感等交互方式，在虚拟世界中实现360度观察、虚拟漫游等操作。轨道交通行业设备大多数较为昂贵且占地面积大，利用虚拟现实技术可以减少购买设备，同时带来真实的教学体验感受，可大大降低教学成本，提升教学效果，提升学生学习兴趣。虚拟现实技术可通过Unity3D平台搭建，用户可通过客户端对虚拟设备进行操作，具备良好的人机交互性、极强的沉浸感、体验感，达到完美的模拟真实教学环境的作用。通过Unity3D平台构建系统框架，系统框架如图1所示。

构建虚拟现实教学系统可分两步走：精细化3D模型制作和人机交互模式的搭建。精细化3D模型的制作一般通过计算机辅助设计来完成，现行市场上主流的开发软件有3DMax、SolidWorks、Pro/E、UG、Maya、Creator等。人机交互模式的搭建一般通过通用软件开发平台来实现，如UE、Unity3D、QT等。系统前期开发需要具备一定的轨道交通设备的基础知识，才能较好的建立3D模型以及相应动画的制作，在结合材质处理、灯光渲染、动画设置等模型精细化处理手段，才能建立一套较为完备的精细化3D模型材料。最后通过通用软件开发平台如UE、Unity3D、QT等，进行人机交互模式的搭建，包括精细化3D模型的导入、虚拟环境地形设置、用户角色管理设计、交互界面设计以及场景发布等具体细节。最后通过软件平台发布客户端程序，学习者通过使用客户端在虚拟世界中即可学习。

2.1 精细化3D模型的制作与导入方法

精细化3D模型的制作有两种方式：第一种，通过传统的三维建模软件设计开发三维模型。这种方式，模型细节突出，建模精度较高，整个模型质量较大，占内存较大，因此对计算机的硬件要求较高，普通电脑无法支持正常运转。第二种，通过视景建模软件生成的三维模型，如3Dmax、Maya、Creator等市场上流行的软件。这种方式，建模精度比之第一种较低，细节方面有些无法显示，整体质量低，占用内存较小，其模型并不追求精度，因此其单个模型的渲染面片数量与第一种方式相比较少，渲染速度较快，具备良好的用户体验性。在实际制作模型中，可兼容两者一起进行。

2.2 虚拟现实交互手段

虚拟现实交互方式大致分为两类：传统桌面式交互方式（鼠标、键盘）和自然交互方式（手势识别、语音交互、眼球跟踪、体感交互、人脑交互）。前者技术手段成熟，开发难度低，设备成本较低，但是交互方式较为僵化，体验感不理想。后者依托人的自然感觉为基础，体验感较好，交互方式较为自然，但是此项技术较为前沿，因此尚未成熟应用的技术出现，而且依托的设备往往成本较高，不易于推广。

2.3 虚拟现实教学系统的开发

虚拟现实教学系统开发主要分成三个部分：虚拟场景建模、模型优化处理、虚拟现实引擎制作。其基本流程如图2所示。

3 实验验证

按照本文提出的虚拟现实系统架构，开发出原型系统，利用Solidworks、3dsmax、Photoshop等建模与图形处理工具;进行虚拟模型的建模过程，同时在3dsmax中完成动画制作过程，将模型到处为FBX格式。最后将FBX格式模型文件导入到Unity3D中，完成交互设计，实现系统功能。系统的各部分逻辑关系如图3所示。

4 结论

在轨道交通高速发展期，人才对于行业的发展尤为重要，在我国，轨道交通行业已步入快车道，大量的车辆即将进入维保期，急需大量的车辆维保技能型人才。然而传统教育手段已然不能满足行业发展需求，传统与高科技相结合是教育发展的必然趋势，现如今已有许多院校及学者开始研究利用多媒体、虚拟现实和计算机技术等先进技术的优势，依托传统教育优秀底蕴，借助高效、高质量先进技术为教学辅助手段，提升人才培养质量、提高教育教学效果。本文基于此，借助虚拟现实技术，将VR与传统教学有机结合，搭建虚拟教学系统，打破了时空障碍，将教学融入整个系统之中，提升学生学习兴趣，提升教学体验，从而提升教学效果，有助于提高对虚拟培训的认识和了解，同时有利于对技术进一步展开深入研究。

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基金项目： 2018年广东省高等职业教育教育教学改革研究与实践项目——基于虚实融合技术的混合教学模式的研究与实践—以《轨道交通车辆电器检修与维护》课程为例（编号：GDJG2019317）

作者简介： 张倩菡（1990—），女，湖南娄底人，硕士，助教，研究方向为职业教育、中外合作办学。

*通讯作者： 李恺（1990—），男，湖南郴州人，硕士，助教，研究方向为虚拟现实、智能制造。