VR技术在铁道机车类实训教学中的探索

白文涛 詹凌峰

摘要：虚拟现实是借助PC端形成交互式动态情景和现实动作的仿真平台，通过这项技术培养更多具有创造力人才已经成为职业教育中的新生力量。特别是现在把学历证书和职业技能等级证书结合起来，即“1+X”证书制度，更是让虚拟现实在技术能力教育发挥出无与伦比的作用。因此本文首次对虚拟现实技术和铁道机车类实训教学进行探索，改变传统的学习形式，培养学生成为创新型人才提出宝贵经验。

Abstract： Virtual reality is an interactive dynamic scene and real action simulation platform with the help of PC. It has become a new force in vocational education to cultivate more creative talents through this technology. In particular， the combination of academic certificate and vocational skill level certificate， namely "1 + X" certificate system， makes virtual reality play an incomparable role in technical ability education. Therefore， this paper explores the virtual reality technology and railway locomotive training teaching for the first time， changes the traditional learning form， and puts forward valuable experience to cultivate students to become innovative talents.

關键词：虚拟现实;铁道机车;技术能力;创新型人才

Key words： virtual reality;railway locomotive;technical ability;innovative talents

中图分类号：G4                                           文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）10-0227-02

0  引言

我校属于铁道类专业院校，从事的大部分都是轨道交通类课程教学，特别是铁道机车类专业，今后对接的就是机车乘务员，属于技术操作要求能力较高的岗位。同时铁道机车的课程涉及的学科很广，有机械大类和电气大类。因此，培养学生需要有扎实的、高质量的理论知识，还需要学生将所学理论知识应用在实际操作中。这就需要有类似生产一线的设备和环境，让他们更好的、更快的将所学知识应用在自己的今后的工作中去。但是在学校中我们无法让每个学生都在毕业之前去机务段实习，这不管对费用、时间和金钱都是极大的浪费。并且由于学生对自己要求的放松和实践经验的欠缺，还存在极大的安全隐患。所以实训课在学校的教学中占了相当大的比重。但是传统的实训课会有许多难以解决的麻烦。如：知识点的复杂性，学生无法完全理解所讲内容;教学用的实训设备价格非常高，实训设备数量少，实训设备更新换代少，使得设备大大落后于现场;且实训设备的共享使用率很低，导致教学效率低下。所以虚拟现实应用到我们实训教学中是最佳的选择。

1  虚拟现实（VR）技术在教学中的应用

虚拟现实本质上是综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。传统的人机交互中，是由人去适应计算机，这就削弱了人的主观能动性，过度强化PC端。而在这个过程中，人们逐渐发现有很多弊端。让计算机去适应人的发展的想法也就应运而生，这就使得人机交互更加合理化，也更加人性化，这就是虚拟现实技术。

齿轮由于科学技术的飞速发展，虚拟仿真在教学中，特别是在实训教学中应用越来越广泛，因为有些理论课，虽然应用到了虚拟现实，但只是举例加深对知识的理解和应用。而实训课就是使用虚拟现实，操作现实中的工具，对于教学效果更加理想。同时传统实训设备的价格昂贵，有些设备尺寸十分巨大，共享率低，存在安全隐患。2015年，教育部建设了100个国家级虚拟仿真试验中心，一年之后又增加了200个，未来四年内又计划增加1000项。西安理工大学建设工程实践虚拟仿真教学中心;西北大学建设文化遗产数字化保护虚拟仿真实验教学中心;西安邮电大学建设信息通信技术虚拟仿真实验教学中心;西安科技大学建设矿山建设工程虚拟仿真实验教学中心。这些仿真平台的建立在教学方面取得了良好的教学效果。所以在中职和高职这种更偏向于实际操作的技能类课程，应用虚拟现实技术是一个有着巨大潜力的方向。

虚拟现实技术与学校实训课程的结合需要因地制宜，在课中需要保障虚拟现实的真实性、交互性和实训的性质。教师先总体讲解这节课的主要内容和重难点，学生以老师讲述内容为纲，以课本知识为领，结合自己在虚拟现实中的所见和操作，完成实训课程的内容，达到实训的基本要求。甚至老师能够把上课变成一种学生最喜欢的模式，以一种类似于竞赛闯关的方式，最大限度的调动学生的内驱力，使学生由被动学习转化为主动学习。如《电力机车总体》认知实训，老师先运用三维图形将转向架的组成结构及其部件名称传授给同学们，然后在10分钟之内，同学们自己运用虚拟现实设备对照转向架认清每个结构的名称和位置。最后各个小组之间每个成员进行PK，将每队PK队员进行积分，总分高者获得胜利。这种在一边玩，一边学的过程中，学生能更深刻的掌握所学知识。并且在这个过程中，老师也能够及时发现在学习过程中的易错点，及时指出学生的错误，防止学生重蹈覆辙。

铁道机车类课程中使用虚拟现实技术，将枯燥的课堂、死板的知识点转变为栩栩如生、充满活力的三维教学，让所讲内容“眼见为实”，加深同学们对基本概念和原理的掌握。甚至我们可以使用虚拟仿真技术将我们整个机务段的作业实现1：1复制，对机务段的结构布置，作业流程，设备操作等实现情景再现，让学生在学中看，看中学。

2  传统教学现存的问题

通过在高职教学的最终目的是培养对口的创造性人才，理论课与实训课的比例大致为1：1，如此多的实训课不管是对老师，还是对学生，亦或是对设备都是一个挑战。对学生来讲，现在高职实训课教学大都是前期完成所有理论课的教学，然后进行整周的实训，那么就存在一个理论和实训操作上的时间差，学生无法将所学的知识与实训操作进行有效结合，无法理解透彻实际原理。实训场所的空间有限，如机车头一次教学最多只能容纳6个人，那么老师就需要将相同的内容讲解七到八遍，并且如果是在夏天，机车头中的温度高，教学环境相当恶劣，对学生的学习效果也会大打折扣。以铁道机车类专业实训课程为例，总结下来主要存在以下几个问题：

①铁道机车类实训课程教学，班级人数达到50人，属于大班教学，但是由于实训设备，也就是机车头的价格昂贵，尺寸巨大，导致学校无法配置多台机车头供教学使用，这就使得实训设备的共享率非常低下，根本无法开展大规模的实训教学。

②理论教学与实训教学存在时间上的迟滞性和空间上的异地性，先上理论后上整周实训。这种滞后性会让学生无法将所学知识联系到自己操作的设备上，让知识碎片化和单一化。理论课在教室，实训课在距离较远的室外实训场，并且同一门实训课也存在上课地点的差异，教学设备设置分散，且学生四处奔波，天气的变化等外在因素也会影响到教学的效果。

③铁道机车类实训机车车辆就只有两台，一台电力机车，一台内燃机车，这两台机车车辆常年摆放在室外，随着时间的推移，里面的一些电器老化和管路损坏，导致原本的实训项目无法顺利实施，而请人专门维修又是一笔非常大的费用。

④实训设备的年代久远，与现在投入使用的机车车辆存在巨大的技术差别，这也就导致与现场的设备会有出入，学生走上工作岗位无法以最快的时间融入自己的工作。

⑤随着科技和网络的大力融入生活，各种新奇的产品层出不穷，学生也更加偏向于科技含量高的教学设备。

3  虚拟现实（VR）应用实训教学的优势

为了顺应时代的发展要求，迎合“1+X”政策制度，将毕业证书与技能等级证书想结合的思想。在高职实训教学中应用虚拟现实技术已成为一个新的趋势。那么融合虚拟现实技术的实训教学将带来以下改变：

①虚拟现实技术能够将教材中的知识点，特别是难点内容以画面的形式置于你的眼前，让抽象能力薄弱的学生更好理解，与现场设备相差无几的虚拟場景让学生完全融入场景，去探索知识，让学生多方位、全身心的记住每个细节和重难点内容。

②消除了实训设备的安全隐患，铁道机车车辆有着高压电和高度压缩的空气，如果操作不当会引起安全事故，特别是在学生还不熟悉操作流程，没有充分意识到安全隐患，误操作可能会引起人身安全，严重甚至导致生命安全。

③虚拟的实训设备放置于室内，体积小，重量轻，相比于庞大而昂贵的实际机车车辆更节省金钱、人力、空间，且后期的维护成本非常低，极大的降低了实训的成本。

④先进的实训设备也更能牵动学生探索的欲望，增加他们学习的兴趣，产生强烈的内驱力，这种学习方式是学习最有效的方法。

⑤可编辑性强，随着车型的更新换代，虚拟现实只需要在程序上加以更新即可，省去引入新设备的麻烦，同时也能保持实训教学设备的先进性。对于具体机型的改动也十分便捷。

⑥对于资源库的建设相对来讲更加合理和持久，同时能够实现资源的共享，将许多存在的问题，优质的资源都能方便快捷共享，实现资源利用的最大化。

4  结语

今年“疫情”将我们原本线下的工作，硬生生搬到了线上，这从客观上来讲推动了网络技术进入我们课堂的脚步。相信虚拟现实技术作为一个最前沿的技术在教学中大范围应用指日可待。将虚拟现实技术与铁道机车类实训课程的结合，克服了落后的实训设备和逐渐增加的教学需求之间的矛盾;缓和了学生对传统教学失去兴趣与复杂交叉的学科知识之间的矛盾;学校资金欠缺与实训设备更新换代的矛盾;由于特殊原因影响无法上课与不停课之间的矛盾;也顺应国家“1+X”政策的理念，培养多方面、全层次的创造性技能人才。

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