VR技术在铁道机车车辆制造与维护专业教学中的应用

[摘" 要]教育信息化背景下，VR技术在教学中的应用，不仅可赋能学生学习，更能助力教师教学。为了让VR技术在专业课教学中进一步发挥优势作用，增强学生的专业课程学习效果与体验，本文对VR技术机理、铁道机车车辆制造与维护专业定位进行了分析，结合高校铁道机车车辆制造与维护专业教学现状，以问题为导向，提出VR技术在“机车车辆车体与走行部件检修与装调”课程教学中的应用措施，以期为促进专业教学模式改革、提升课程教学水平提供参考。

[关键词]VR技术" 教育信息化" 铁道机车车辆制造与维护专业" 教学应用

大数据、人工智能、物联网、移动互联及VR技术、AR技术等在教育教学中的应用，可赋能教育教学升级，加快推动教育现代化。随着教育信息化建设的不断深入，基于计算机技术、仿真技术和人工智能技术的虚拟仿真系统已是教育信息化数字资源的重要组成部分，并成为未来教育信息化发展的新趋势，加强VR技术在铁道机车车辆制造与维护专业教学中的应用，建成虚拟仿真的3D实验实训平台，不仅是促进学生技能学习的根本需求，更是提高专业课程教学质量与效益、加快专业课程特色化建设的必需。本文立足学校专业教学模式创新经验，探讨VR技术在教学中的具体应用，以期进一步推动我国高校铁道机车车辆制造与维护专业教学创新。

VR技术与铁道机车车辆制造与维护专业的概况

1.VR技术

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是以计算机图形学、仿真系统、多媒体设备、人工智能技术、计算机网络技术和多传感器技术为支撑的计算机仿真模拟系统，具备沉浸性、交互性、构想性、体验性等特征。20世纪80年代初，美国的VPL公司率先提出“计算机逐步适应于人”的想法，并通过计算机技术、显示技术、移动交互技术等实验应用，推动了VR技术的形成。从VR技术的机理来讲，主要是人们根据某个物体、人物或景象的特征，在计算机仿真系统中搭建起仿真对象的具体模型，然后通过计算机图形技术的优化，使虚拟模型动起来。操作者通过佩戴VR设备，可以参观、体验虚拟模型及其场景，在多传感器与人机交互界面下，形成视觉、听觉、触觉等多感官功能体验，达到“身临其境”之感。目前，VR技术广泛应用于教育领域，发挥着巨大优势，VR技术为学生带来了学习新平台，赋予了学生学习新体验，也有利于打造专业教学新形式。

2.铁道机车车辆制造与维护专业定位

铁道机车车辆制造与维护专业是高校普遍开设的一个专业，属于装备制造大类中的轨道装备类，学制三年，专业代码460401。该专业主要培养德智体美劳全面发展，掌握机车车辆必备基础理论、机车车辆组成结构与工作原理、机车车辆装调方法与维护检修流程等知识，具备机车车辆部件组装与调试、机车车辆总装、机车车辆整车调试与故障处理等专业技能的高素质技术技能人才。“机车车辆车体与走行部件检修与装调”是该专业核心、重点课程，本文主要以“机车车辆车体与走行部件检修与装调”课程教学为案例对象，探讨VR技术在专业课程教学中的具体应用方式，探索技术技能人才培养渠道。

VR技术在铁道机车车辆制造与维护专业教学中的应用功能

1.赋能学生学习，为学生提供交互、沉浸、易操作的实训平台

VR技术的显著特征是沉浸性、体验性、多感知性、交互性、构建性。基于VR技术的功能机理，利用VR技术建立专业教学所需的虚拟仿真实验平台，平台上具备“机车车辆机械的检查与维护”“牵引电器的检查与维护”“制动机的操纵与维护”“铁道车辆电气装置的维护与检修”“机车车辆整车调试”等技能实操模块。学生通过电脑便可以快捷登录平台，完成各门课程的技能实操训练。例如，针对“机车车辆车体与走行部件检修与装调”课程，虚拟仿真实验平台上有“铁道机车车辆检查与维护”的实操模块，能够将铁道机车车辆检查与维护程序中涉及的流程、模型等一一呈现，给学生提供一个高度仿真性、沉浸式的技能操作空间，有利于丰富学生的技能实验实训学习体验。利用虚拟仿真实验平台时，学生可边实验操作，边观看知识动画，达到理论与实践相结合的目的。平台中虚拟动画交互，有助于实现高效率、便捷式的实训学习。

2.助力教师教学，为专业课教师提供优质、丰富的实训教学资源

“机车车辆车体与走行部件检修与装调”课程涉及大量的技能实操章节，既包括铁道机车车辆的故障检查，也包括铁道机车车辆的安全检测、维护、调试等，要求学生掌握课程中所提及的专业技能技术，并能够在实际工作场景中进行技能应用。一直以来，在“机车车辆车体与走行部件检修与装调”课程实施中，教师需要准备大量富有实操性的教学资源，包括硬件资源、软件资源，以及教学内容相关的项目资源等。但是，从我国高校铁道机车车辆制造与维护专业教学的普遍情况来看，超过65.60%以上的都存在实验实训设备数量有限、场地局限、资源不足的现象。多数学校为了完成实验实训教学，需要挑时间组织学生到相关企业、工厂基地进行实训，多个学生轮流使用一个设备，整体下来，许多学生反映实验实训收获寥寥无几。而VR技术在专业教学中应用，便可以解决这一难题，给教师提供更优质、更丰富的实训教学资源。通过VR技术建立的虚拟仿真实验平台，一般都具备上传各种教学资料、真实项目资源的功能，教师可直接将合作企业的项目资源上传至平台，而学生通过佩戴VR交互设备，在大屏幕前就能完成对课程知识的学习。该方法不仅简化了教师的教学步骤，还解决了过去课程实训设备、场地不足的问题。

VR技术在铁道机车车辆制造与维护专业教学中的应用现状

1.VR虚拟仿真实验平台建设进程缓慢

教育信息化已经是一个老生常谈的话题，不少高校已经开始了教育信息化建设，探索VR技术、AR技术、大数据、物联网等各种信息技术在教育教学中的应用途径。但是从目前我国高校铁道机车车辆制造与维护专业对VR技术的教学应用整体情况来看，60%左右的学校未完全建立起标准化的VR虚拟仿真实验平台，不少高校进行专业课程教学时，仍然采用传统教学模式，VR虚拟仿真实验平台建设缓慢。

2.VR虚拟仿真实验平台应用方式较单一

虽然我国高校对VR虚拟仿真实验平台的建设进程缓慢，但仍有一部分高校已经率先建成了VR虚拟仿真实验室及系统平台，且已投入专业教学中。从整体的教学应用情况来看，各校普遍存在对VR虚拟仿真实验平台应用方式单一的现象，如教师往往关注VR虚拟仿真实验平台带来的技能实操便捷优势，主要将其应用在学生日常技能实训上，而课程理论教学仍采用传统的教学方法。又如，许多教师对VR虚拟仿真实验平台的应用都是直接使用，未尝试与校企合作的实训进行对接。

3.VR虚拟仿真实验平台的智慧功能未充分体现

VR技术功能丰富，优势明显，基于VR技术形成的虚拟仿真实验平台不仅能够用于教师教学、学生学习，还可用于专业课的测试与评价，但是目前很多高校教师未认识到VR虚拟仿真实验平台在学生学习检测上的优势，在日常的专业课学习测试或评价中，仍采用传统试卷形式，未将VR虚拟仿真实验平台的智慧化、智能化功能发挥出来。对此，需要广大教师进一步探索，挖掘VR虚拟仿真实验平台用于学生学习测试的各种途径。

VR技术在铁道机车车辆制造与维护专业教学中的应用措施

1.完善VR技术相关硬软件设施，设计虚拟仿真实验平台

VR技术可将用户带入虚拟世界，在信息化、物联网时代下的今天，多媒体教学技术已逐渐满足不了日益增长的教学需求，而AR/VR技术凭借其交互性、多感性等特点，可使教学实践的真实性、丰富性得以提升，让学生拥有全新的学习体验，有助于提高学生的创造力、学习力等核心素养。VR技术在专业教学中的应用，归根结底建立在VR虚拟仿真实验平台之上，需要学校构建能够满足学生专业技能实操的3D仿真系统平台，学生佩戴VR头显设备，跟随系统指导进行技能操作，完成一系列的学习活动。因此，高校应先完善VR技术相关的硬软件设备，设计出VR虚拟仿真实验平台。第一步，考虑到VR技术相关设备有数量多、成本较高、场地要求较高等特性，学校可以专门规划或寻找一间面积宽阔的教室作为VR虚拟仿真实验室。第二步，准备VR头显设备、VR显示大屏、VR操控遥感器、VR数字头盔、USB充电电缆、三维空间传感器等硬件设备。第三步，与专业的VR虚拟仿真实验平台开发机构合作，根据学校铁道机车车辆制造与维护专业需求，设计VR虚拟仿真实验平台。在实验平台中，应重点设计“机车车辆机械的检查与维护”“牵引电器的检查与维护”“制动机的操纵与维护”“铁道车辆电气装置的维护与检修”“机车车辆整车调试”等技能实操模块，并要具备学习情况智能监测、实操数据智能批改与报告生成等功能。整个系统应包含课程中心、资料中心、实训中心3个模块。

2.借助虚拟仿真实验平台，进行课程理论重点讲解

将VR技术用于实验教学中，可把一些在真实实验平台中无法开展或高危险的，以及成本高、资源消耗大、污染严重的实验教学资源，在虚拟实验室中以高精度的建模模拟出来，能够大幅降低实验中的风险，大大提高了实验教学资源的重复利用率。建设VR虚拟仿真实验平台的目的是为铁道机车车辆制造与维护专业教学提供新的平台载体，赋能学生学习、助力教师教学。基于VR虚拟仿真实验平台，教师进行“机车车辆车体与走行部件检修与装调”课程教学时，可充分运用平台进行理论知识讲解。如开展“铁道机车车辆零部件构成与机械原理”理论模块教学时，VR虚拟仿真实验平台将“机车车辆车体与走行部件检修与装调”课程知识以图解、文字及语音讲解的方式进行动态可视化，安排学生佩戴VR头显设备，沉浸式观看VR显示屏中的铁道机车车辆，立体观察铁道机车车辆的零部件位置与构成，掌握机车车辆的机械运转过程。其间，教师操控VR虚拟仿真实验平台，根据对铁道机车车辆零部件与机械原理的讲解需要，随意调整画面镜头，还可暂停画面播放或缩小、放大、放慢画面，以满足学生对知识的个性化学习需求。教学内容从安装位置、作用、组成等方面进行讲解，同时配以文字提示和语音解说，可实现轻松、高效率的理论知识学习，而且画面观看与理论理解相结合，学生能够借助VR元宇宙虚拟教学空间轻松认知每个零部件，增强知识记忆深度。

3.在校企合作中融入真实项目，以虚拟仿真实验平台开展实训指导

VR技术可为学生提供身临其境的学习体验、个性化的学习方式，培养学生的创新思维和解决问题的能力，拓宽学生的视野和世界观。基于上文所述，铁道机车车辆制造与维护专业所涉及的课程具有很强的技能实操性，尤其是“机车车辆车体与走行部件检修与装调”，有大量的技能实训内容，而VR虚拟仿真实验平台建成的主要目的便是服务于学生的专业技能实训。在教学中，教师应改变以往直接使用VR虚拟仿真实验平台开展技能实训指导的方式，为增强学生技能实训的针对性、导向性，可与企业合作，从企业中获取真实项目，如“超声检测（UT）在铁路制件磁粉探伤中的无损检测应用项目”，将真实的项目案例、内容、任务等资源要素上传于VR虚拟仿真实验平台，通过平台对接的计算机设备建立相关技能实操模型。在实训课上，教师可指导学生在VR虚拟仿真实验平台上打开项目实训模块，根据每一个模块的操作指示，学生便能够参与实际训练作业。在整个情景教学过程中，学生佩戴VR头显设备，跟随系统指导进行操作，可通过操作手柄完成技能实操与知识掌握。

4.通过虚拟仿真实验平台定期开展专业技能评价

VR虚拟仿真实验平台不仅可用于专业理论知识讲解、技能实操指导，还可以用于学生的日常课程学习考核与评价，改变传统的试卷考核方式。在学生通过VR虚拟仿真实验平台参与课程考核的过程中，既能实现专业技能实操本领的评价，也能实现学习不足的自动评估与反馈，真正体现出教育的智能化、智慧化特征。例如，检测学生的“铁道机车车辆无损检测技术与应用”课程学习时，该课程重点是各种轨道车辆无损检测技术的应用，教师可以提前登录VR虚拟仿真实验平台，根据课程中涉及的铁道机车车辆无损检测技术种类设置相关题型。一般而言，VR虚拟仿真实验平台与计算机设备连接后，可直接在互联网平台上上传优质试题库。首先，教师安排学生登录VR虚拟仿真实验平台，完成相关的题型作答。学生尝试完成磁粉检测（MT）、超声检测（UT）、渗透检测（PT）、射线检测（RT）、涡流检测（ET）等无损检测技术应用的题型，学生的每一步技能实操，虚拟平台都会自动收集作业数据，并对结果自动批改作答，且每个错误的题型有对应的纠错报告。其次，教师根据虚拟仿真实验平台生成的测试报告了解学生的课程学习效果，借助平台自带的量化评分功能对学生的在线实训结果进行智能化评价。教师通过分析与思考相关数据，可更加直观地了解学生的学习成效，为今后的专业教学优化提供依据。

结" 语

VR技术的本质是一种模仿真实系统的人工合成技术，其在专业教学中的应用，既可解决学校一直以来实训设备数量有限、资源不足、场景不足的问题，也会给学生提供沉浸式、交互式的实验实训载体，丰富学生的实训体验，实现了专业理论与技能训练相结合的目标。将VR技术应用在专业教学中，核心是构建一个模拟铁道机车车辆无损检测、机车车辆整车调试、机车车辆电气组装等功能模块的虚拟仿真实验平台，给学生提供一个通过手机、电脑完成情境式实验实训的渠道。教师根据专业课程教学计划，带领学生合理运用虚拟仿真实验平台进行技能训练，同时要紧密联系相关企业，以虚拟仿真实验平台为载体引入真实项目，进行项目式教学。实践证明，借助虚拟仿真实验平台，不仅能够深化理论讲解、强化实训指导，还优化了评价方法，该教学方式可在其他专业教学中进一步探索。

参考文献：

[1]胡靖，吴矿宁，聂广福.智能运维模式下VR技术引领信号实训室建设——以重庆公共运输职业学院为例[J].科技风，2021（21）：73-75.

[2]汪立亮.基于虚拟现实技术课程资源建设实践——以苏教社国示范校汽车维修专业核心课程系列教材为例[J].云南开放大学学报，2018，20（1）：13-16.

[3]汪立亮.基于虚拟现实技术课程资源建设的实践——以凤凰职教国示范校汽车维修专业核心课程系列教材为例[J].汽车维修与保养，2018（3）：97-99.

[4]潘宣伊.基于校企合作的高职院校专业课程教学资源库的建设——以城轨车辆技术专业课程为例[J].教育教学论坛，2018（50）：18-19.

[5]张盼盼，李根.VR虚拟现实技术在线上线下混合式教学中的应用研究——以室内设计专业为例[J].齐齐哈尔师范高等专科学校学报，2023（1）：62-64.

[6]王学文，谢嘉成，李娟莉，等.基于虚拟现实装配技术提升学生工程实践能力的模式与实践——以太原理工大学煤机特色机械工程专业人才培养为例[J].中国现代教育装备，2023（11）：28-30.

[7]沈艳芳.“5G+VR虚拟现实”技术与专业课程的深度融合——以“Photoshop应用软件”课程为例[J].中国宽带，2023，19（5）：168-170.

[8]朱逸飞.“以赛促教”理念下高职虚拟现实专业课程教学改革探究——以3ds Max高级建模课程为例[J].艺术科技，2023，36（18）：219-221.

[9]席晓聪，赵立芹，刘伟童，等.基于虚拟现实技术专业学生4C核心能力培养的“对分课堂”教学模式实践——以“虚拟现实脚本设计”课程为例[J].西部素质教育，2022，8（8）：19-22.

[10]于虹.中职计算机应用专业群建设与人才培养模式研究——以广西纺织工业学校计算机应用专业群（VR虚拟现实方向）为例[J].广西教育（中等教育），2021（10）：51-53.

[11]赵淑梅，郭琼琼，孙英.虚拟现实应用技术专业课程体系的优化研究与实践——以郑州铁路职业技术学院虚拟现实应用技术专业为例[J].科技风，2021（6）：71-72.