沈宇鵬 ，蔡小培 ，時(shí) 瑾 ，陳 曦

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 土木工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100044）

一、引言

實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)是學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)踐的重要過程，也是使學(xué)生能夠充分理解課堂所無法掌握的具體內(nèi)容的重要手段之一。北京交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)學(xué)生的認(rèn)識實(shí)習(xí)安排在一年級結(jié)束后的小學(xué)期，由于在這一階段如《鐵道工程概論》等專業(yè)課程還沒有開展，學(xué)生的認(rèn)知狀態(tài)局限于個(gè)人對鐵道工程知識的認(rèn)識，沒有形成鐵道工程系統(tǒng)的專業(yè)思維。

通過認(rèn)識實(shí)習(xí)，使學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際，將書本知識與現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，勤于對現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查、研究，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力；具有工程技術(shù)人員的基本素質(zhì)，為從事道路、鐵路和城市軌道交通設(shè)計(jì)、施工和管理等方面的工作打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、團(tuán)隊(duì)合作和吃苦耐勞的精神[1]。同時(shí)，由于學(xué)生的第一印象會(huì)對后期的認(rèn)識和學(xué)習(xí)過程起很大的決定性作用，因此良好的認(rèn)識實(shí)習(xí)過程也可以進(jìn)一步提高鐵道工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

為了讓學(xué)生理解鐵道工程的系統(tǒng)知識，以及考慮了各方面的綜合條件，筆者選擇了京張鐵路青龍橋車站作為實(shí)習(xí)地點(diǎn)，該實(shí)習(xí)地點(diǎn)涉及到鐵路線路、軌道和路基結(jié)構(gòu)等方面的知識，能讓學(xué)生全面理解鐵道工程的作業(yè)過程，同時(shí)能讓學(xué)生了解實(shí)習(xí)線路的自然條件、運(yùn)量及主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，理解軌道結(jié)構(gòu)的組成、施工方法和養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，理解路基、支擋構(gòu)筑物及其附屬工程的結(jié)構(gòu)形式、工程材料與施工方法，理解路面的結(jié)構(gòu)形式、材料和施工過程，了解鐵路與軌道交通工程其他線下構(gòu)筑物（橋、隧、涵等）的結(jié)構(gòu)形式及施工方法。但在實(shí)習(xí)過程中，如果僅僅是通過教師的講解來進(jìn)行，整個(gè)實(shí)習(xí)將會(huì)比較單一枯燥，導(dǎo)致學(xué)生的積極性不高，因此，可以引進(jìn)VR（Virtual Reality）技術(shù)讓學(xué)生直觀地理解各個(gè)結(jié)構(gòu)組成。

本文通過闡述VR技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展歷程，結(jié)合青龍橋車站的線路和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探討利用VR技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)識實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)中的可行性。

二、VR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展歷程

VR技術(shù)是可將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界進(jìn)行連接的接口設(shè)備，其主要通過利用計(jì)算機(jī)的圖形系統(tǒng)來使VR設(shè)備的使用者身臨其境，給使用者提供視覺、聽覺甚至觸覺的感官模擬，是一種先進(jìn)的仿真模擬技術(shù)[2]。

1.VR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

交互性、沉浸性和想象性是VR技術(shù)的三大特性，同時(shí)也是其所具有的三大優(yōu)勢。

VR技術(shù)的交互性是通過傳感設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的，通過傳感設(shè)備，使用者可以在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)感官模擬，例如當(dāng)使用者去觸碰虛擬環(huán)境中的物品時(shí)會(huì)有真實(shí)的觸覺，甚至可以感受到物品的具體輪廓；由于VR技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)的三維立體圖形系統(tǒng)來為使用者創(chuàng)造虛擬環(huán)境的，因此使用者在體驗(yàn)VR產(chǎn)品時(shí)會(huì)如同置身于真實(shí)的客觀世界中一樣，這即是VR技術(shù)沉浸性的體現(xiàn)；VR技術(shù)的想象性體現(xiàn)在使用者體驗(yàn)VR產(chǎn)品時(shí)不僅可以提高其理性的認(rèn)識，而且可以提高其感性的認(rèn)識，從而可以激發(fā)使用者的新聯(lián)想，鍛煉使用者的創(chuàng)造性思維[3]。

2.VR技術(shù)的發(fā)展歷程

VR技術(shù)的發(fā)展歷程主要分為三個(gè)階段，分別是初創(chuàng)階段、技術(shù)積累階段及技術(shù)推廣階段（見圖1）。VR技術(shù)最早起源于1960年，由于科技水平及技術(shù)的限制，初創(chuàng)階段的VR設(shè)備大都體積龐大；VR技術(shù)的技術(shù)積累階段是在1980年至1990年間，此時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，同時(shí)顯示技術(shù)也有了提升，推動(dòng)了VR眼鏡和VR頭盔等便捷化設(shè)備的產(chǎn)生，提高了使用者的體驗(yàn)性；從2013年至今是VR技術(shù)的推廣階段，由于計(jì)算機(jī)3D建模能力的提升、顯示器分辨率的提高等各方面科技的進(jìn)步，使VR設(shè)備逐漸趨于便捷化、精細(xì)化和輕量化，且VR技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)有了廣泛的應(yīng)用。

圖1 VR技術(shù)的發(fā)展過程

三、鐵道認(rèn)識實(shí)習(xí)的VR應(yīng)用

鐵道工程是一個(gè)組成復(fù)雜、涉及多個(gè)專業(yè)且技術(shù)性要求較強(qiáng)的專業(yè)，由于參加認(rèn)識實(shí)習(xí)的學(xué)生專業(yè)知識基礎(chǔ)比較薄弱，且知識層次不同，在教學(xué)實(shí)踐過程中學(xué)生對鐵路基本知識的興趣點(diǎn)不高，導(dǎo)致其對知識的掌握程度會(huì)有所區(qū)別。為解決這一問題，并提高學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中的參與度及積極性，引進(jìn)VR技術(shù)無疑是一個(gè)很好的選擇。

首先，VR技術(shù)的封閉式顯示方式能減少外部環(huán)境對觀影體驗(yàn)的影響，主要是排除了外部光線、嘈雜的聲音等的影響，使得VR產(chǎn)品使用者能更好地代入到虛擬環(huán)境中去，營造更深入的沉浸式體驗(yàn)；其次，VR技術(shù)具有的仿真程度相比其他多媒體技術(shù)要高得多，3D環(huán)繞式立體影像為使用者提供了更加真實(shí)的體驗(yàn)；再次，當(dāng)VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)時(shí)，可以為使用者提供更多的觀察角度，且還可以在VR產(chǎn)品中增加一些有趣的項(xiàng)目，增添教學(xué)過程的趣味性；最后，VR技術(shù)還具有針對性和可操作性，在實(shí)踐教學(xué)中，針對學(xué)生所要掌握的知識點(diǎn)可以設(shè)置相應(yīng)的操作項(xiàng)目，使學(xué)生能進(jìn)行針對性的學(xué)習(xí)，且由于在應(yīng)用VR產(chǎn)品時(shí)操作較為簡單，即使設(shè)置一些在現(xiàn)實(shí)中難以操作的項(xiàng)目，學(xué)生也都能進(jìn)行操作，因此VR技術(shù)具有較強(qiáng)的可操作性。

綜上所述，把VR技術(shù)應(yīng)用于鐵道認(rèn)識實(shí)習(xí)中，首先，這一種創(chuàng)新的教學(xué)手段會(huì)引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；其次，VR具備360度全景畫面，學(xué)生在體驗(yàn)過程中可以身臨其境，通過聲音、全面影響感受氣氛和氛圍，使學(xué)生的代入感和參與度更強(qiáng)；最后，VR技術(shù)的高維度表現(xiàn)會(huì)讓學(xué)生接收到的信息更多，使掌握知識程度不同的學(xué)生都可快速接收到新的知識點(diǎn)。

四、案例分析

1.青龍橋車站的特點(diǎn)

京張鐵路連接北京豐臺(tái)，經(jīng)居庸關(guān)、沙城、宣化至河北張家口，全長約201.2千米，是中國首條由中國人自行完成并投入營運(yùn)的、不使用外國資金及人員的鐵路，于1909年建成[4]。此路“中隔高山峻嶺，石工最多，又有7000余尺橋梁，路險(xiǎn)工艱為他處所末有”，特別是“居庸關(guān)、八達(dá)嶺，層巒疊嶂、石峭彎多，遍考各省已修之路，以此為最難，即泰西諸書，亦視此等工程至為艱巨”，“由南口至八達(dá)嶺，高低相距一百八十丈，每四十尺即須墊高一尺。”由于工況復(fù)雜且當(dāng)時(shí)中國的建造技術(shù)較為落后，因此自行修建鐵路一事遭到了外界的質(zhì)疑，在這種惡劣的背景條件下，詹天佑勇敢地挑起了擔(dān)任總工程師的重?fù)?dān)。經(jīng)過勘察必選，最終選定的線路是由西直門經(jīng)沙河、南口、居庸關(guān)、八達(dá)嶺、懷來、雞鳴驛、宣化至張家口。

圖2 VR視頻中京張鐵路示意圖

京張鐵路的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在青龍橋車站所處的鐵路線路上。由于當(dāng)時(shí)的設(shè)備及施工技術(shù)具有局限性，在鐵路線路修建到青龍橋車站一段時(shí)遇到了兩大技術(shù)難點(diǎn)：地勢陡險(xiǎn)，線路坡度大；八達(dá)嶺隧道過長導(dǎo)致施工難度大且計(jì)劃施工時(shí)間過長。為解決這兩個(gè)技術(shù)難題，針對線路坡度大的問題，詹天佑為了使當(dāng)時(shí)牽引能力較小的列車能夠順利通過，設(shè)計(jì)了“之”字形線路，以減小這一路段線路的坡度及列車上坡的阻力（見圖2）。而針對八達(dá)嶺隧道的施工難題，詹天佑開創(chuàng)了一種新的施工方法，在隧道的中間開鑿豎井，然后在隧道口兩端同時(shí)開鑿，順利解決了施工難題。這兩項(xiàng)工程不僅是京張鐵路修建過程的關(guān)鍵工程，同時(shí)也是鐵道工程歷史上極具創(chuàng)造性的兩項(xiàng)工程。

京張鐵路投入運(yùn)營后，青龍橋車站每天需接送幾十對列車，這是由于線路上的列車在經(jīng)過“之”字形線路時(shí)，均需在青龍橋站做技術(shù)?？?。為避開京張鐵路青龍橋段的大坡道，國家在解放后修建了豐沙線鐵路，也因此分流了大部分本通過青龍橋段的列車。且隨著列車的提速和加大編組，近年來從北京西客站開出的列車都改走豐沙線。青龍橋車站全年的客流從上世紀(jì)80年代初運(yùn)營時(shí)期的10多萬人減少到如今只有幾千人。但由北京前往包頭、呼和浩特等方向的列車和由北京前往莫斯科的國際列車仍然需要在青龍橋站做技術(shù)?？浚虼恕爸弊中尉€路如今仍在使用中。

青龍橋車站所涵蓋的知識體系多，包括線路線形方面的知識：“之”字形線路和曲線線路等；關(guān)于道岔方面的知識：單開道岔的組成、道岔的分類、道岔轍岔號以及道岔型號的選擇等；關(guān)于車站作業(yè)方面的知識；路基方面的知識：路基邊坡、邊坡防護(hù)、路基防排水設(shè)計(jì)等。因此在實(shí)習(xí)過程中可讓學(xué)生系統(tǒng)全面地了解鐵道工程專業(yè)知識。

2.青龍橋的實(shí)現(xiàn)過程

結(jié)合鐵道工程專業(yè)知識和青龍橋車站的地理特點(diǎn)及歷史背景，通過數(shù)據(jù)獲取、三維虛擬環(huán)境建模、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)與立體顯示和傳感器技術(shù)，制作出了科學(xué)且有趣的VR產(chǎn)品。青龍橋車站認(rèn)識實(shí)習(xí)VR產(chǎn)品主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)過程：

（1）“之”字形線路的展示及歷史背景介紹。為了解決京張鐵路在青龍橋車站一段的坡度問題，詹天佑巧妙地利用了八達(dá)嶺地區(qū)的自然地形，設(shè)計(jì)出了“之”字形鐵路，解決了修建京張鐵路的一大技術(shù)難題。通過VR技術(shù)，學(xué)生可以通過多角度來觀察“之”字形鐵路，能夠?qū)Α爸弊中舞F路有更為形象的理解。

（2）道岔工作過程的展示。鐵路道岔由轉(zhuǎn)轍器、轍叉及護(hù)軌、連接部分三個(gè)部分組成。轉(zhuǎn)轍器包括轉(zhuǎn)轍機(jī)械、基本軌和尖軌。當(dāng)列車要換道時(shí)，操縱轉(zhuǎn)轍機(jī)械使尖軌移動(dòng)，使得原本緊貼著基本軌的一側(cè)尖軌脫離基本軌，這樣就開通了另一股道，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換道岔的過程。通過VR技術(shù)，學(xué)生可模擬推動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)轍，在VR視頻中觀察道岔的工作過程（見圖3）。

（3）列車行駛方向的變換。在鐵路行車上，以接近北京方向，稱之為上行，以遠(yuǎn)離北京方向稱之為下行。在VR視頻中，學(xué)生可以選擇使列車向上行方向行駛或者向下行方向行駛，視頻會(huì)模擬列車在不同行駛方向的沿途風(fēng)景以及線路的變化及道岔的轉(zhuǎn)換，從而讓學(xué)生更形象地理解鐵道作業(yè)過程。

圖3 VR視頻中手動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)示意圖

3.應(yīng)用VR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件的不足。VR技術(shù)可模擬實(shí)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)模擬效果只需在計(jì)算機(jī)上搭建虛擬儀器和虛擬實(shí)踐平臺(tái)。利用VR技術(shù)來模擬實(shí)習(xí)過程的教學(xué)成本低，且能達(dá)到較好的教學(xué)效果，在虛擬世界中可以獲得與實(shí)際指導(dǎo)相同的效果，還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。

（2）可進(jìn)行操作復(fù)雜、危險(xiǎn)性大的實(shí)踐教學(xué)。鐵道工程實(shí)踐教學(xué)中可能存在著一些操作復(fù)雜、危險(xiǎn)性大的項(xiàng)目，這些項(xiàng)目在現(xiàn)實(shí)生活中難以實(shí)現(xiàn)，但是應(yīng)用VR技術(shù)就可以很好地解決這一問題。通過VR技術(shù)，學(xué)生可以模擬扳動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)，體驗(yàn)手動(dòng)轉(zhuǎn)換道岔的過程。同時(shí)，在VR產(chǎn)品中，學(xué)生還可以實(shí)現(xiàn)虛擬駕駛列車的過程，通過簡單的操作即可控制列車行駛方向。

（3）可實(shí)現(xiàn)反復(fù)的實(shí)踐教學(xué)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中可不受限制地反復(fù)組織多次教學(xué)，且這一過程不受時(shí)間和空間的限制，同時(shí)，在VR教學(xué)中可從多個(gè)角度來展現(xiàn)不同時(shí)間段的實(shí)習(xí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)重復(fù)體驗(yàn)。由于通過VR技術(shù)所建立的實(shí)習(xí)環(huán)境是虛擬的，當(dāng)需要更新成新的實(shí)習(xí)基地時(shí)，只需要在虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境中重新生成即可，從而保證實(shí)踐教學(xué)能跟上課程教學(xué)的需要和技術(shù)的發(fā)展。

五、結(jié)束語

理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)是高校人才培養(yǎng)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，二者相輔相成。認(rèn)識實(shí)習(xí)是學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)踐的重要過程，通過認(rèn)識實(shí)習(xí)，學(xué)生能夠更加有效和系統(tǒng)地了解到更多所需掌握的鐵道工程專業(yè)的知識，同時(shí)，良好的認(rèn)識實(shí)習(xí)經(jīng)歷也會(huì)使學(xué)生提高學(xué)習(xí)鐵道工程專業(yè)的積極性。通過綜合考慮各方面的條件，選定京張鐵路青龍橋車站作為實(shí)習(xí)地點(diǎn)，并且為了改革單一的教學(xué)模式，引進(jìn)了VR技術(shù)作為新型的教學(xué)手段。通過分析VR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以及其應(yīng)用于鐵道工程專業(yè)實(shí)習(xí)中體現(xiàn)出來的優(yōu)勢，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的代入感和參與度，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，和其可彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件不足等的特點(diǎn)，認(rèn)為VR技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)識實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)中是可行的。

VR技術(shù)是一項(xiàng)具有深遠(yuǎn)的潛在應(yīng)用方向的新技術(shù)。利用“軟件就是實(shí)習(xí)基地”高效率搭建虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，這種創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，是鐵道工程實(shí)踐課程教學(xué)改革的必由之路[5]。