胡靖

關(guān)鍵詞：VR;實(shí)訓(xùn);軌道交通

一、背景分析

VR（Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實(shí)）是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾在20世紀(jì)80年代初提出的。VR的具體內(nèi)涵是：綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，利用多源信息融合的交互式三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。

隨著互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)的飛速發(fā)展，各類新興技術(shù)在各行業(yè)中成為決定生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，這些技術(shù)對于職業(yè)教育行業(yè)也產(chǎn)生了巨大的影響。隨著《國家業(yè)教育改革實(shí)施方案》的各項(xiàng)政策逐步落地，對職業(yè)教育培養(yǎng)的技能型人才提出了更高的要求，同樣需要職業(yè)院校運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)方法和手段，滿足企業(yè)對于高素質(zhì)高技能人才的需求，這一點(diǎn)在軌道交通行業(yè)顯得尤為突出。

截至2020年年底，我國內(nèi)地累計(jì)有40個城市開通軌道交通運(yùn)營，軌道交通歷程突破7545千米，軌道交通行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入又一個十年發(fā)展黃金期，在接下來十年發(fā)展期內(nèi)，軌道交通行業(yè)必將經(jīng)歷較大變革，其中主要的問題為軌道交通建設(shè)投資較大，許多中小城市跟風(fēng)建設(shè)，且經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各大型城市線路趨于飽和，對于人才需求也從專精型人才逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧寄軓?fù)合型人才。在這樣的背景下，對于職業(yè)院校的人才培養(yǎng)提出了更高要求，對人才技能要求更全面，也對各職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備的全面性提出了更高要求。因此解決實(shí)訓(xùn)場地占地廣、實(shí)訓(xùn)設(shè)備造價昂貴等問題成為了軌道交通類專業(yè)建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為解決這類問題提供了更優(yōu)的選擇。2016年中國的VR市場規(guī)模為34.6億元，到2021年，經(jīng)過5年發(fā)展，預(yù)計(jì)中國會成為全球最大的VR市場，行業(yè)整體規(guī)模將達(dá)到790.2億元，而在其中，教育和培訓(xùn)的巨大需求是VR市場快速增長的主要原因，可見VR技術(shù)在教育領(lǐng)域廣闊的發(fā)展前景。

二、VR技術(shù)在教育教學(xué)中的前景

教育部提出的《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計(jì)劃（2020-2023）》明確提出，在全國范圍內(nèi)遴選出100個左右示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，將虛擬仿真技術(shù)與人工智能、職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)深度融合，解決職業(yè)教育高投入、高損耗、高危險、難實(shí)施、難再現(xiàn)、難觀摩的問題，利用示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的資源共享、輻射周邊，解決實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源不足問題，在2022年基本實(shí)現(xiàn)“三全兩高一大”的發(fā)展目標(biāo)。

教育部在2018年印發(fā)《教育信息化2.0行動計(jì)劃中》，已將VR技術(shù)明確列入教育信息化建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)中，在國家層面對于VR技術(shù)能帶動教育行業(yè)發(fā)展，提升教學(xué)效果充滿了信心。2021年7月，教育部確定職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地培育項(xiàng)目，全國共215個虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目入選，通過示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目建設(shè)，達(dá)到賦能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)優(yōu)勢，推進(jìn)職業(yè)教育現(xiàn)代化進(jìn)程，輻射帶動區(qū)域職業(yè)教育綜合發(fā)展等意義，教育部明確提出要重視虛擬仿真技術(shù)，將虛擬仿真技術(shù)作為改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的重要手段，加強(qiáng)虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用與研究。全國首個國家職業(yè)教育虛擬仿真示范實(shí)訓(xùn)基地也將在2021年10月亮相，標(biāo)志著虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育中的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。

北京師范大學(xué)關(guān)于AR技術(shù)在教育行業(yè)的案例做過統(tǒng)計(jì)，例如在高等教育的立體幾何教學(xué)中，利用AR技術(shù)將2D圖形與3D圖形相結(jié)合，免去手工建模的麻煩。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）在近幾年的醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，微軟公司在AR眼鏡的發(fā)布會上就展示了在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的能力，可以單獨(dú)觀察某一器官的運(yùn)動，還可以觀察到不同層次的人體結(jié)構(gòu);在教育書籍方面，將AR技術(shù)融入圖書，利用AR技術(shù)進(jìn)行輔助閱讀，增加了閱讀的趣味性;VR/AR技術(shù)用于科技館、博物館等場地針對市民的科普教育，例如中國科技館的“天工開物”和“祖國山河”等項(xiàng)目，游客在游覽時，可以通過虛擬模型直觀地認(rèn)識各類器物。

三、VR技術(shù)在軌道交通行業(yè)員工培訓(xùn)中的應(yīng)用

城市軌道交通已經(jīng)從智能交通往智慧交通發(fā)展，智慧交通中核心就是需要實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維。智能運(yùn)維技術(shù)面向列車運(yùn)行的復(fù)雜環(huán)節(jié)，高度運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)，形成一套具有列車狀態(tài)感知與跟蹤、故障診斷預(yù)警、剩余壽命預(yù)測、運(yùn)維智能決策、作業(yè)自動化等能力的智慧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)維精準(zhǔn)管理。在此前提下，對于行業(yè)員工新技術(shù)、新技能提升已經(jīng)提上日程.各地城市軌道交通人力培訓(xùn)成本占到日常運(yùn)營總成本50%以上，通過校企共建實(shí)訓(xùn)基地，利用職業(yè)院校所建成的VR實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行員工培訓(xùn)，可以節(jié)省大量設(shè)備建設(shè)和維護(hù)成本，達(dá)到設(shè)備共用的目的。VR技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，在各院校已經(jīng)成為一項(xiàng)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的方式，校企合作共建專業(yè)實(shí)訓(xùn)室既能解決學(xué)校實(shí)訓(xùn)室與企業(yè)現(xiàn)場脫節(jié)問題，也能充分利用學(xué)校實(shí)訓(xùn)室對企業(yè)員工進(jìn)行培訓(xùn)和提升，達(dá)到實(shí)訓(xùn)室功能的有效利用，避免重復(fù)建設(shè)浪費(fèi)資源的問題。

以成都鐵路局電務(wù)部重慶電務(wù)段為例，重慶電務(wù)段培訓(xùn)基地在北碚火車站，主要設(shè)備為現(xiàn)場設(shè)備利舊使用，現(xiàn)場各電務(wù)段均采用此類方式建設(shè)職工培訓(xùn)基地，現(xiàn)場設(shè)備到達(dá)使用年限后，在現(xiàn)場無法繼續(xù)使用，但能滿足教學(xué)需求，企業(yè)培訓(xùn)基地同樣面臨培訓(xùn)基地建設(shè)場地不足、工位不足問題，而此類培訓(xùn)基地只能完成車站基礎(chǔ)設(shè)備及聯(lián)鎖系統(tǒng)基礎(chǔ)培訓(xùn)，受實(shí)際場地限制，無法完全貼合鐵路現(xiàn)場，對于列控、聯(lián)鎖等幾大系統(tǒng)之間的功能也只能進(jìn)行理論教學(xué)。為解決此類問題，近幾年成都鐵路局電務(wù)部、重慶軌道集團(tuán)等單位也在積極與各地職業(yè)院校交流，希望能達(dá)到共建專業(yè)實(shí)訓(xùn)室，同時利用高校實(shí)訓(xùn)室完成新人職員工技能培訓(xùn)要求，并將新員工人職考核地點(diǎn)落戶各高校，既能解決高校學(xué)生頂崗實(shí)習(xí)無法到現(xiàn)場去的問題，又能解決員工培訓(xùn)問題，縮短新員工人職培訓(xùn)時間，降低培訓(xùn)成本，讓新員工能更快達(dá)到上崗要求。

以重慶公共運(yùn)輸學(xué)院為例，學(xué)院與江西科駿實(shí)業(yè)有限公司合作共建的虛擬仿真（VR/AR）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，已經(jīng)順利通過驗(yàn)收，該實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)完成后，重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院將利用已有軌道交通類專業(yè)實(shí)訓(xùn)室承擔(dān)每年成都鐵路局的“2+1”定向培訓(xùn)、司機(jī)提職培訓(xùn)等各類培訓(xùn)，負(fù)責(zé)新人職員工崗前培訓(xùn)，解決企業(yè)培訓(xùn)難題。

四、軌道交通專業(yè)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢與意義

以鐵道信號自動控制專業(yè)為例，當(dāng)前各鐵路局及軌道交通集團(tuán)對于新進(jìn)信號專業(yè)崗位員工要求需達(dá)到中級信號工水準(zhǔn)，要求學(xué)生能夠獨(dú)立完成各項(xiàng)信號基礎(chǔ)設(shè)備的集中檢修與測試，能對現(xiàn)場信號基礎(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)的簡單突發(fā)故障進(jìn)行處理，對于學(xué)生理論知識和技能要求進(jìn)一步提高。而信號設(shè)備幾乎包括軌道交通行業(yè)車站內(nèi)所有主要設(shè)備，要達(dá)到相關(guān)崗位要求，需要學(xué)生有大量時間進(jìn)行實(shí)踐技能能力訓(xùn)練，就進(jìn)一步要求各院校完善相關(guān)設(shè)備，并且工位數(shù)能滿足學(xué)生訓(xùn)練要求，通過與相關(guān)信號設(shè)備生產(chǎn)廠家調(diào)研發(fā)現(xiàn)，要利用現(xiàn)場設(shè)備達(dá)到上述要求存在各類問題。

（一）傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室教學(xué)存在的問題

1.學(xué)校前期投入大

以信號專業(yè)技能當(dāng)中一個實(shí)現(xiàn)模塊“轉(zhuǎn)轍機(jī)集中檢修與測試”為例，若學(xué)校按照小班配置，一個班級30名學(xué)生，在實(shí)訓(xùn)課程授課中需要達(dá)到所有同學(xué)都能進(jìn)行練習(xí)而不是體驗(yàn)的要求，針對一個班級的授課，至少需要6臺轉(zhuǎn)轍機(jī)才能滿足至少5人為一組的分組練習(xí);且以重慶地區(qū)為例，通過調(diào)研成都鐵路局、重慶軌道集團(tuán)和重慶鐵路集團(tuán)等大型軌道交通國有企業(yè)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場常用轉(zhuǎn)轍機(jī)型號就包括ZYJ7、ZY4、ZDJ9、ZD6等多個型號，為滿足企業(yè)人才培養(yǎng)需要，至少需要建設(shè)兩個型號設(shè)備，已經(jīng)轉(zhuǎn)轍機(jī)連接的線路，僅此一個實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目投入造價就上百萬。

2.進(jìn)行后期維護(hù)成本高

對于高校實(shí)訓(xùn)室建設(shè)最大難點(diǎn)在于后期維護(hù)保養(yǎng)，由于大部分教師缺少現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)，缺乏現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，遇到設(shè)備故障也無法解決，加上學(xué)院實(shí)訓(xùn)設(shè)備使用頻繁，導(dǎo)致大部分實(shí)訓(xùn)設(shè)備由于保養(yǎng)不到位，建成不久就無法使用的情況，若聘請廠家人員維護(hù)又需要較高維護(hù)費(fèi)用。

3.實(shí)訓(xùn)時安全性

任何實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目都存在安全性，而學(xué)校對于安全性要求較高，加之學(xué)生對于設(shè)備不了解，對于現(xiàn)場安全要求不夠重視，容易出現(xiàn)學(xué)生私自操作設(shè)備導(dǎo)致一些顯性的安全事故;除此之外，一些隱性安全問題也同樣存在，例如實(shí)訓(xùn)課配備兩位教師授課，也容易出現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教師很難全面關(guān)注每個學(xué)生的操作行為，也可能成為事故隱患。而部分院校處于安全角度考慮，無法完全按照現(xiàn)場要求開設(shè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，導(dǎo)致影響到學(xué)生基礎(chǔ)技能掌握，降低實(shí)訓(xùn)課程整體教學(xué)質(zhì)量等問題。

4.教學(xué)條件無法契合企業(yè)環(huán)境

軌道交通行業(yè)為了培養(yǎng)學(xué)生大國工匠精神，各院校在實(shí)訓(xùn)室建設(shè)過程中都會讓實(shí)訓(xùn)室盡量貼合企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，讓學(xué)生在教學(xué)期間就熟悉相關(guān)安全要求，但同樣會導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)環(huán)境受天氣影響較大，例如夏天室外天氣過熱，會導(dǎo)致學(xué)生上課效率降低，實(shí)訓(xùn)條件相對落后的問題。

以上各類問題逐漸成為信號類專業(yè)建設(shè)的最大難題，VR技術(shù)的引入能夠很好地解決以上各類問題。

（二）VR系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢

VR技術(shù)能夠很好地解決以上各類問題，讓學(xué)生學(xué)習(xí)擺脫了場地限制，提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

1.解決實(shí)訓(xùn)場地問題

利用VR技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)室教學(xué)模式，學(xué)生可以在機(jī)房實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的拆裝，掌握各實(shí)訓(xùn)設(shè)備基本結(jié)構(gòu)，利用理實(shí)一體化教學(xué)，讓學(xué)生更容易掌握各類基礎(chǔ)知識，也降低了實(shí)訓(xùn)室建設(shè)場地要求，可以將場地用于更需要現(xiàn)場操作的實(shí)訓(xùn)室建設(shè)。

2.實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目建設(shè)投入降低

VR實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)主要成本在與硬件設(shè)備的搭建以及后續(xù)課程開發(fā)的投入，現(xiàn)各學(xué)院采用的是整合各專業(yè)教師資源，充分利用專業(yè)教師與基礎(chǔ)課教師進(jìn)行課程共建，既降低了前期投入成本，也讓教師充分參與課程建設(shè)，解決后期課程內(nèi)容更新問題，讓課程能跟上現(xiàn)場技術(shù)要求，充分提升教師信息化教學(xué)能力。

3.提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)安全性

在信號類實(shí)訓(xùn)課程中存在較多安全隱患，信號專業(yè)屬于電務(wù)系統(tǒng)，會長期接觸各類220V與380V電源，在實(shí)訓(xùn)要求中對于安全操作要求高，避免學(xué)生出現(xiàn)觸電危險，部分機(jī)械部件的更換檢查易出現(xiàn)砸傷危險，傳動機(jī)械易出現(xiàn)肢體傷害的安全隱患。利用VR技術(shù)能將部分安全性要求高，極易發(fā)生安全事故的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在虛擬環(huán)境中去模擬現(xiàn)場操作，即使學(xué)生出現(xiàn)操作失誤，也不會造成實(shí)際財產(chǎn)損失以及安全事故，讓學(xué)生既掌握了技能，又避免了安全隱患，更符合學(xué)校教學(xué)要求。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育中存在的問題

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)硬件與技術(shù)問題

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，設(shè)備至關(guān)重要，其中頭戴式設(shè)備使用時間較長后容易出現(xiàn)眩暈感，而桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)教學(xué)與軟件開發(fā)相互分離，導(dǎo)致一線教師對于課堂掌控不夠，更多只能作為使用者存在。

（三）教師教學(xué)能力的問題

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對于一線教師來說屬于新型技術(shù)，教師對于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中停留于表面，需要教師具備熟練運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的能力;另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)內(nèi)容無法滿足虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容更多的是基礎(chǔ)性知識，缺乏真實(shí)環(huán)境下的應(yīng)用性知識，相較于傳統(tǒng)教學(xué)，教師需要在課堂內(nèi)容上增加相關(guān)真實(shí)工作情境內(nèi)容。

結(jié)語

通過對大量虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)文章的發(fā)文統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)至2016年虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)文章發(fā)布量相較于之前有了大幅度的增長，將2016年稱之為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)元年。經(jīng)過近幾年各項(xiàng)新技術(shù)發(fā)展，特別是隨著5G技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步解決了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸失真方面的問題，增加了VR的使用范圍，達(dá)到真正的交互式、沉浸式的教學(xué)。未來的教學(xué)模式將變得更身臨其境，VR技術(shù)能進(jìn)一步幫助教師提升教學(xué)質(zhì)量，豐富教學(xué)形式，也能進(jìn)一步提升教師教學(xué)水平。

隨著教育形式的多樣化發(fā)展以及前沿信息化技術(shù)在教育領(lǐng)域的深入應(yīng)用，VR/AR將推動教師回歸教育本質(zhì)。