虚拟现实技术：解决专业教学与生产安全矛盾的新思路

陆超

（广州铁路职业技术学院 广东 广州 510430）

虚拟现实技术：解决专业教学与生产安全矛盾的新思路

陆超

（广州铁路职业技术学院 广东 广州 510430）

探讨了在铁路机车车辆职业教育中引入虚拟现实技术，促进虚拟实践教学建设，以实现教学现代化。鉴于虚拟现实技术的局限性，还需要将虚拟现实技术与现场实践相结合，将现代教育理念与现代教育技术相结合，推动课程教学改革。

虚拟现实技术；专业教学；生产安全

铁路运输是国家经济的大动脉，铁道机车车辆的运用与检修是铁路运输安全和效率的根本保证。近年来，我国轨道交通运输网建设日臻完善。2008年，国家经济政策进行重大调整，《珠江三角洲地区改革发展规划纲要 （2008～2020年）》明确指出：要建设开放的现代综合交通运输体系，尽快建成珠江三角洲城际轨道交通网络；重点建设广深港高速铁路、沿海铁路、贵州至广州铁路、南宁至广州铁路，以及广州、深圳、佛山、东莞城市轨道交通等重大项目；到2012年，轨道交通运营里程达1100公里，到2020年，轨道交通运营里程达2200公里。这对铁道机车车辆应用型人才培养提出了更大、更新的要求，也给职业教育带来了严峻的考验。

铁道机车车辆传统职业教育的特点

铁道机车车辆是铁路运输的核心设备，机车、车辆的结构维护和检修至关重要，是机车、车辆安全、性能的根本保证。因此，在铁道机车车辆人才培养中，应努力让学生更好、更全面地掌握机车车辆结构维护与检修技术。

传统实践教学方法 高职教育的重心就是实践，所以要依靠铁路机务段、车辆段等一线生产现场。对于铁路运输生产部门来说，安全是第一位的，而学生的现场教学势必影响其安全生产，这就产生了铁路机车车辆专业教学与铁路运输生产安全的矛盾。近年来，铁道部在全国铁路推行单司机操作；铁路第六次大提速以来，大量高速动车组开行，绝不允许任何安全隐患存在。与此同时，高职教育又要求增大实践教学的比重。因此，专业教学与生产安全这一矛盾更为突出。

实践教学成本过高 要解决专业教学与生产安全这一矛盾，传统的方法是把工厂“搬进”学校，添置硬件教学设备。据调查，一台主型机车价格为1500～2000万元人民币，一辆铁路客车售价60～100万元人民币，一列CRH动车组约2亿元人民币；与此相应的实训场地建设，检修工装设备配套和维护，检修人员配备等将带来学校办学成本的大幅跃升。

传统专业教学方法 如何让学生能够更好、更全面地掌握各类机车车辆结构及检修技术，一直是高职铁道机车车辆专业教学中的难点。由于机车车辆具有结构复杂、体积大、型号多、成本高等特点，实物教学需要极大的经费投入。因此，在传统教学中多采用文字和图片方式，学生缺乏学习兴趣和主动性，而实验设备更新速度也滞后于技术更新速度。如果按照技术更新速度同步进行实验设备更新，投入将非常巨大，造成的浪费也非常严重。

高职教育中引入虚拟现实技术

高职教育的特殊性 高职教育的特殊性决定了在教学过程中必须重视学生在校学习与实际工作的一致性，有针对性地采取工学交替、任务驱动、项目导向、课堂与实习地点一体化等行动导向教学模式。同时，实践教学在高等职业教育教学活动中占有非常重要的位置，对于深化学生对知识的理解和掌握，培养学生分析问题和解决问题的能力具有重要作用。但是，我国高职实践教学的特点和条件，阻碍了学生的动手能力和创新能力的培养，不能最大限度地激发学生的求知欲望，在一定程度上影响了学习效果。

引入虚拟现实技术 在发达国家，虚拟现实技术已逐渐应用于社会的各个领域。例如，波音公司将虚拟现实技术与CATIA三维仿真软件结合，通过建立飞机的虚拟结构模型，达到虚拟组装及实验目的，之后直接进行实际生产。我国的虚拟现实技术起步较晚，但近年来也在迅猛发展。对中国铁路行业来说，随着计算机的普及，无论是研究铁路机车车辆技术的高等院校，还是进行设计制造的研究所与制造企业，都在逐步利用相关的虚拟现实技术。例如，高等院校和研究所利用SIMPACK等动力学仿真软件模拟机车车辆在有关线路上的运行；机车车辆制造企业利用CATIA、PRO/E等三维软件对机车车辆结构部件进行虚拟制造、装配分析、图纸打印等。引入虚拟现实技术，以铁路机车车辆制造企业的设计制造方式为结合点，利用现有的计算机平台，用专业的三维软件实现对机车车辆结构部件的虚拟仿真，制作相关的教学课件。同时，在实践教学中，让学生参与机车车辆结构部件的虚拟仿真，达到实践与教学紧密结合。通过这种手段既让学生清楚地学习相关的机车车辆结构，又让学生参与机车车辆的设计制造过程，为今后适应职业岗位打下良好的基础。

虚拟现实技术的优势 （1）弥补现场实践教学条件的不足。在铁道机车车辆实践教学中，往往由于实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，使本应该开设的实践教学无法进行。利用虚拟现实技术，可以弥补这方面的不足。学生在专业教室中就可以通过使用虚拟现实技术，对铁道机车车辆进行各种各样的结构和故障分析，获得与现场实践教学一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。（2）避免实践教学或操作所带来的危险。传统的铁道机车车辆实践教学，主要通过学生进入铁路机务段、车辆段等一线生产现场进行教学。由于生产现场对学生具有一定危险性，一般采用电视录像的方式取代现场实践教学。学生无法亲身参与实践，获得感性认识。利用虚拟现实技术，学生在虚拟实践环境中，可以放心地进行各种实践，很好地解决了专业教学与生产安全这一矛盾。例如，虚拟的轮对电机拆装配合试验，可以避免现场实践中轮对电机各部件所带来的危险。（3）减少专业教师实践教学的困难。传统的铁道机车车辆实践教学，每一次进入铁路机务段、车辆段等一线生产现场，都必须提前与相关单位联系，办理相关手续。这导致了专业教师在现场实践教学前必须投入大量精力，同时还容易对一线生产单位生产过程造成诸多影响。而现场实践教学是每年都必须进行的职业教育环节，会对一线生产单位造成重复的安全事故隐患。利用虚拟现实技术，可以完全避免上述问题。虚拟现实技术具有可重复性，可以大大减少专业教师在实践教学中的困难。

虚拟现实技术对铁道机车车辆专业教学的影响

教学观念的变化 虚拟现实教学能有效地做到教与学的有机结合，赋予学生学习的主动性，以学生为中心的个别化教学、合作化教学和环境中自我探究得以真正实现。将虚拟现实技术引入教学后，逼真的虚拟环境可以提供良好的人机交互功能，教学内容的组织安排将特别强调让学生主动参与来构建知识结构，学生的被动听讲变为主动学习，极大地促进了教学观念的变化。

教学内容的变化 虚拟现实技术与多媒体技术高度集成，把信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性结合起来，为学生提供了一种动态、开放的结构化认知形式。它既包括学科的基本内容，又包括学科内容之间的逻辑关系；既注重知识的形成过程，又注重知识的结构。采用二维实景虚拟现实过程，铁道机车车辆不可视的变化、无法触摸的部件，以及危险的场所，都可以通过虚拟现实技术去展现，凭借视觉、听觉、触觉信息的协调作用，充分体现了教学内容的统一性与灵活性。

教学手段的变化 虚拟现实技术应用于教学过程，可以促使教学手段向科学化、高效益方向发展，其变化体现在以下几方面：（1）互动式教学。虚拟现实有助于师生互动教学的开展。（2）发现式教学。虚拟现实教学不但提供良好的人机交互，还允许学生出错时，自行了解错误的根源和后果，从而培养学生发现式的学习风格和策略，以及高层次的思维技能。（3）协同工作式教学。虚拟现实教学不受空间位置的限制，可让师生共处于一个虚拟空间，通过师生之间、学生之间的协作，培养学生协同工作的意识，使学生具备适应大系统工作的能力。

虚拟现实技术应用于专业教学中的问题

虚拟现实技术与现实的区别 虚拟现实技术虽能对铁道机车车辆所需的结构部件进行虚拟仿真，但鉴于目前虚拟现实技术的发展状况，虚拟教学系统不太适合学生进行探索性的实践。虚拟化的结构部件不能对真实结构做到完全模拟，因此，虚拟现实技术的引入并不能完全代替专业现场实践教学，它只是专业实践教学的有力补充。

虚拟教学系统对危险操作的忽视 如果学生在虚拟学习系统中进行了多次的实训后，他们可能会产生两种不良习惯：一是在实际工作过程中不注意技能技术操作的各种不良后果；二是沉迷于虚拟教学环境中，对现实工作中的技能操作不感兴趣。所以，在设计虚拟学习系统时，需要加入实际工作中的操作提示，或者用多媒体手段演示不良操作的后果。在教学组织上，需要尽可能采用“熟练的虚拟训练+实际的动手训练”相结合的教学方式。

铁道机车车辆专业教学和生产安全一直是职业教育中的一大矛盾。在铁道机车车辆教育中引入虚拟现实技术，可有效解决实践教学需要与实物教学投资成本大之间的矛盾；同时对专业教学的内容、方法和手段可以进行有效地变革。但也应注意，虚拟现实技术的引入并不能完全替代现场实践教学，而应该将两者有机结合，开创实践教学的新模式。

[1]周彩根.虚拟现实技术在高职教育中的应用[J].常州信息职业技术学院学报,2004,3（4）.

[2]徐鑫,刘巍.基于虚拟现实的仿真技术在职业教育中的应用的理论探讨[J].渤海大学学报,2007,28（1）.

[3]梅婷,李海宗.虚拟现实技术在职业教育工科实训课程中的应用[J].继续教育研究,2008,（1）.

[4]叶华乔,习海旭,黄纯国.虚拟现实技术在职业教育教学中的应用[J].武汉船舶职业技术学院学报,2007,(1).

[5]赵士滨,肖鹏.虚拟现实应用于职业技术教育的研究与实践[J].广东技术师范学院学报,2007,（9）.

G712

A

1672-5727（2010）05-0150-02

陆超（1981—），男，江西萍乡人，硕士，广州铁路职业技术学院轨道交通系助教，研究方向为机车车辆、动力学及职业教育。