虚拟现实技术在城轨车辆技术课程信息化建设中的应用

魏 巍

(北京劳动保障职业学院，北京 100029)

1 前言

2019年初，国务院正式印发《国家职业教育改革实施方案》(俗称“职教20条”)，吹响了现代职业教育改革的嘹亮号角。职业教育领域的各个方面正在与信息技术发生深度融合，新一代信息技术应用已成为教育教学的基本元素之一，新的课程形态正在建立，新的学习生态正在形成。课程形态和教学模式由传统的常规课堂面授，逐步向线上/线下结合、多媒体全息资源、跨地域全时域共享的方向迅速发展。“互联网+”、大数据、人工智能、虚拟现实等信息时代新技术使创新多种教学模式，面向不同学习对象，支持多点学习终端的“教与学”成为可能。

根据学院2017～2020年专业改革与发展规划及特高校建设的改革需要，并结合北京城市轨道交通发展趋势和我院城市轨道交通机电技术专业建设的具体情况，依托市级财政专项的资金支持，于2019年正式启动了城轨车辆技术课程的信息化建设项目，尝试借助虚拟现实(VR)技术开发出一系列针对城市轨道交通车辆检修工作现场的，以交互式、体验式教学场景和三维动画模拟为特色载体的教学资源库。

始于2020年初的新冠疫情全球性多点爆发，使国际、国内高等职业教育模式面临前所未有的新挑战。笔者也试图在此次城轨车辆技术课程信息化建设项目的执行过程中探索疫情防控常态化背景下的工科实训教学的新路径和新方法。

2 虚拟现实技术简介

虚拟现实技术始创于20世纪90年代的美国，英文名为Virtual Reality，简称VR技术，又称灵境技术。借助计算机仿真生成基于实时动态三维数字模型的，以视觉感受为主，包括听觉、触觉等多种的动态感知的人工虚拟环境，给人一种“身临其境”的感觉。

虚拟现实系统的主要特征包括：浸没感、交互性和构想性。这3个特性的英文单词首字母均为I，所以通常被统称为虚拟现实系统的“3I”特性。

目前，虚拟现实技术主要分为四大类：①桌面级的虚拟现实；②投入的虚拟现实；③增强现实性的虚拟现实；④分布式虚拟现实。本文所涉及的城轨车辆技术课程信息化建设项目拟采用的虚拟现实技术以桌面级虚拟现实技术和投入式虚拟现实技术为主。

3 城轨车辆技术系列课程建设的现状

我院的城市安全与应急管理系的“城市轨道交通机电技术”专业开设的城轨车辆技术系列课程主要包括：“城市轨道交通车辆”课程，是2012年我院教师和香港地铁、北京地铁专业技术人员一起开发的8门专业基础课程之一，48课时，是面向全专业学生必修的通识性教育课程；“电动列车部件检修”课程，是针对地铁行业城轨电动列车检修工及城轨电动列车驾驶员方向的岗位需求开发的专业方向课程，108课时，主要供大三毕业年级学生根据就业方向和需求自主选修。

上述两门课程开发的教学内容均与工作内容、岗位需求高度契合，如地铁驾驶员岗位的教学内容侧重于懂原理，会操作；而城轨电动列车检修工除了懂原理，会操作外，还要进行维护、维修操作；对于城市轨道交通机电技术专业的其他就业岗位，也有必要对城市轨道交通车辆有较全面的基础认知。

目前，城轨车辆技术系列课程所使用的教学资源主要是教学课件和电动列车部件检修实训室设备等。课件中除了文字外，主要包括少量的地铁企业工作现场及车辆、设备的图片，可用的视频资料匮乏。相对而言，教学资源的形式比较单调，电动列车部件检修实训设备体量庞大，结构复杂，加之部分实训人员安全的顾虑，实训室相当部分的零部件都只能看，不能拆。无法满足城轨车辆技术课程教学对于整个地铁车辆的结构、城市轨道交通车辆各子系统的组成、各系统间复杂的联动连锁控制关系、控制逻辑及控制流程、地铁车辆段工作流程、车辆检修工艺规范等比较抽象的课程知识和实操训练的重难点突破。希望通过本课程信息化建设项目实施，丰富升级后的“城轨车辆技术”系列课程的教学资源，实现课程教学的全面信息化。

通过城轨车辆技术课程信息化建设项目的前期调研与论证，初步确立了该项目设计与实施的4个基本原则：①发挥校企合作的优势，与北京地铁、京港地铁等企业紧密协作，在项目前期调研、招投标、项目实施等不同阶段听取企业技术人员的宝贵意见；②尽量采用相对成熟的信息化技术手段，提高软件开发的成功率，缩短项目研发周期；③课程资源开发的原始素材均应从地铁运营一线或生产厂家获得，使课程资源开发成果与企业实际高度契合；④项目涉及的设计工具和软硬件配置应考虑与学院现有局域网或VR类教学设备相兼容。

4 应用虚拟现实技术构建交互式教学环境和场景资源

城轨车辆技术课程信息化建设项目由五大模块构成：系列精品教学课件开发；虚拟仿真交互式教学环境开发；系列微课开发；课程试题库开发；典型案例资源开发。其中，虚拟现实(VR)技术得到了大量的应用，全面提升了课程信息化建设项目的建设质量和教学效果。

虚拟仿真交互式教学环境开发是整个课程信息化建设项目的重点，采用solidworkes三维建模技术、composer三维立体动画场景展示技术、VR虚拟仿真技术等开发，实现了全新的信息化课程教学环境与资源拓展。开发内容包括：

(1)地铁检修中心(车辆段)三维立体教学模型开发(1套);

(2)车体模块化生产流程三维立体教学模型开发(1套);

(3)转向架结构组成(总装爆炸图)三维立体教学模型开发(1套);

(4)牵引电机拆装流程训练交互式VR教学模型开发(1套);

(5)VR虚拟现实交互式、体验式教学场景(日检)开发(1套);

(6)VR虚拟现实交互式、体验式教学场景(列检)开发(1套);

(7)城轨车辆客室内气流分布三维立体动画场景开发(1套);

……

其中，轨道交通地铁检修中心(车辆段)教学场景及车辆车体、走行部、连接部、驱动部、制动部等各主要部件教学模型的建模采用Dassault Systemes S.A公司的solidworks软件开发平台开发实现，SolidWorks 2016 *64 Edition开发环境如图1所示。

4.1 三维建模实施步骤

(1)设计标准轨道交通土建结构及设备系统CAD二维平面图。

(2)基础组件设计，利用已设计开发的CAD二维平面图设计尺寸，通过SolidWorks集成开发环境进行三维模型设计，绘制主要流程：①草图绘制；②特征绘制；③材质与渲染。

(3)装配体集成，利用已绘制好的单体SolidWorks组件，进行集成装配，实现所需的完整模型结构体。

4.2 三维动画开发实施步骤

(1)三维模型设计，利用SolidWorks设计完成动画所需全部三维模型，生成.SLDASM装配体文件。

(2)将三维模型导入到composer集成开发环境。

(3)在composer集成开发环境内逐帧进行动画设计开发。

4.3 交互式教学环境和场景搭建

采用Unity 3D集成开发环境实现虚拟场景加载、VR设备加载、交互开发及最终产品打包发布等全过程，此部分开发涉及前期轨道交通基础场景、设备系统的完整建模，配套以Unity3D中进行Visual C#等后台应用程序开发。Unity 3D集成开发环境如图2所示。

4.4 基于虚拟场景的职业安全教育考试模块开发

城轨车辆技术课程信息化建设项目的试题库开发模块，利用分布式DBMS数据库技术、无线网络传输与控制技术，并结合手机或无线PAD终端应用程序技术开发了完整的试题库。试题库包含5种题型：选择题、判断题、填空题、简答题、论述题，可实现远程在线考试的全流程，以全新的信息化手段提高学生的学习欲望，以信息化手段督促学生紧随教学进度，完整掌握本课程的学习任务。

借助虚拟现实技术，该试题库将拥有一套城市轨道交通地铁检修中心(车辆段)工作场景下的安全作业规范VR考试模块。该模块既可用于安全培训，也可用于安全教育考试。借助VR头盔等硬件设备，被测试者将置身于近乎真实的地铁车辆段工作场景中，接受系统预设的安全行为规范测试。

5 结语

在城轨车辆技术课程信息化建设项目的实施过程中，所有的三维立体教学场景、主要设备模型、动画场景均要求严格按照轨道交通标准现场级设备系统进行开发；课程所涉及的非仿真三维场景，各类组件、部件、元器件、接线及控制原理也均要求与轨道交通现场级保持一致。虚拟现实技术在其中的合理应用为实现上述严苛的技术要求提供了可能性。

虚拟现实技术(VR)的发展为轨道交通类职业培训课程的信息化教学和课程资源开发提供了一种全新的技术手段。基于虚拟现实技术的课程虚拟仿真资源或虚拟实验室(实训室)未来将成为工科类职业教育的标准配置之一。