基于混合现实技术的城市轨道交通车辆专业教学探索与展望

龚博，杨光明

（合肥职业技术学院，安徽 合肥 23000）

2020 年，教育部教职成司印发《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》，坚持科技引领，虚实结合，建设职业教育虚拟仿真实训基地，有效弥补职业教育实训中看不到、进不去、成本高、危险性大等传统问题，从而确立了虚拟现实技术在职业院校实践教学中的重要地位。近年来，虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)、混合现实(Mixed Reality，MR)等现实增强技术不断发展，打破了传统教育的壁垒，通过全新的视觉感受和交互体验为虚拟仿真教学的实现提供了可能。其中以虚实融合、实时互动、三维注册等为主要特征的混合现实技术将以独特优势在教育领域展现其巨大的应用潜力。

1 混合现实技术概述

1.1 混合现实技术的特点

混合现实技术(Mixed Reality)是借助先进的计算机技术、图像处理技术和人机交互技术，生成虚实融合特征的可视化环境，虚拟和现实对象在此环境中共存，学习者可与之实时互动。Mixed Reality 技术的特点主要体现在虚实融合、实时互动、3D 注册等方面，其中虚实融合是通过显示设备实现虚拟与现实环境的交叉融合，可以将虚拟物体融入现实世界，也可以将现实物体融入计算机的虚拟世界。实时互动是指用户与混合现实环境通过视觉、触觉或感知通道相连接，形成智能互动与反馈。3D 注册是指通过虚拟与现实空间之间的三维方位所形成的映射关系感知用户方位和身体姿态的变化，将恰当的观察画面实时地呈现出来。

1.2 混合现实技术的发展

VR 是一个纯粹的虚拟场景，虚拟世界是依靠计算机图形技术产生的。学习者通过佩戴式设备在计算机建模和三维处理的虚拟世界产生交互。

AR 是在现实基础上增加辅助的虚拟图像，是虚拟和现实的结合。多采用计算机视觉相关技术同时将真实环境和虚拟物体实时叠加到同一个画面或空间，使虚拟的信息应用到学习者环境中。

MR 是一个新的可视化环境，由现实和虚拟混合产生，包括增强现实和增强虚拟。物理和数字对象在新的可视化环境中共存，实时互动，借助先进的计算机技术、图像处理技术和人机交互式技术。学习者通过自然的方式，如手势、体感、凝视、触摸等，与虚拟的或现实的物体互动，并提供各种各样的反馈（图1）。

图1

VR 头戴显示设备在人机交互方面存在诸多不足的同时，存在严重影响学习者学习体验的视觉滞留和眩晕感。AR 的交互性明显增强，但系统本身的算法优化程度、精确度以及外界的光照环境都很容易影响学习者的交互体验。

MR 推动了虚拟世界与现实世界的联结，将人的感觉延伸到新创造的学习场景中，建立在多个感受通道的基础上。充分调动各种感官，如视觉、听觉、触觉甚至嗅觉等，有效增强学习者的身临其境、代入感和置入感，帮助他们快速进入学习状态，在提高知觉体验的同时，促进认知，提高学习效率。

2 城市轨道交通车辆专业教学中存在的问题

近年来，随着轨道交通行业的飞速发展，为保障地铁线路的正常运营，企业亟需足够的高素质技能人才，轨道交通车辆检修的人才缺口尤为突出。城市轨道交通车辆技术专业（检修方向）要求培养具备列车操作、设备与工具使用、车辆调试及检修、突发事件与故障处理能力的高素质技术技能型人才，对教学实践活动要求较高。而现有传统教学实训设备因实物教学成本高，设备数量少、课程教学资源匮乏等原因无法满足教学需求，新兴技术手段的加持打破了传统教育的诸多限制，为教学实训的改善提供了帮助。

2.1 传统实训设备不足，实验作用单一

传统实践教学需借助专业的实训设备设施，配备专门的实训教师，在规定的实训场地开展实训教学活动，学校基础设施建设资金进一步增加，原材料所需数量大、成本高、周期长、资源消耗大，传统教学模式的实训场地在实际建设过程中通常会动用大量资金、材料和资源等。过多的学员和数量不够的器材台套，会导致学员在外层周围看不清、听不清，这样的实际训练效果就大打折扣了。

2.2 某些实训活动存在安全隐患

实训的教学过程中，由于部分设备和零部件重量较重，学生在没有实践经验的情况下直接操作车辆或设备，在一些高危险的实际操作中，如受电弓和空调机组检修，可能会发生倾翻和扎伤等安全隐患，以及电击等事故，导致设备损坏或人身安全事故，增加了设备维护成本，也增加了学生和教师的心理压力，以至于老师有顾虑不敢让学生操作，学生害怕动手操作，阻碍了实践教学活动的开展。

2.3 设备损耗严重

实训教学过程中，学生会对实训车辆及配套设备进行反复拆卸和安装。例如，在客室车门检修学习中，要求学生能对车门进行V 形调整，学生需不断地调节调整螺母，反复对比确实测试数据，此过程中车门和检测仪器均存在一定的损耗，包括设备的自然老化现象，这在具体应用过程中不可避免；在实际操作中，还会存在因学生的错误操作而出现的异常磨损现象，例如，学生在使用轮径尺检测车轮直径时，由于操作不当，而使车轮表面出现异常磨损，导致测量数据超限。这些都将使其寿命缩短，需定期对设备进行维修和更换，使教学成本增加。

2.4 教学评价效率低

城轨车辆结构精密复杂、模块众多，传统教学方式描述不直观、难以理解，会导致出现检修培训及操作效率低以及容易出错等问题，学生实际动手能力较差。传统实训操作考核对教学反馈信息的收集需要耗费大量精力，对实训教学中的短板难以分析，对被调查者的真实感受难以准确反应，导致信息评价效率较低。

在城轨交通车辆专业的相关教学中，MR 技术被引入并应用于车辆的故障诊断、拆卸、维护和其他关键部件的实际操作中，研发适用于实训教学使用的MR 城轨车辆虚拟仿真教学平台在提高教学效果、弥补城轨交通车辆实训教学空白等方面具有重大的意义。

3 混合现实技术在城市轨道交通车辆专业教学中的应用现状

3.1 混合现实技术在城轨车辆构造基础课程中的应用

城市轨道交通车辆构造主要包括受电弓、转向架、车体、车辆连接装置等结构，要求学生掌握地铁车辆结构组成和工作原理，同时准确掌握各部分结构在整车上的位置，为检修课程的学习打下基础。现阶段，车辆构造课程的教学主要以图片、视频、单独的各零件实物等辅助教学。这些方式虽有一定的作用，但学生在学习时仍有困难，特别是各部分结构在整车中的位置认知学生普遍掌握情况较差。

以轨道交通电客车设备为对象，以混合现实MR 技术为保障，以MR 眼镜为载体，开展对车辆构造的全息教学应用的研究，通过全息教学手段让学生们在虚实结合的环境下沉浸于教学内容的学习。例如，以转向架为例，设计了结构认知、爆炸拆解、视频资料、重置等功能，结构认知可以显示转向架各个部件列表，点击某一部件按钮，显示对应的文字介绍，点击孤立显示可以隐藏其他部件，点击X 光模式可以将其他部件变为X 光效果，突出显示所选的部件。爆炸拆解可以将转向架拆解为各个部件，可单独拾取某一部件进行查看。视频资料包括转向架结构认知、轮对测量、闸瓦更换、高度调整杆更换及调整、齿轮箱换油等内容，点击按钮会播放对应的视频资料。重置包括主视、左视和俯视，转向架会在点击按钮后调节到相应的视角。通过语音和手势进行隔空交互操作，以趣味化、游戏化的方式模拟轨道交通车辆检修专业运营维护场景，为学生营造身临其境的实训空间。高度逼真的训练环境，使得学生能够获得生动直观的感性认识，增进对抽象的原理的理解，节省时间和成本。

3.2 混合现实技术在城轨车辆检修专业课程中的应用

轨道交通车辆检修虚拟仿真实训教学项目，通过虚拟仿真技术，1:1 还原车辆结构、常见故障、作业工具和检修作业项点，机械结构仿真至零部件级，包括所有固定螺栓及连接线缆，故障类型有破损、漏气、锈蚀、密封不良、功能异常等10 余种；控制逻辑包括司机室HMI 显示屏、照明控制、车门控制、空调控制、监控摄像头等；作业工具包括第四种检查器、轮径尺、拉力计、绝缘鞋、绝缘手套等；检修作业项点包括4 个检修周期，100 余个检修项点，1000 余个故障项点。将轨道交通车辆的设备结构、检修环境、常见故障以及作业流程等，完全还原到学生的眼前。对转向架的拆卸工艺、维修工具的使用工艺等维修操作流程进行了形象模拟；模拟检修工具摆放环境、检修工具外形、检修工具操作方式、检修工具操作效果等，对工具设备的使用情况进行形象模拟。学生通过沉浸式、交互式的学习、训练和考试，掌握城轨列车检修专业核心课程的知识点和岗位要求的技能点。

基于信息化技术手段，开发线上综合测试评价系统，包括练习模式和考核模式。练习模式下，学生可以自主选择检修作业内容，系统有帮助提示，进行针对性的训练。在考试模式下，老师将试题从试题库中抽出，整理成卷，下发到学生手中，供学生作答。该系统实时监测学生在车辆转向架课程的实训过程行为，并进行实时评价。一旦学生出现错误操作，系统提示扣分并引导学生按照正确的步骤完成任务，从而锻炼学生的操作技能，提高教学评价的效率。

3.3 混合现实技术在远程在线教学中的应用

目前，大规模在线课程在学习体验感和监督力度方面相比线下教学存在不足，城轨车辆检修在线课程中融入MR 技术，采用基于MR 智能眼镜为主，web 相互配合实现MR 全息内容编辑和演示的创作平台，异地多人实时分享并可以协同创作，通过MR 中的3D 虚拟角色进行协作，用户可以在此空间进行音视频通讯、操作和编辑场景内的全息内容，自定义房间布局，并根据不同空间属性对空间内的角色分配不同的功能。

采用混合现实全息创作平台将异地教师或本地教师及学生加入同一虚拟房间，开展双师、多师远程教学和共享教学，学生和教师均可对教学内容进行编辑，通过视觉共享，使学生在检修作业操作中的操作流程及标准作业有更直观深入的理解。同时，学生可以在MR 环境中进行反复操作练习，老师可以通过共享的视角或者录下的视频查看学生操作过程，从而提供指导和反馈，促进学生规范操作，使处于不同空间的教师、学生身临其境地“面对面”交流，从而提高教学效果。

4 现存问题及展望

4.1 教学资源短缺

MR 应用于娱乐、产品设计等商业化领域，但用于教育和教学的却很少，特别是用于城轨车辆方面的实际训练和教学的内容更是少之又少。研究内容设计、3D 建模和场景构建等技术是开发MR 轨道车辆课程资源的关键。企业无法为我们准确提供现有车用零部件的三维模型和详细尺寸，因此，教师需要利用三维软件，根据教学需要，绘制现有车辆各部件的外形和安装尺寸的简化零件图，并根据需要，建立机车车辆零部件的虚拟仿真模型库，根据需要随时生成新的虚拟设备，以现有车型为基础，适时更新教学内容。使实践训练及时跟上技术的发展。同步开发城轨车辆系列精品教学课件、系列微课、课程试题库和典型案例资源，不断丰富教学资源，提升城轨车辆系列课程信息化建设质量和教学效果。

4.2 开发人员与教学人员脱节

虚拟仿真交互式教学环境开发需采用Solidworks、3dsMax 构建城轨车辆和检修库三维模型，Substance Painter 绘制材质贴图，使用Unreal Engine4 引擎搭建场景，构建灯光环境和视觉效果，技术层面要求较高。

要求研制人员既要有计算机应用方面的专门技能，又要有在研制装备方面有一定难度的专用轨道车方面的特长。迫切需要通过校企合作的模式，组建混合现实技术设计制作团队，与城市轨道车辆专业教学接轨，让专业老师参与系统开发的团队协作，这样MR 技术才能更适应专业教学的需求。

4.3 教学方法需进一步完善

混合现实技术在轨道交通车辆实训上的应用尚处于尝试阶段，还没有成熟的教学方法可以借鉴，那么，在轨道交通车辆的实际教学中如何应用MR 技术，才能有效地提高实际教学的效果，这是一个很值得研究的课题。首先，要对负责MR 资源模块授课的专业教师进行操作培训，使教师能够恰当地将该技术融入现有的教学中，此外，还需要具备将城轨车辆维修专业知识转化为资源的能力，并在实践中对所遇到的问题不断地发现与研究。将教师依附在传统设施设备上的演示员角色转换为引导者角色，引导者在虚拟仿真技术中的要求。混合现实技术促进了城轨车辆专业教学的内容、方法及手段的变革，但是并不能完全取代线下的实践教学体系，要把二者的教学方法有机地结合起来，在实践教学制度上创造一个新的范本。

5 结语

混合现实技术是在虚拟现实和增强现实技术的基础上发展而来的，因其虚实融合、实时交互、三维注册等特点，目前已在城轨车辆构造基础课程、城轨车辆检修专业课程教学、远程线上教学等领域中有一定的应用。现阶段，混合现实技术在城轨车辆专业教学应用中仍存在课程资源短缺、开发难度大、教学方法滞后等不足。还需进一步研究混合现实技术在教学中的应用及融入现有课程体系的课时课程设计的问题，与现有的教学体系更好地融合，进一步提高学习效率。