[摘  要]教育信息化背景下，VR技術在教學中的應用，不僅可賦能學生學習，更能助力教師教學。為了讓VR技術在專業課教學中進一步發揮優勢作用，增強學生的專業課程學習效果與體驗，本文對VR技術機理、鐵道機車車輛制造與維護專業定位進行了分析，結合高校鐵道機車車輛制造與維護專業教學現狀，以問題為導向，提出VR技術在“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”課程教學中的應用措施，以期為促進專業教學模式改革、提升課程教學水平提供參考。

[關鍵詞]VR技術  教育信息化  鐵道機車車輛制造與維護專業  教學應用

課題：西安鐵路職業技術學院2024年度院級課題《虛擬仿真技術在鐵道機車車輛制造與維護專業教學中的探索與研究》（項目編號：XTZY24J10）。

大數據、人工智能、物聯網、移動互聯及VR技術、AR技術等在教育教學中的應用，可賦能教育教學升級，加快推動教育現代化。隨著教育信息化建設的不斷深入，基于計算機技術、仿真技術和人工智能技術的虛擬仿真系統已是教育信息化數字資源的重要組成部分，并成為未來教育信息化發展的新趨勢，加強VR技術在鐵道機車車輛制造與維護專業教學中的應用，建成虛擬仿真的3D實驗實訓平臺，不僅是促進學生技能學習的根本需求，更是提高專業課程教學質量與效益、加快專業課程特色化建設的必需。本文立足學校專業教學模式創新經驗，探討VR技術在教學中的具體應用，以期進一步推動我國高校鐵道機車車輛制造與維護專業教學創新。

VR技術與鐵道機車車輛制造與維護專業的概況

1.VR技術

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是以計算機圖形學、仿真系統、多媒體設備、人工智能技術、計算機網絡技術和多傳感器技術為支撐的計算機仿真模擬系統，具備沉浸性、交互性、構想性、體驗性等特征。20世紀80年代初，美國的VPL公司率先提出“計算機逐步適應于人”的想法，并通過計算機技術、顯示技術、移動交互技術等實驗應用，推動了VR技術的形成。從VR技術的機理來講，主要是人們根據某個物體、人物或景象的特征，在計算機仿真系統中搭建起仿真對象的具體模型，然后通過計算機圖形技術的優化，使虛擬模型動起來。操作者通過佩戴VR設備，可以參觀、體驗虛擬模型及其場景，在多傳感器與人機交互界面下，形成視覺、聽覺、觸覺等多感官功能體驗，達到“身臨其境”之感。目前，VR技術廣泛應用于教育領域，發揮著巨大優勢，VR技術為學生帶來了學習新平臺，賦予了學生學習新體驗，也有利于打造專業教學新形式。

2.鐵道機車車輛制造與維護專業定位

鐵道機車車輛制造與維護專業是高校普遍開設的一個專業，屬于裝備制造大類中的軌道裝備類，學制三年，專業代碼460401。該專業主要培養德智體美勞全面發展，掌握機車車輛必備基礎理論、機車車輛組成結構與工作原理、機車車輛裝調方法與維護檢修流程等知識，具備機車車輛部件組裝與調試、機車車輛總裝、機車車輛整車調試與故障處理等專業技能的高素質技術技能人才。“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”是該專業核心、重點課程，本文主要以“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”課程教學為案例對象，探討VR技術在專業課程教學中的具體應用方式，探索技術技能人才培養渠道。

VR技術在鐵道機車車輛制造與維護專業教學中的應用功能

1.賦能學生學習，為學生提供交互、沉浸、易操作的實訓平臺

VR技術的顯著特征是沉浸性、體驗性、多感知性、交互性、構建性。基于VR技術的功能機理，利用VR技術建立專業教學所需的虛擬仿真實驗平臺，平臺上具備“機車車輛機械的檢查與維護”“牽引電器的檢查與維護”“制動機的操縱與維護”“鐵道車輛電氣裝置的維護與檢修”“機車車輛整車調試”等技能實操模塊。學生通過電腦便可以快捷登錄平臺，完成各門課程的技能實操訓練。例如，針對“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”課程，虛擬仿真實驗平臺上有“鐵道機車車輛檢查與維護”的實操模塊，能夠將鐵道機車車輛檢查與維護程序中涉及的流程、模型等一一呈現，給學生提供一個高度仿真性、沉浸式的技能操作空間，有利于豐富學生的技能實驗實訓學習體驗。利用虛擬仿真實驗平臺時，學生可邊實驗操作，邊觀看知識動畫，達到理論與實踐相結合的目的。平臺中虛擬動畫交互，有助于實現高效率、便捷式的實訓學習。

2.助力教師教學，為專業課教師提供優質、豐富的實訓教學資源

“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”課程涉及大量的技能實操章節，既包括鐵道機車車輛的故障檢查，也包括鐵道機車車輛的安全檢測、維護、調試等，要求學生掌握課程中所提及的專業技能技術，并能夠在實際工作場景中進行技能應用。一直以來，在“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”課程實施中，教師需要準備大量富有實操性的教學資源，包括硬件資源、軟件資源，以及教學內容相關的項目資源等。但是，從我國高校鐵道機車車輛制造與維護專業教學的普遍情況來看，超過65.60%以上的都存在實驗實訓設備數量有限、場地局限、資源不足的現象。多數學校為了完成實驗實訓教學，需要挑時間組織學生到相關企業、工廠基地進行實訓，多個學生輪流使用一個設備，整體下來，許多學生反映實驗實訓收獲寥寥無幾。而VR技術在專業教學中應用，便可以解決這一難題，給教師提供更優質、更豐富的實訓教學資源。通過VR技術建立的虛擬仿真實驗平臺，一般都具備上傳各種教學資料、真實項目資源的功能，教師可直接將合作企業的項目資源上傳至平臺，而學生通過佩戴VR交互設備，在大屏幕前就能完成對課程知識的學習。該方法不僅簡化了教師的教學步驟，還解決了過去課程實訓設備、場地不足的問題。

VR技術在鐵道機車車輛制造與維護專業教學中的應用現狀

1.VR虛擬仿真實驗平臺建設進程緩慢

教育信息化已經是一個老生常談的話題，不少高校已經開始了教育信息化建設，探索VR技術、AR技術、大數據、物聯網等各種信息技術在教育教學中的應用途徑。但是從目前我國高校鐵道機車車輛制造與維護專業對VR技術的教學應用整體情況來看，60%左右的學校未完全建立起標準化的VR虛擬仿真實驗平臺，不少高校進行專業課程教學時，仍然采用傳統教學模式，VR虛擬仿真實驗平臺建設緩慢。

2.VR虛擬仿真實驗平臺應用方式較單一

雖然我國高校對VR虛擬仿真實驗平臺的建設進程緩慢，但仍有一部分高校已經率先建成了VR虛擬仿真實驗室及系統平臺，且已投入專業教學中。從整體的教學應用情況來看，各校普遍存在對VR虛擬仿真實驗平臺應用方式單一的現象，如教師往往關注VR虛擬仿真實驗平臺帶來的技能實操便捷優勢，主要將其應用在學生日常技能實訓上，而課程理論教學仍采用傳統的教學方法。又如，許多教師對VR虛擬仿真實驗平臺的應用都是直接使用，未嘗試與校企合作的實訓進行對接。

3.VR虛擬仿真實驗平臺的智慧功能未充分體現

VR技術功能豐富，優勢明顯，基于VR技術形成的虛擬仿真實驗平臺不僅能夠用于教師教學、學生學習，還可用于專業課的測試與評價，但是目前很多高校教師未認識到VR虛擬仿真實驗平臺在學生學習檢測上的優勢，在日常的專業課學習測試或評價中，仍采用傳統試卷形式，未將VR虛擬仿真實驗平臺的智慧化、智能化功能發揮出來。對此，需要廣大教師進一步探索，挖掘VR虛擬仿真實驗平臺用于學生學習測試的各種途徑。

VR技術在鐵道機車車輛制造與維護專業教學中的應用措施

1.完善VR技術相關硬軟件設施，設計虛擬仿真實驗平臺

VR技術可將用戶帶入虛擬世界，在信息化、物聯網時代下的今天，多媒體教學技術已逐漸滿足不了日益增長的教學需求，而AR/VR技術憑借其交互性、多感性等特點，可使教學實踐的真實性、豐富性得以提升，讓學生擁有全新的學習體驗，有助于提高學生的創造力、學習力等核心素養。VR技術在專業教學中的應用，歸根結底建立在VR虛擬仿真實驗平臺之上，需要學校構建能夠滿足學生專業技能實操的3D仿真系統平臺，學生佩戴VR頭顯設備，跟隨系統指導進行技能操作，完成一系列的學習活動。因此，高校應先完善VR技術相關的硬軟件設備，設計出VR虛擬仿真實驗平臺。第一步，考慮到VR技術相關設備有數量多、成本較高、場地要求較高等特性，學校可以專門規劃或尋找一間面積寬闊的教室作為VR虛擬仿真實驗室。第二步，準備VR頭顯設備、VR顯示大屏、VR操控遙感器、VR數字頭盔、USB充電電纜、三維空間傳感器等硬件設備。第三步，與專業的VR虛擬仿真實驗平臺開發機構合作，根據學校鐵道機車車輛制造與維護專業需求，設計VR虛擬仿真實驗平臺。在實驗平臺中，應重點設計“機車車輛機械的檢查與維護”“牽引電器的檢查與維護”“制動機的操縱與維護”“鐵道車輛電氣裝置的維護與檢修”“機車車輛整車調試”等技能實操模塊，并要具備學習情況智能監測、實操數據智能批改與報告生成等功能。整個系統應包含課程中心、資料中心、實訓中心3個模塊。

2.借助虛擬仿真實驗平臺，進行課程理論重點講解

將VR技術用于實驗教學中，可把一些在真實實驗平臺中無法開展或高危險的，以及成本高、資源消耗大、污染嚴重的實驗教學資源，在虛擬實驗室中以高精度的建模模擬出來，能夠大幅降低實驗中的風險，大大提高了實驗教學資源的重復利用率。建設VR虛擬仿真實驗平臺的目的是為鐵道機車車輛制造與維護專業教學提供新的平臺載體，賦能學生學習、助力教師教學。基于VR虛擬仿真實驗平臺，教師進行“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”課程教學時，可充分運用平臺進行理論知識講解。如開展“鐵道機車車輛零部件構成與機械原理”理論模塊教學時，VR虛擬仿真實驗平臺將“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”課程知識以圖解、文字及語音講解的方式進行動態可視化，安排學生佩戴VR頭顯設備，沉浸式觀看VR顯示屏中的鐵道機車車輛，立體觀察鐵道機車車輛的零部件位置與構成，掌握機車車輛的機械運轉過程。其間，教師操控VR虛擬仿真實驗平臺，根據對鐵道機車車輛零部件與機械原理的講解需要，隨意調整畫面鏡頭，還可暫停畫面播放或縮小、放大、放慢畫面，以滿足學生對知識的個性化學習需求。教學內容從安裝位置、作用、組成等方面進行講解，同時配以文字提示和語音解說，可實現輕松、高效率的理論知識學習，而且畫面觀看與理論理解相結合，學生能夠借助VR元宇宙虛擬教學空間輕松認知每個零部件，增強知識記憶深度。

3.在校企合作中融入真實項目，以虛擬仿真實驗平臺開展實訓指導

VR技術可為學生提供身臨其境的學習體驗、個性化的學習方式，培養學生的創新思維和解決問題的能力，拓寬學生的視野和世界觀。基于上文所述，鐵道機車車輛制造與維護專業所涉及的課程具有很強的技能實操性，尤其是“機車車輛車體與走行部件檢修與裝調”，有大量的技能實訓內容，而VR虛擬仿真實驗平臺建成的主要目的便是服務于學生的專業技能實訓。在教學中，教師應改變以往直接使用VR虛擬仿真實驗平臺開展技能實訓指導的方式，為增強學生技能實訓的針對性、導向性，可與企業合作，從企業中獲取真實項目，如“超聲檢測（UT）在鐵路制件磁粉探傷中的無損檢測應用項目”，將真實的項目案例、內容、任務等資源要素上傳于VR虛擬仿真實驗平臺，通過平臺對接的計算機設備建立相關技能實操模型。在實訓課上，教師可指導學生在VR虛擬仿真實驗平臺上打開項目實訓模塊，根據每一個模塊的操作指示，學生便能夠參與實際訓練作業。在整個情景教學過程中，學生佩戴VR頭顯設備，跟隨系統指導進行操作，可通過操作手柄完成技能實操與知識掌握。

4.通過虛擬仿真實驗平臺定期開展專業技能評價

VR虛擬仿真實驗平臺不僅可用于專業理論知識講解、技能實操指導，還可以用于學生的日常課程學習考核與評價，改變傳統的試卷考核方式。在學生通過VR虛擬仿真實驗平臺參與課程考核的過程中，既能實現專業技能實操本領的評價，也能實現學習不足的自動評估與反饋，真正體現出教育的智能化、智慧化特征。例如，檢測學生的“鐵道機車車輛無損檢測技術與應用”課程學習時，該課程重點是各種軌道車輛無損檢測技術的應用，教師可以提前登錄VR虛擬仿真實驗平臺，根據課程中涉及的鐵道機車車輛無損檢測技術種類設置相關題型。一般而言，VR虛擬仿真實驗平臺與計算機設備連接后，可直接在互聯網平臺上上傳優質試題庫。首先，教師安排學生登錄VR虛擬仿真實驗平臺，完成相關的題型作答。學生嘗試完成磁粉檢測（MT）、超聲檢測（UT）、滲透檢測（PT）、射線檢測（RT）、渦流檢測（ET）等無損檢測技術應用的題型，學生的每一步技能實操，虛擬平臺都會自動收集作業數據，并對結果自動批改作答，且每個錯誤的題型有對應的糾錯報告。其次，教師根據虛擬仿真實驗平臺生成的測試報告了解學生的課程學習效果，借助平臺自帶的量化評分功能對學生的在線實訓結果進行智能化評價。教師通過分析與思考相關數據，可更加直觀地了解學生的學習成效，為今后的專業教學優化提供依據。

結  語

VR技術的本質是一種模仿真實系統的人工合成技術，其在專業教學中的應用，既可解決學校一直以來實訓設備數量有限、資源不足、場景不足的問題，也會給學生提供沉浸式、交互式的實驗實訓載體，豐富學生的實訓體驗，實現了專業理論與技能訓練相結合的目標。將VR技術應用在專業教學中，核心是構建一個模擬鐵道機車車輛無損檢測、機車車輛整車調試、機車車輛電氣組裝等功能模塊的虛擬仿真實驗平臺，給學生提供一個通過手機、電腦完成情境式實驗實訓的渠道。教師根據專業課程教學計劃，帶領學生合理運用虛擬仿真實驗平臺進行技能訓練，同時要緊密聯系相關企業，以虛擬仿真實驗平臺為載體引入真實項目，進行項目式教學。實踐證明，借助虛擬仿真實驗平臺，不僅能夠深化理論講解、強化實訓指導，還優化了評價方法，該教學方式可在其他專業教學中進一步探索。

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（朱慧勇、劉宏利、姚芳芳、田航：西安鐵路職業技術學院）