龔博,楊光明
(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 23000)
2020 年,教育部教職成司印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)工作的通知》,堅(jiān)持科技引領(lǐng),虛實(shí)結(jié)合,建設(shè)職業(yè)教育虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地,有效彌補(bǔ)職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)中看不到、進(jìn)不去、成本高、危險(xiǎn)性大等傳統(tǒng)問(wèn)題,從而確立了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)院校實(shí)踐教學(xué)中的重要地位。近年來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)、混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality,MR)等現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)不斷發(fā)展,打破了傳統(tǒng)教育的壁壘,通過(guò)全新的視覺(jué)感受和交互體驗(yàn)為虛擬仿真教學(xué)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。其中以虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)互動(dòng)、三維注冊(cè)等為主要特征的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將以獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在教育領(lǐng)域展現(xiàn)其巨大的應(yīng)用潛力。
混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Mixed Reality)是借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù),生成虛實(shí)融合特征的可視化環(huán)境,虛擬和現(xiàn)實(shí)對(duì)象在此環(huán)境中共存,學(xué)習(xí)者可與之實(shí)時(shí)互動(dòng)。Mixed Reality 技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)互動(dòng)、3D 注冊(cè)等方面,其中虛實(shí)融合是通過(guò)顯示設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交叉融合,可以將虛擬物體融入現(xiàn)實(shí)世界,也可以將現(xiàn)實(shí)物體融入計(jì)算機(jī)的虛擬世界。實(shí)時(shí)互動(dòng)是指用戶與混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)或感知通道相連接,形成智能互動(dòng)與反饋。3D 注冊(cè)是指通過(guò)虛擬與現(xiàn)實(shí)空間之間的三維方位所形成的映射關(guān)系感知用戶方位和身體姿態(tài)的變化,將恰當(dāng)?shù)挠^察畫面實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)出來(lái)。
VR 是一個(gè)純粹的虛擬場(chǎng)景,虛擬世界是依靠計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)產(chǎn)生的。學(xué)習(xí)者通過(guò)佩戴式設(shè)備在計(jì)算機(jī)建模和三維處理的虛擬世界產(chǎn)生交互。
AR 是在現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上增加輔助的虛擬圖像,是虛擬和現(xiàn)實(shí)的結(jié)合。多采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)技術(shù)同時(shí)將真實(shí)環(huán)境和虛擬物體實(shí)時(shí)疊加到同一個(gè)畫面或空間,使虛擬的信息應(yīng)用到學(xué)習(xí)者環(huán)境中。
MR 是一個(gè)新的可視化環(huán)境,由現(xiàn)實(shí)和虛擬混合產(chǎn)生,包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬。物理和數(shù)字對(duì)象在新的可視化環(huán)境中共存,實(shí)時(shí)互動(dòng),借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和人機(jī)交互式技術(shù)。學(xué)習(xí)者通過(guò)自然的方式,如手勢(shì)、體感、凝視、觸摸等,與虛擬的或現(xiàn)實(shí)的物體互動(dòng),并提供各種各樣的反饋(圖1)。
圖1
VR 頭戴顯示設(shè)備在人機(jī)交互方面存在諸多不足的同時(shí),存在嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)體驗(yàn)的視覺(jué)滯留和眩暈感。AR 的交互性明顯增強(qiáng),但系統(tǒng)本身的算法優(yōu)化程度、精確度以及外界的光照環(huán)境都很容易影響學(xué)習(xí)者的交互體驗(yàn)。
MR 推動(dòng)了虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)結(jié),將人的感覺(jué)延伸到新創(chuàng)造的學(xué)習(xí)場(chǎng)景中,建立在多個(gè)感受通道的基礎(chǔ)上。充分調(diào)動(dòng)各種感官,如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)甚至嗅覺(jué)等,有效增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的身臨其境、代入感和置入感,幫助他們快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài),在提高知覺(jué)體驗(yàn)的同時(shí),促進(jìn)認(rèn)知,提高學(xué)習(xí)效率。
近年來(lái),隨著軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展,為保障地鐵線路的正常運(yùn)營(yíng),企業(yè)亟需足夠的高素質(zhì)技能人才,軌道交通車輛檢修的人才缺口尤為突出。城市軌道交通車輛技術(shù)專業(yè)(檢修方向)要求培養(yǎng)具備列車操作、設(shè)備與工具使用、車輛調(diào)試及檢修、突發(fā)事件與故障處理能力的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才,對(duì)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)要求較高。而現(xiàn)有傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備因?qū)嵨锝虒W(xué)成本高,設(shè)備數(shù)量少、課程教學(xué)資源匱乏等原因無(wú)法滿足教學(xué)需求,新興技術(shù)手段的加持打破了傳統(tǒng)教育的諸多限制,為教學(xué)實(shí)訓(xùn)的改善提供了幫助。
傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)需借助專業(yè)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)施,配備專門的實(shí)訓(xùn)教師,在規(guī)定的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地開(kāi)展實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動(dòng),學(xué)校基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金進(jìn)一步增加,原材料所需數(shù)量大、成本高、周期長(zhǎng)、資源消耗大,傳統(tǒng)教學(xué)模式的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中通常會(huì)動(dòng)用大量資金、材料和資源等。過(guò)多的學(xué)員和數(shù)量不夠的器材臺(tái)套,會(huì)導(dǎo)致學(xué)員在外層周圍看不清、聽(tīng)不清,這樣的實(shí)際訓(xùn)練效果就大打折扣了。
實(shí)訓(xùn)的教學(xué)過(guò)程中,由于部分設(shè)備和零部件重量較重,學(xué)生在沒(méi)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下直接操作車輛或設(shè)備,在一些高危險(xiǎn)的實(shí)際操作中,如受電弓和空調(diào)機(jī)組檢修,可能會(huì)發(fā)生傾翻和扎傷等安全隱患,以及電擊等事故,導(dǎo)致設(shè)備損壞或人身安全事故,增加了設(shè)備維護(hù)成本,也增加了學(xué)生和教師的心理壓力,以至于老師有顧慮不敢讓學(xué)生操作,學(xué)生害怕動(dòng)手操作,阻礙了實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展。
實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生會(huì)對(duì)實(shí)訓(xùn)車輛及配套設(shè)備進(jìn)行反復(fù)拆卸和安裝。例如,在客室車門檢修學(xué)習(xí)中,要求學(xué)生能對(duì)車門進(jìn)行V 形調(diào)整,學(xué)生需不斷地調(diào)節(jié)調(diào)整螺母,反復(fù)對(duì)比確實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù),此過(guò)程中車門和檢測(cè)儀器均存在一定的損耗,包括設(shè)備的自然老化現(xiàn)象,這在具體應(yīng)用過(guò)程中不可避免;在實(shí)際操作中,還會(huì)存在因?qū)W生的錯(cuò)誤操作而出現(xiàn)的異常磨損現(xiàn)象,例如,學(xué)生在使用輪徑尺檢測(cè)車輪直徑時(shí),由于操作不當(dāng),而使車輪表面出現(xiàn)異常磨損,導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)超限。這些都將使其壽命縮短,需定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修和更換,使教學(xué)成本增加。
城軌車輛結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜、模塊眾多,傳統(tǒng)教學(xué)方式描述不直觀、難以理解,會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)檢修培訓(xùn)及操作效率低以及容易出錯(cuò)等問(wèn)題,學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力較差。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)操作考核對(duì)教學(xué)反饋信息的收集需要耗費(fèi)大量精力,對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的短板難以分析,對(duì)被調(diào)查者的真實(shí)感受難以準(zhǔn)確反應(yīng),導(dǎo)致信息評(píng)價(jià)效率較低。
在城軌交通車輛專業(yè)的相關(guān)教學(xué)中,MR 技術(shù)被引入并應(yīng)用于車輛的故障診斷、拆卸、維護(hù)和其他關(guān)鍵部件的實(shí)際操作中,研發(fā)適用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)使用的MR 城軌車輛虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)在提高教學(xué)效果、彌補(bǔ)城軌交通車輛實(shí)訓(xùn)教學(xué)空白等方面具有重大的意義。
城市軌道交通車輛構(gòu)造主要包括受電弓、轉(zhuǎn)向架、車體、車輛連接裝置等結(jié)構(gòu),要求學(xué)生掌握地鐵車輛結(jié)構(gòu)組成和工作原理,同時(shí)準(zhǔn)確掌握各部分結(jié)構(gòu)在整車上的位置,為檢修課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)?,F(xiàn)階段,車輛構(gòu)造課程的教學(xué)主要以圖片、視頻、單獨(dú)的各零件實(shí)物等輔助教學(xué)。這些方式雖有一定的作用,但學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)仍有困難,特別是各部分結(jié)構(gòu)在整車中的位置認(rèn)知學(xué)生普遍掌握情況較差。
以軌道交通電客車設(shè)備為對(duì)象,以混合現(xiàn)實(shí)MR 技術(shù)為保障,以MR 眼鏡為載體,開(kāi)展對(duì)車輛構(gòu)造的全息教學(xué)應(yīng)用的研究,通過(guò)全息教學(xué)手段讓學(xué)生們?cè)谔搶?shí)結(jié)合的環(huán)境下沉浸于教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。例如,以轉(zhuǎn)向架為例,設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)認(rèn)知、爆炸拆解、視頻資料、重置等功能,結(jié)構(gòu)認(rèn)知可以顯示轉(zhuǎn)向架各個(gè)部件列表,點(diǎn)擊某一部件按鈕,顯示對(duì)應(yīng)的文字介紹,點(diǎn)擊孤立顯示可以隱藏其他部件,點(diǎn)擊X 光模式可以將其他部件變?yōu)閄 光效果,突出顯示所選的部件。爆炸拆解可以將轉(zhuǎn)向架拆解為各個(gè)部件,可單獨(dú)拾取某一部件進(jìn)行查看。視頻資料包括轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)認(rèn)知、輪對(duì)測(cè)量、閘瓦更換、高度調(diào)整桿更換及調(diào)整、齒輪箱換油等內(nèi)容,點(diǎn)擊按鈕會(huì)播放對(duì)應(yīng)的視頻資料。重置包括主視、左視和俯視,轉(zhuǎn)向架會(huì)在點(diǎn)擊按鈕后調(diào)節(jié)到相應(yīng)的視角。通過(guò)語(yǔ)音和手勢(shì)進(jìn)行隔空交互操作,以趣味化、游戲化的方式模擬軌道交通車輛檢修專業(yè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)場(chǎng)景,為學(xué)生營(yíng)造身臨其境的實(shí)訓(xùn)空間。高度逼真的訓(xùn)練環(huán)境,使得學(xué)生能夠獲得生動(dòng)直觀的感性認(rèn)識(shí),增進(jìn)對(duì)抽象的原理的理解,節(jié)省時(shí)間和成本。
軌道交通車輛檢修虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目,通過(guò)虛擬仿真技術(shù),1:1 還原車輛結(jié)構(gòu)、常見(jiàn)故障、作業(yè)工具和檢修作業(yè)項(xiàng)點(diǎn),機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真至零部件級(jí),包括所有固定螺栓及連接線纜,故障類型有破損、漏氣、銹蝕、密封不良、功能異常等10 余種;控制邏輯包括司機(jī)室HMI 顯示屏、照明控制、車門控制、空調(diào)控制、監(jiān)控?cái)z像頭等;作業(yè)工具包括第四種檢查器、輪徑尺、拉力計(jì)、絕緣鞋、絕緣手套等;檢修作業(yè)項(xiàng)點(diǎn)包括4 個(gè)檢修周期,100 余個(gè)檢修項(xiàng)點(diǎn),1000 余個(gè)故障項(xiàng)點(diǎn)。將軌道交通車輛的設(shè)備結(jié)構(gòu)、檢修環(huán)境、常見(jiàn)故障以及作業(yè)流程等,完全還原到學(xué)生的眼前。對(duì)轉(zhuǎn)向架的拆卸工藝、維修工具的使用工藝等維修操作流程進(jìn)行了形象模擬;模擬檢修工具擺放環(huán)境、檢修工具外形、檢修工具操作方式、檢修工具操作效果等,對(duì)工具設(shè)備的使用情況進(jìn)行形象模擬。學(xué)生通過(guò)沉浸式、交互式的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和考試,掌握城軌列車檢修專業(yè)核心課程的知識(shí)點(diǎn)和崗位要求的技能點(diǎn)。
基于信息化技術(shù)手段,開(kāi)發(fā)線上綜合測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng),包括練習(xí)模式和考核模式。練習(xí)模式下,學(xué)生可以自主選擇檢修作業(yè)內(nèi)容,系統(tǒng)有幫助提示,進(jìn)行針對(duì)性的訓(xùn)練。在考試模式下,老師將試題從試題庫(kù)中抽出,整理成卷,下發(fā)到學(xué)生手中,供學(xué)生作答。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生在車輛轉(zhuǎn)向架課程的實(shí)訓(xùn)過(guò)程行為,并進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。一旦學(xué)生出現(xiàn)錯(cuò)誤操作,系統(tǒng)提示扣分并引導(dǎo)學(xué)生按照正確的步驟完成任務(wù),從而鍛煉學(xué)生的操作技能,提高教學(xué)評(píng)價(jià)的效率。
目前,大規(guī)模在線課程在學(xué)習(xí)體驗(yàn)感和監(jiān)督力度方面相比線下教學(xué)存在不足,城軌車輛檢修在線課程中融入MR 技術(shù),采用基于MR 智能眼鏡為主,web 相互配合實(shí)現(xiàn)MR 全息內(nèi)容編輯和演示的創(chuàng)作平臺(tái),異地多人實(shí)時(shí)分享并可以協(xié)同創(chuàng)作,通過(guò)MR 中的3D 虛擬角色進(jìn)行協(xié)作,用戶可以在此空間進(jìn)行音視頻通訊、操作和編輯場(chǎng)景內(nèi)的全息內(nèi)容,自定義房間布局,并根據(jù)不同空間屬性對(duì)空間內(nèi)的角色分配不同的功能。
采用混合現(xiàn)實(shí)全息創(chuàng)作平臺(tái)將異地教師或本地教師及學(xué)生加入同一虛擬房間,開(kāi)展雙師、多師遠(yuǎn)程教學(xué)和共享教學(xué),學(xué)生和教師均可對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行編輯,通過(guò)視覺(jué)共享,使學(xué)生在檢修作業(yè)操作中的操作流程及標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)有更直觀深入的理解。同時(shí),學(xué)生可以在MR 環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)操作練習(xí),老師可以通過(guò)共享的視角或者錄下的視頻查看學(xué)生操作過(guò)程,從而提供指導(dǎo)和反饋,促進(jìn)學(xué)生規(guī)范操作,使處于不同空間的教師、學(xué)生身臨其境地“面對(duì)面”交流,從而提高教學(xué)效果。
MR 應(yīng)用于娛樂(lè)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等商業(yè)化領(lǐng)域,但用于教育和教學(xué)的卻很少,特別是用于城軌車輛方面的實(shí)際訓(xùn)練和教學(xué)的內(nèi)容更是少之又少。研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)、3D 建模和場(chǎng)景構(gòu)建等技術(shù)是開(kāi)發(fā)MR 軌道車輛課程資源的關(guān)鍵。企業(yè)無(wú)法為我們準(zhǔn)確提供現(xiàn)有車用零部件的三維模型和詳細(xì)尺寸,因此,教師需要利用三維軟件,根據(jù)教學(xué)需要,繪制現(xiàn)有車輛各部件的外形和安裝尺寸的簡(jiǎn)化零件圖,并根據(jù)需要,建立機(jī)車車輛零部件的虛擬仿真模型庫(kù),根據(jù)需要隨時(shí)生成新的虛擬設(shè)備,以現(xiàn)有車型為基礎(chǔ),適時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容。使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。同步開(kāi)發(fā)城軌車輛系列精品教學(xué)課件、系列微課、課程試題庫(kù)和典型案例資源,不斷豐富教學(xué)資源,提升城軌車輛系列課程信息化建設(shè)質(zhì)量和教學(xué)效果。
虛擬仿真交互式教學(xué)環(huán)境開(kāi)發(fā)需采用Solidworks、3dsMax 構(gòu)建城軌車輛和檢修庫(kù)三維模型,Substance Painter 繪制材質(zhì)貼圖,使用Unreal Engine4 引擎搭建場(chǎng)景,構(gòu)建燈光環(huán)境和視覺(jué)效果,技術(shù)層面要求較高。
要求研制人員既要有計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的專門技能,又要有在研制裝備方面有一定難度的專用軌道車方面的特長(zhǎng)。迫切需要通過(guò)校企合作的模式,組建混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)制作團(tuán)隊(duì),與城市軌道車輛專業(yè)教學(xué)接軌,讓專業(yè)老師參與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作,這樣MR 技術(shù)才能更適應(yīng)專業(yè)教學(xué)的需求。
混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通車輛實(shí)訓(xùn)上的應(yīng)用尚處于嘗試階段,還沒(méi)有成熟的教學(xué)方法可以借鑒,那么,在軌道交通車輛的實(shí)際教學(xué)中如何應(yīng)用MR 技術(shù),才能有效地提高實(shí)際教學(xué)的效果,這是一個(gè)很值得研究的課題。首先,要對(duì)負(fù)責(zé)MR 資源模塊授課的專業(yè)教師進(jìn)行操作培訓(xùn),使教師能夠恰當(dāng)?shù)貙⒃摷夹g(shù)融入現(xiàn)有的教學(xué)中,此外,還需要具備將城軌車輛維修專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為資源的能力,并在實(shí)踐中對(duì)所遇到的問(wèn)題不斷地發(fā)現(xiàn)與研究。將教師依附在傳統(tǒng)設(shè)施設(shè)備上的演示員角色轉(zhuǎn)換為引導(dǎo)者角色,引導(dǎo)者在虛擬仿真技術(shù)中的要求?;旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)了城軌車輛專業(yè)教學(xué)的內(nèi)容、方法及手段的變革,但是并不能完全取代線下的實(shí)踐教學(xué)體系,要把二者的教學(xué)方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái),在實(shí)踐教學(xué)制度上創(chuàng)造一個(gè)新的范本。
混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,因其虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)等特點(diǎn),目前已在城軌車輛構(gòu)造基礎(chǔ)課程、城軌車輛檢修專業(yè)課程教學(xué)、遠(yuǎn)程線上教學(xué)等領(lǐng)域中有一定的應(yīng)用。現(xiàn)階段,混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城軌車輛專業(yè)教學(xué)應(yīng)用中仍存在課程資源短缺、開(kāi)發(fā)難度大、教學(xué)方法滯后等不足。還需進(jìn)一步研究混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用及融入現(xiàn)有課程體系的課時(shí)課程設(shè)計(jì)的問(wèn)題,與現(xiàn)有的教學(xué)體系更好地融合,進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效率。