虚拟现实技术对轨道工程专业教学质量的提升研究

［摘 要］ 为了克服传统教学方法的局限性，优化学生的学习体验和学术表现，深入开展虚拟现实技术对提高轨道工程专业教学质量的应用研究。通过综合运用虚拟现实技术，制定了具体的教学内容和模块设计、学生互动、动态评估及持续优化等策略。同时，设计了一套评估学生学习体验与效果反馈的方案，旨在科学、精确地评估虚拟现实技术在轨道工程专业教学中的效果和应用潜力。研究结果将有助于推动轨道工程专业教育的创新和发展，提升教学质量和学生的学术成就。

［关键词］ 虚拟现实；轨道工程；教学质量；工程教学；教育技术

［基金项目］ 2024年度国家自然科学基金（52308426）

［作者简介］ 崔旭浩（1994—），男，河北邢台人，工学博士，北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室讲师（通信作者），主要从事轨道与交通工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）48-0009-04 ［收稿日期］ 2024-03-11

引言

随着我国社会的进步和铁路事业的快速发展，轨道工程作为基础设施建设的重要组成部分，日益受到广泛关注。轨道工程教育也因对专业人才的急切需求而逐渐升温。然而，在传统的教学模式下，学生对轨道工程实际工程场景的接触相对有限，理论知识和实际应用之间的关联难以深入理解和掌握。近年来，虚拟现实技术（以下简称VR技术）作为一种先进的交互式三维计算机仿真技术，以其丰富的视觉和交互体验在各领域中得到广泛应用［1］。例如，在医学领域，VR技术被用于复杂手术的模拟和计划［2］；在军事领域，VR技术助力战术规划和任务重现［3］；在建筑领域，VR技术被用于构建三维建筑模型，优化设计和施工过程［4］。VR技术能为专家和工程师提供高度逼真的三维虚拟环境，便于在虚拟世界中检验和优化各种方案及策略，极大地提高生产效率和质量。VR技术体系构成如图1所示。

VR技术在教育领域也得到了广泛关注。刘琳等［5］指出VR技术能够提供沉浸式的学习环境，有助于提高学生的学习动机和学习成效；朱可欣等［6］认为VR技术通过模拟真实场景，能够帮助学生更好地理解复杂的工程原理和操作技巧；郭兵兵等［7］研究了适用于采矿工程专业教学的VR技术系统。

然而，VR技术在轨道工程教育教学中的应用及研究尚处于空白，相关的实证研究和深入分析不足。本研究旨在探究VR技术在提升轨道工程专业教学质量方面的方法策略，并提出VR技术在轨道工程教学中应用效果的评估方案，以期为VR技术在轨道工程教学中的应用推广提供支撑。

一、轨道工程专业教学现状与挑战

（一）教学现状

当前，轨道工程教学多依赖于传统的教学方法，主要包括面授讲解、教科书学习、实验室实践等。教学内容覆盖轨道工程基础理论、线路设计、轨道施工和维护等多个方面。然而，随着轨道工程技术的快速发展，教学内容和方法的更新滞后问题逐渐显现。虽然大部分高校和研究机构都有丰富的教学资源，但学生对轨道工程实际应用的认知和理解仍面临一定的挑战。

（二）挑战与问题

一方面，由于轨道工程涉及的内容复杂且专业性强，传统的教学方法往往难以帮助学生充分掌握和应用专业知识。特别是在实际工程场景和施工运维管理的教学方面，学生往往由于缺乏实践机会和经验而感到困惑。另一方面，轨道工程实际工程场景的接触限制是一个突出问题。由于各种限制因素，学生难以有机会亲自到工程现场进行实地观察和学习，这无疑限制了其对理论知识的实际应用和体验。例如，近年来我国飞速发展的高速铁路采用了多种复杂的无砟轨道结构类型，但受限于高铁全封闭管理模式，学生很少有机会能够到高铁现场认知学习。

二、VR技术概述

（一）VR技术的定义与特点

VR技术是一种通过计算机模拟产生一个三维的虚拟世界，为用户提供一个类似真实世界的感官体验的技术。其通过视觉、听觉等多种感官信号的综合运用，使用户能够在虚拟环境中自由交互和探索。VR技术具有以下显著特点：（1）沉浸性：用户可以完全沉浸在由计算机生成的虚拟环境中，与虚拟世界进行直接、自然的交互；（2）交互性：提供直观、丰富的用户界面和交互手段，用户能够实时、动态地改变虚拟环境和其中对象的状态与行为；（3）想象性：虚拟环境不受现实世界物理规则的限制，可以根据设计者的意图以及用户的需求自由创造和修改。

（二）VR技术在工程教学中的应用实例

在工程教育领域，VR技术已被广泛应用。它通过模拟复杂的工程环境和场景，帮助学生理解抽象、复杂的工程原理和知识。例如，在建筑工程教育中，学生可以利用VR技术在虚拟环境中模拟建筑设计和施工过程，实现对建筑工程知识的直观学习和应用［8］。

三、VR技术在轨道工程专业教学中的应用研究

（一）VR技术与轨道工程教学融合方案设计

VR技术与轨道工程教学融合方案设计的整体技术路线如图2所示，具体包括以下内容。

1.方案特点。该方案采用高度自然、交互和沉浸式的虚拟环境，模拟轨道工程的实际施工和操作场景。学生能在这个虚拟环境中进行各种轨道工程操作的模拟训练，如轨道设计、施工和维护等，从而实现对专业知识和技能的深入学习与实践。

2.需求分析。通过深入分析轨道工程教学的核心需求和存在的挑战，明确应用VR技术的主要目标。包括提供直观的三维模型、动画和场景，使学生能够清晰、直观地理解轨道工程的基本概念、原理和施工运维管理技术。

3.内容设计。根据教学目标和学生的学习需求，制作相应的虚拟场景和模拟环境。例如，设计虚拟的轨道施工现场，包含完整的轨道结构、施工设备和工人模型。学生可以在其中观察轨道的施工流程、操作技术和安全措施，从而深入理解轨道工程的施工原理及流程。

4.技术开发。利用先进的VR技术和工具，如Unity 3D和Unreal Engine，创建一个高质量、高度交互的虚拟轨道工程教学平台。这一平台不仅具备真实感极强的三维图像和动画，还支持多用户在线交互，使学生能够在虚拟环境中与教师和同学互动，共同完成任务和项目。

5.教学实施。将VR教学平台融入轨道工程的正式课程中。通过具体的教学实践，学生能够在虚拟环境中学习和掌握轨道设计、施工、运维等关键技能与知识。为了确保教学质量和效果，进一步设计详细的教学计划和评估标准，用于指导和评估VR教学的实际应用和效果。

上述方案将涵盖轨道工程教学中的核心内容和主要操作，例如虚拟的轨道设计实验、轨道施工模拟操作、轨道工程安全教育等。学生可以在这些虚拟场景中进行实际操作，克服传统教学中场地和资源的限制，实现对轨道工程专业知识和技能的深入理解与掌握。高铁轨道结构实物图及虚拟模型展示情况如图3所示。

（二）VR技术对轨道工程教学质量提升的评估方案设计

1.研究方法。为全面评估虚拟现实技术在轨道工程教学中的应用效果，本文采用混合研究方法，整合定量与定性数据以获得更全面、准确的结果。具体如下：（1）实验设计。选择两个不同的轨道工程教学班级，一个作为实验组（应用VR教学方法），另一个作为对照组（采用传统教学方法），两组学生的基线数据（如学习成绩、背景知识等）进行比较以确保组间差异的最小化。（2）数据收集。通过学生的定期考试、问卷调查、教师评估以及个别访谈等多种方式，收集学生的学习成绩、学习体验和反馈数据。同时，考虑教师和教育专家的反馈，以便更全面评估VR技术在轨道工程教学中的适用性和效果。

2.数据收集与分析。从学生学习成效、教学质量及学生学习体验三个维度进行数据收集与分析。（1）学习成效数据。通过比较实验组和对照组在轨道工程课程考试中的成绩，评估VR教学方法对学生学习成效的影响。同时，通过学生的自我评估，了解其对自我学习成效的感知。（2）教学质量数据。通过教师评估和学生反馈，分析VR教学环境对教学质量的影响。关注的焦点包括教学内容的呈现方式、学生的学习参与度和教师的教学效果等方面。（3）学生学习体验数据。通过问卷调查和访谈，收集学生对VR轨道工程教学的直观反馈和体验。分析数据包括学生对VR教学的满意度、学习动机和学习难易度等。

结语

本文探究了VR技术在提升轨道工程教学质量方面的应用方案；分析了现有教学模式的局限性，结合VR技术的优势，提出了一套全面的轨道工程VR教学融合方案，包括内容设计、学生互动、教学评估及持续优化等方面；设计了学生学习体验与反馈方案，为评估和优化VR教学提供了实用的工具及方法。综合来看，VR技术对轨道工程教学质量提升方面有着重要的积极影响，存在巨大的潜力和价值，需要进一步挖掘和实现。

参考文献

［1］史小雪.虚拟现实技术的应用现状及发展趋势［J］.数字技术与应用，2023，41（6）：77-79.

［2］李春海.虚拟现实技术在脊柱外科的应用［J］.中山大学学报（医学科学版），2022，43（1）：35-42.

［3］张志勇，陶良云，湛蓝，等.基于虚拟现实技术的极限军事训练［J］.国防科技，2022，43（1）：120-124.

［4］于洋，姜丽.基于虚拟现实技术的历史建筑仿真设计与表现［J］.艺术与设计（理论），2023，2（3）：89-91.

［5］刘琳，苏雪晨.基于VR技术的沉浸式学习环境构建研究［J］.信息与电脑（理论版），2020，32（3）：231-234.

［6］朱可欣，郭华锋，赵朝俊，等.虚拟仿真技术在机械类课程教学中的应用［J］.科学咨询（科技·管理），2022（7）：53-55.

［7］郭兵兵，陈国祥，王国际，等.虚拟现实在采矿工程教学中的开发应用［J］.煤炭技术，2011，30（7）：217-219.

［8］张旭东，李奉南，曹哲，等.VR技术在建设工程施工过程中的应用［J］.绿色建筑，2023，15（2）：5-6+10.

Research on the Improvement of Teaching Quality in Railway Engineering Majors

by Virtual Reality Technology

CUI Xu-hao

（National Key Laboratory of Bridge Safety and Resilience， Beijing University of Technology，

Beijing 100124， China）

Abstract： In order to overcome the limitations of traditional teaching methods， optimize students’ learning  experience and academic performance， this paper conducts in-depth research on the application of virtual reality technology to improve the teaching quality of railway engineering majors. Through the comprehensive application of virtual reality technology， specific teaching content and module design， student interaction， dynamic evaluation， and continuous optimization strategies have been formulated. Meanwhile， a plan was designed to evaluate the learning experience and feedback of students， aiming to scientifically and accurately evaluate the effectiveness and application potential of virtual reality technology in the teaching of railway engineering majors. The research results will contribute to promoting innovation and development in railway engineering education， improving teaching quality and academic achievement of students.

Key words： virtual reality; railway engineering; teaching quality; engineering teaching; educational technology