混合现实MR技术在城市轨道交通信号基础设备维护实训课程中的应用
作者: 刘亚苹 高晓成 亓辉 安飞
摘要:混合现实MR技术是把真实世界和虚拟场景通过信息技术合二为一,构建一个虚中有实、实中有虚的虚实融合世界。文章论述在城市轨道交通信号基础设备维护实训课程中,基于混合现实MR技术,通过创设3D虚拟情境,为学生提供较真实且可重复练习操作的实训环境,以立体化、动态化形式,将传统课程中静态的文字、图片展现出来,从而增强实训教学内容的互动性、趣味性和真实性,有效解决传统实训中存在的问题。
关键词:混合现实MR技术;城市轨道交通信号基础设备维护;实训课程
一、传统实训教学存在的问题
(一)实训效率低
城市轨道交通信号实训设备具有设备种类多、占地面积大、单机价格昂贵等特点。一方面,受资金限制,学校每年对专业实训室建设的资金投入有限;另一方面,受空间场地制约,学校各实训室场地面积不可能无限扩大,导致在专业实训设备购置类型和数量上无法满足同一时间大规模学生同时实训,一节课需要让学生分成若干组轮流实训,影响了实训教学效率。
(二)设备故障难再现
城市轨道交通信号实训设备数量多,结构复杂。教师在运用传统实训设备设置故障时,需要提前拆解部分电路或部件,操作烦琐,实训耗材消耗量大,成本较高,甚至一些故障难以通过简单拆解实现。因此,在实训中,学生只能进行一些难度较低的实训项目。如信号设备拆装、故障处理等较复杂的实训项目,开展难度较大,难以做到故障随时设置随时练习,甚至一些较复杂的故障根本无法再现。
(三)存在安全风险
由于城市轨道交通信号实训设备很多是220V供电,甚至一些是380V供电,所以在实训操作过程中存在学生误操作导致触电的风险。为了保障学生安全,教师会调整部分实训内容,导致实训效果大打折扣。
二、混合现实MR技术的优势
(一)真实感强
混合现实MR技术有很强的真实感,可以让学生沉浸在一个模拟现实的虚拟环境中,不再需要传统的屏幕显示。学生通过MR眼镜看到画面,消除了现实世界与虚拟世界之间的边界。不仅如此,在实训练习时,教师无需担心安全的问题,且舒适的学习环境有助于学生集中注意力,参与实训练习。
(二)内容更新快
不同于传统实物实训设备,混合现实MR系统中的实训内容更新速度快。对城市轨道交通行业中出现的新技术、新工艺、新设备,开发人员只需要及时更新系统软件,就可以把最新实训内容添加到教学资源库,实现实训教学内容与行业发展的同步。
(三)使用方便
MR设备主要有MR眼镜和配套手柄。相比VR头盔和手柄,MR眼镜和配套手柄体积更小,重量更轻,有较强的便携性。在使用方式上,MR设备不需要外接电脑,也不用外设定位器,一副MR眼镜和一套手柄就可以完成所有操作,且不受场地面积限制,可以实现多个学生同时进行实训。
(四)学习时间灵活
教师利用混合现实MR技术,可以使教学不受空间、时间、师资的限制,帮助学生实现弹性学习。无论何时何地,学生只要携带MR设备就可以还原真实的实训场景,随时随地进行实训。
三、混合现实MR技术在城市轨道交通信号基础设备维护实训课程中的应用
城市轨道交通信号基础设备维护课程属于典型的实操应用课程,教师可以以我国城市轨道交通企业目前广泛使用的信号基础设备为基础,将城市轨道交通信号基础设备结构、原理、维护、检修等知识融入混合现实MR实训教学过程。基于混合现实MR技术的实训教学内容包括继电器的结构与组成、信号机的结构组成与检修、转辙机的结构组成与检修、轨道电路的结构组成与检修、计轴器的结构组成与检修等。混合现实MR技术可以将这些在城市轨道交通中结构较为复杂的信号设备在虚拟场景中构造出来,为教师实训教学提供可重复操作的信号基础设备三维虚拟拆装模型和环境。教学内容如表1所示。下面,笔者以S700K电动转辙机拆装实训教学为例进行说明。
(一)课前准备
课前,教师通过职教云平台发布课前预习内容,学生可以随时查看本次课任务书、实训工单、微课视频等内容,通过自主学习,探究S700K电动转辙机拆装的相关内容,同时在课前预习过程中,学生遇到问题或困惑也可以在职教云平台留言,与教师进行交流互动。预习完成后,学生还需要进行课前测试。根据测试结果,教师知道多数学生对S700K电动转辙机的拆装流程有了一定认识,但并不熟悉具体操作步骤,如学生不知如何选择和使用工器具,操作缺乏规范性,并且安全防护意识不足。所以,在课中实施阶段,针对学生存在的问题,教师应利用混合现实MR技术提供三维虚拟仿真转辙机拆装体验,将工器具选择、使用和安全防护等操作内容以虚拟仿真的方式呈现给学生,学生不用到生产现场便可以获得与真实实训一样的体验感。
(二)课中环节
1.任务分析
教师通过城市轨道交通S700K电动转辙机故障案例,引出转辙机拆装实操任务,学生分组讨论S700K电动转辙机拆装流程和注意事项。此外,教师通过播放地铁员工违规操作导致行车事故的新闻视频,提醒学生要树立规则意识,严格按照地铁设备维检修规章进行作业。
2.虚拟练习
即使学生对S700K电动转辙机的拆装流程有了一定的认识,但没有这方面的实际操作经验,所以教师应利用混合现实MR技术,让学生在虚拟实训环境中进行转辙机拆卸虚拟练习。混合现实MR技术能够让学生360°自由观察和操作,有效帮助学生快速掌握转辙机拆装流程和注意事项。
3.制订方案
通过课前预习、课中任务分析、虚拟练习,学生基本掌握了S700K电动转辙机的拆装流程和注意事项。为了保证学生在实物操作环节思路清晰,熟悉拆装流程,避免遗忘关键步骤和注意事项等,教师应要求各小组针对S700K电动转辙机拆装制订详细方案,在查看无误后,才可以让他们操作。
4.实操演练
制订方案合格的小组可以进入实操演练环节,他们通过使用真实的工器具对实物S700K电动转辙机进行拆装,实际感受采用实物操作时的不同体验和操作技巧,把理论知识真正转化为实操技能,实现教学目标。
5.总结评价
针对学生在本次实训课程中的学习表现,教师要进行点评总结。其中的虚拟练习环节,教师可以利用MR平台监测和记录学生练习过程中的错误操作,生成电子记录单,通过数据分析,掌握学生虚拟练习环节的学习情况,并作为点评依据。
(三)课后拓展
学校城市轨道交通虚拟仿真实训基地全天对学生开放,课上没有掌握好虚拟练习和实操演练的学生,课后可以参加兴趣小组拓展互动活动,通过MR实训平台,继续进行练习,直到熟练掌握为止。
四、混合现实MR技术在城市轨道交通信号基础设备维护实训课程应用中存在的问题
(一)混合现实MR技术应用花费较高
开发基于混合现实MR技术的实训系统研发成本很高,导致整套城市轨道交通信号MR实训教学设备价格昂贵,而且后期系统升级内容也要持续投入。由于学校在某一专业上采购实训设备的资金有限,所以很多学校只能少量采购。虽然基于混合现实MR技术开发的实训系统可以实现一对多的教学方式,但绝大多数学校很难真正做到配置足够数量的城市轨道交通信号MR实训教学设备用于实训教学。
(二)混合现实MR技术实训教学资源较少
混合现实MR技术在教学中的应用还不广泛,尤其是城市轨道交通通信信号技术专业实训课程教学方面的资源更少。基于混合现实MR 技术的城市轨道交通通信信号技术专业实训系统在开发时涉及很多环节,如实训内容的设计、实训场景3D建模等,开发人员需要具有较高的混合现实MR系统开发技术,但是普通的专业课教师很难学会并熟练掌握开发混合现实MR实训系统的关键技术,而具有混合现实MR设计和制作能力的技术人员对城市轨道交通通信信号技术专业知识又缺乏足够的了解,导致城市轨道交通通信信号技术专业实训相关的混合现实MR系统开发较难,实训资源较少。
(三)缺乏混合现实MR技术的实训教学方法
由于混合现实MR技术在城市轨道交通通信信号技术专业实训课程中的应用还处于初步尝试阶段,教师如何充分利用混合现实MR技术优势开展实训教学,还需要持续的探索和深入的研究。由于城市轨道交通通信信号技术专业注重实践,所以实训教学项目多,教师不但要关注学生对理论知识的系统性学习,而且要重视学生实践操作技能的培养。
五、结语
城市轨道交通信号基础设备维护实训课程一直是城市轨道交通通信信号技术专业的核心课程,将混合现实MR技术运用到实训教学环节中,对解决传统实训教学中的痛点和难点、提高实训教学效果具有重要作用。
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基金项目:河北省高等学校人文社会科学研究项目资助“基于虚拟仿真技术的轨道交通综合演练平台开发与应用”,项目编号:SQ2022071。
(作者单位:河北交通职业技术学院)