基于VR/AR技术的城轨专业“认识实习”课程的优化与创新探讨＊

蒋亚龙

（华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013）

近年来VR/AR技术发展迅速，其发展推动了各行各业的信息化进步，土木工程专业在中国基建中起到至关重要的作用，对中国经济建设起到了促进作用，在新工科背景下，创新综合型人才的需求量日益增大，特别在当前全国范围内推进新工科发展的环境下，对人才培养提出了更高的要求[1]，并且随着中国社会经济的快速发展，中国已从高速发展转向高质量发展，强调可持续发展，日前国内大中城市的土地资源的利用趋于饱和，城市地下空间资源的开发利用已成为社会可持续发展的重要方向之一，其中以地铁为代表的地下设施不仅促进了城市经济的快速发展，还极大地改善了市民生活条件。

中国一、二线城市陆续开始大力建设轨道交通，2020年底中国在轨道交通上的投资已突破了万亿元，中国对轨道交通方面的人才需求量逐年增大，由此，土木工程城市轨道工程方向（以下简称为“城轨专业”）便应运而生，“认识实习”是工科学生了解自身专业的第一门必修课，“认识实习”是通过前往与专业相关企业进行参观学习，让学生对自身所学专业有一个初步认识，为后续更深入的学习打下一定的基础，也是提升学生专业能力的一种重要方式[2-4]。本文结合当前中国对城轨领域的需求，以华东交通大学城轨专业为依托背景，就完善认识学习课程体系、优化课程结构以及加强创新性实践教学方面，为培养城轨专业创新型人才献计献策。

1 城轨专业“认识实习”课程教学存在的问题

在高度信息化的21世纪，新兴产业迫切需要的是实践能力强、创新能力强、具有国际竞争力的“全能型人才”，当然在整个土木建筑行业也是需要不断地引进新技术、注入新血液，目前开设城轨专业的高校并不算多，主要以土木工程专业强校或者城轨类特色院校为主，尤其是对于轨道类特色院校的教师来说，要勇于承担专业发展的重任，在新形势新时代的大背景不断创新，积极探索新教学方式。目前传统城轨专业“认识实习”课程教学主要是以任课教师授课讲解和现场实习参观2部分构成，存在的不足具体如下。

1.1 传统的教学方法僵化、互动性不强

“认识实习”课程教学往往需要一些专业基础课程的支撑，当然也必须依靠实际的工程项目，所谓理论结合实际并不无道理的，因为理论可以指导工程实践，工程实践反过来也可以反映出理论。然而目前大多数国内大学在教学活动中主要通过在教室里板书结合PPT演示的方式，这种教学方式存在一定的弊端。尽管板书的形式可以清楚地向学生传达知识点，但是会造成一个问题，那就是学习过程太枯燥，学生的学习效率会大大降低，不容易把注意力集中在课堂上；而通过PPT演示的教学形式一方面无法让学生跟上教师在课堂上的进度，譬如教师正在演示PPT时，不可能逐字逐句地说，教师有时在时间不足的情况下会快速翻页，导致学生错过了零零散散的知识点，学生一旦在课堂上跟不上教师上课节奏，要想提高教学质量只是任课教师的一厢情愿，另一方面教师在PPT中展示的教学案例一般会长时间使用，少说三五年，PPT课件多年不更新，有时候所展示的是一些老工程，涉及的新技术、新工艺相对偏少，这不利于培养新时代“复合型”人才。

1.2 教学资源有限

不同高校之间的教学资源存在差距，主要体现在教学条件和师资力量上，重点院校相比于普通高校拥有更充足的科研经费，而目前普通高校普遍存在实验设备陈旧、实验仪器落后以及教学设施不具多样化[5]的问题，而且普通高校的师资力量远不及重点高校，作为高校教师，应该认真思考如何在有限的资源里将最先进的、最优质的、最符合社会发展需要的、最有利于学生发展的优质教学资源运用到课堂教学中。

1.3 课程资源有限

认知实践是学生获得更全面、更丰富的实际生产知识的最直接途径，但由于“认识实习”多以参观的形式呈现，许多学校的“认识实习”课时一般设置不多，如果学生在专业学习中只能停留在课本或视频层面，收获是有限的[6]，尤其像城轨专业的“认识实习”项目一般是在地下工程中，在施工期间存在较大的安全隐患，不适合大量学生聚集。该现象会造成“认识实习”以外部参观为主，造成学生在专业实践中缺乏主动性，不善于去发现问题、提出问题以及解决问题[7]。

2 城轨专业“认识实习”课程教学模式优化方法探讨

2.1 优化课程结构，建立校企合作

随着高精尖的技术和设备出现，土木工程行业也在逐渐转向智能化，为了匹配快速发展的趋势，这便要求要提升实践项目水平，及时去跟进技术先进的项目，因此建立高校与卓越企业间的合作关系是迫切需要的，高校具有科研人才，可为企业提供一定的技术服务，但无法提供大型工程项目的实习场地，而当高校与企业建立合作后实现了互通有无、优劣势互补，学生可以将自身所学理论知识与现场实际联系起来，加深对理论知识的理解，同时丰富工程项目的实践经验，在校期间的实习时间有限的，利用好这宝贵的实习实践时间有助于学生的未来职业发展。

2.2 增设虚拟仿真综合“认识实习”课程

在信息技术飞速发展的当下，经常把新兴技术作为教学手段与传统教学进行结合，新兴技术主要是包括VR技术和AR技术，发展至今VR/AR技术已经融入了很多领域，并且取得了一系列不错的成绩，教学工作本应该是灵活多变的，结合VR/AR技术通过将现代化技术融入“认识实习”课堂教学中，让课堂教学不局限于空间和时间的维度，让学生在任何时间、任何地点都能独立学习，实现开放式教育，让课堂学习成为实践教学的延伸。

3 基于新兴技术（VR/AR技术）的“认识实习”课程教学新模式探讨

目前，土木工程教学实践的传统教学方法已不能满足培养高层次人才的迫切需要。为了更好地激发学生对城轨学科的兴趣，培养学习者主动思考、创新制造的能力，有必要改革现有的教学实践模式，开放实践教学理念，旨在将先进的新兴技术融入传统教学实践，而VR/AR技术是新兴技术的代表，VR/AR学习环境带给我们的不仅仅是一个工作平台，很可能会孕育出一种新的教学模式或教学手段，尽管目前距离消费者们完全接受AR/AR技术其实还有很长很艰难的路要走，但这并没有阻挡科技企业研发相关技术的步伐。尽管AR/AR领域仍然存在一些关键问题需要解决，但目前部分体验者已投入使用，可以想象到的是，将VR/AR技术融入城轨专业“认识实习”教学实践中极有可能会带来前所未有的体验[8]。

3.1 VR/AR技术介绍

虚拟现实（简称“VR”）是一种能够创造和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟世界是整个虚拟环境或给定仿真对象的整体，它是由计算机生成的交互式视觉模拟，通过看、听、摸等功能，让用户身临其境，即沉浸式体验，因此，沉浸式虚拟现实系统是由计算机图形学、图像处理和模式识别、多传感器、语音处理、音视频、网络等技术组成的大规模集成环境。虚拟现实相对应的就是增强现实技术（简称“AR”），AR通过对摄像头图像位置和角度的精算以及图像分析技术，可以将屏幕上的虚拟世界与现实世界场景进行组合和交互。两者差别在于VR场景完全是虚拟的，而AR在现实世界中有很强的联系。

将VR/AR技术融入教学工作可以达到如下效果：①直接构造出三维场景，在学生上课或者看书过程中通过VR/AR技术构造出三维场景画面效果，在可视化的环境下进行学习会更加形象，学生可直接在此环境下物品进行互动。②展示难以亲眼见到的物品。在城轨专业“认识实习”主要是参观地铁建设，例如在地铁隧道施工过程中最具代表性的盾构机是非专业工作人员难以亲眼见到的，当实现现实与虚拟之间的交互时就能使其清晰地出现在学生眼前，甚至细部微观结构也能清楚看到。

3.2 VR/AR技术在多元化认知实践教学实践模式中的应用

以华东交通大学城轨专业“认识实习”课程实践为例，学校地理位置位于江西南昌，当前正处于南昌地铁建设蓬勃发展时期，南昌也正是世界VR大会的主办地，学校将以此为契机，为城轨专业学生安排为期1～2 d的地铁盾构隧道认知实践，旨在让学生初步认知了解盾构隧道的内部结构和主要施工技术。但由于隧道施工现场往往存在危险性，且隧道内空间有限，仅有一条人行通道，不适合几十名学生同时参观学习，大多数情况下，学生只能从外面参观盾构隧道结构，这将导致学生无法前往隧道内部去学习参观，他们只能通过教科书或视频的方式从侧面学习，此类传统教学模式主要是向学生传递文字信息以及图片信息等，无法为学生带来三维立体式感受。

为满足课程更深入的教学需求，学校构建了如图1所示的智慧教室，学校坚持3个标准的办学：好用+易用+爱用。近年来，学校按照国家教育部和省委教育工委的要求，强化学校内涵建设，严把教育教学质量关，结合新兴技术，充分利用现代化教学设备优化教学手段，全面推动智慧教室的使用和智慧教学平台的应用。在课堂中教师可以通过VR/AR技术为学生展示无法在现场亲历学习的施工工艺，例如地铁修建常采用的施工方法——盾构法，对于城轨专业学生来说盾构法并不陌生，但欲让其阐述盾构有哪些种类、盾构法和TBM的区别、盾构机结构组成以及盾构法施工流程时，还是难以说出所以然。

首先就盾构分类，盾构可以按照断面形式（分为单圆、多圆、非圆盾构）、开挖直径（微型、小型、中型、大型、超大型盾构）和支护地层的形式（自然支护、机械支护、泥水支护、土压支护盾构）进行分类。

接着当谈及盾构机构造，可分为：①盾构壳体，盾构壳体又可细分为切口环、支承环和盾尾；②推进系统，主要由均匀分布在支承环周围的数十个千斤顶和相应的液压设备构成，在千斤顶顶推力的作用下实现盾构机向前掘进的过程；③拼装设备，通过高精度的机械臂使得衬砌管片间的纵向螺栓和环向螺栓精准对接，提高管片拼装质量。

最后就是盾构法施工流程问题，主要施工工序如下所示：①盾构的始发与到达。在盾构机始发或者到达时需要对竖井进行拼装和拆除。②盾构机的拼装。由于盾构机质量大，起重设备和运输设备难以吊装或者运输此庞然大物，通常将盾构机拆卸为切口环、支承环和盾尾3部分进行配送，将三者逐一安放至垫层上，依次进行组装。③洞口加固。当盾构在不良地层中掘进时必须要在洞口处土体进行加固，若土体强度达不到安全要求，当凿除封口后土体和地下水会快速涌入到竖井内，造成不必要的经济损失，甚至会造成严重的事故。④盾构掘进。通过调整譬如千斤顶顶推力、注浆压力和泥水压力（或土仓压力）等机器参数，保证盾构机沿着隧道设计轴向进行掘进，并保障开挖过程中掌子面的稳定。⑤管片拼装与注浆。在盾构掘进后将若干个管片块拼装呈环形，并在盾尾空隙内进行盾尾注浆，必要时需要进行二次补注浆，以维持在盾构开挖后隧道结构顶部地表沉降稳定。

在VR/AR技术的辅助之下，可以让学生对盾构有哪些种类、盾构法和TBM的区别、盾构机结构组成以及盾构法施工流程有一个较为深入的了解，一系列危险复杂的施工工序以动画、视频以及仿真的方式呈现在学习者面前，能够让城轨专业学生更好地理解书本中那些晦涩难懂的专业名词，进一步扩展学生的知识宽度，加深对具体教学内容的理解。此外，当教学内容通过这种新兴技术呈现时极大地增加了学生视觉震撼感，课程教学可在智慧教室中以翻转教学的方式，提高学生间交互感和参与感，让每一个学生均能融入到某些具体工程案例中，因此在未来VR/AR技术势必会带来教学史上一个重大历史变革。

4 结语

城轨专业是一门十分重视实践操练的专业，华东交通大学顺应时代发展对专业的培养方案作出小幅度的修订，在省内率先推出智慧教室这一新概念，积极推进综合性人才的培养工作，借助智慧课堂这一平台，土木建筑学院将VR/AR技术引入到城轨专业“认识实习”实践教学中，应用VR/AR技术的优势在于可以带来非常好的沉浸感体验，学生可以在完全虚拟的环境中体验传统教学实践难以带来的亲身经历的内容，激发学生的学习激情，“VR/AR技术+认识实习”的教学模式无疑是为城轨专业“认识实习”课程的优化和创新提供新的思路与方法，加快推动了城轨专业“认识实习”教学实践的新时代建设。