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摘  要：本文针对铁道工程技术教学实际过程中存在的理论教学抽象化、实训条件建设成本高、实训操作安全隐患大、教学效果不理想等问题，探讨了如何利用混合现实技术（MR）开发一套具有理论教学生动化、实训操作安全化、沉浸化教学等特点的基于MR混合现实技术的铁道工程技术仿真平台，满足职业教育新形势下对铁道工程技术人才培养的要求。

关键词：混合现实技术；铁道工程技术；仿真平台

引言

混合现实技术（MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感，合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。铁道工程技术专业紧贴铁路行业，专业教学存在抽象化、实训操作存在不可逆性、安全隐患大，因此专业课程教学主要依赖教师借助于动画或视频讲授来完成，由于和真实的工作场景相差太大，造成学生接受知识不直观，理解困难，进而影响学生的培养效果。将混合现实技术引入专业教学，借助混合现实技术（MR），合理选择教学内容，将抽象的问题具体化，学生可以突破时空场景反复学习练习，从而掌握铁路工务工程作业的标准化流程。

一、建设方案

1.总体构想

铁道工程技术专业主要培养掌握铁路轨道、桥梁、路基、隧道等理论知识，具备铁路轨道、桥梁、路基、隧道及其附属建筑物结构计算、施工、维护等核心技能，面向铁道工程施工及运营维护等行业的测量员、试验员、技术员、线路工、桥隧工等职业群，能够从事工程施工技术管理、线路维护等工作的技术技能人才。开设的专业核心课程有《铁路路基施工与维护》、《铁路隧道施工与维护》、《铁路桥涵施工与维护》和《铁路轨道施工与维护》等，这些核心课程和现场实际紧密联系。目前大部分学校实训教学设施因建设预算、场地限制、安全考虑等多种因素影响，造成与铁路现场不匹配，不能满足专业人才培养的需求。为解决此问题，必须借助混合现实技术（MR）来解决专业教学的需求。利用计算机三维仿真，混合现实等技术，在虚拟场景中对铁路施工与维护内容进行虚拟施工、模拟维护等，实现对铁路施工与维护的认知、教学、实训和考核等功能，使学习者在教室或通过手机便可以进行学习培训，获得与真实环境一样的体会。

2. 技术平台

从目前的技术角度来看，基于MR混合现实技术的铁道工程技术仿真平台应打破传统教室结构，建立新型现代化的仿真智慧教室，应包含混合现实双目MR全息智能设备、MR 全息教学资源管理平台。其中：（1）混合现实双目MR全息智能设备应具备以下条件：①高性能计算机 ②2-3米距离投射100寸左右高清虚拟屏幕③1300万高清摄像头+双6DOF空间定位摄像头④陀螺仪⑤手势识别+智能手柄+语音控制设备（2）MR 全息教学资源管理平台应具备以下条件：①可基于网络学习环境进行多媒体素材展示、教学状态分析和教学过程优化；在完成网络辅助教学的基础上，还提供了师生教学的交流关键的互动环节。②资源交互平台应是基于MR全息智能交互装备的网络化教学平台，支持多人同时接入方式，可以通过校园网或因特网进行访问。在校园局域网和因特网上都可使用，用户单一登录，客户端无需安装维护，确保数据交互与稳定可支持多客户并发访问，师生可以通过网络完全实现教与学的全过程。③平台应能够支持教师在线自主创建教学环境，远程辅助指导。可实现本地多人和异地多人同步教学，将多人同时带入全息教学场景，以超越现实的方式完成多类型教学、练习与学习讨论。④资源交互平台必须按教学需求创建不同环境进行管理，对于不设限制的公开环境，学生可以随意加入，对于需要验证才能加入的特殊环境，学生需要向教师提出申请，经授课教师批准以后才能进入环境进行学习。⑤资源交互平台的创建环境管理系统应以目录的结构管理场景房间，对素材资源必须有相关管理权限，拥有权限的用户可以上传或下载并使用平台内素材。⑥资源管理平台应具有所见即所得环境编辑器，使用户可以以全息图形化的方式对资源进行编辑，操作简单，方便编辑，满足平台之间的兼容性问题。⑦资源交互平台应集成远程协助系统，可以满足师生的在线沟通，实时互动的需求，具备即时通功能。并具标注、画笔圈选、自由框选等功能。⑧资源交互平台具备语音通话功能，一线人员和异地专家可进行实时语音通话。通话不受地理位置限制，只要有网络，即可发起。用户可以同时发起多人语音通话，亦可在通话进行中加入新的通话方。⑨为满足今后的教学需要，该平台供应商必须拥有大量可以与该平台对接的配套的素材资源。

3.模块内容

仿真平台必须具备《铁路路基施工与维护》、《铁路隧道施工与维护》、《铁路桥涵施工与维护》和《铁路轨道施工与维护》等核心课程涉及的知识点和技能点。通过对授课教师、用人单位及毕业学生的调研分析确定仿真平台的模块内容见表一。

4.平台运行模式

平台应该包括学习模式、练习模式、考试模式和比赛模式等多种能力逐级递增模式，各种知识点和技能点由浅入深，最终熟练掌握。在学习模式下，由平台先进行知识点和技能点的讲解，配合语音演示操作，每一步的动画语音教学，告诉学生这些作业有哪些作业步骤，使用什么工具，在什么位置进行相应的操作，达到怎样的技术标准，便于学生自学。在练习模式下，学生跟随平台提示，自己动手操作各项标准化作业流程，先做哪一步，再做哪一步，每一步在什么位置进行相应的操作。在考试模式下，学生独立完成操作，考试结束后，系统应自动评分，并对错误的地方进行标注和讲解。

二、结语

随着混合现实技术（MR）的发展，借助丰富的全息3D特效，完全可以让学生们愉悦的学习，将抽象和晦涩难懂的知识，用拓展的教学资源让学生进行主动式学习，在体验中把理论知识转化为实践技能，提升了学习效果和课堂质量。在“双高建设”、“新工科”建设背景下和后疫情时代，需要有效结合铁道行业新技术和实际应用，更深层次地研究铁道工程专业课程的“三教改革”，提出更为可行的方案，合理设计铁道工程仿真教学内容，并在教学实验中逐步应用、改进和完善。混合现实技术（MR）为培养出具备实践创新能力的铁路行业高素质高技能复合型人才，必将发挥越来越大的作用。

参考文献：

[1] 张晋云，虚拟仿真技术在高职院校实训平台应用探索研究——以铁道工程技术专业为例[J]电子测试，2022.4  105-107.

[2] 冯博，基于MR混合现实技术的轨道交通车辆检修仿真平台研究与实现[J] 石家庄铁路职业技术学院学报，2022.6  48-52.

作者简介：李永贵（1980.08），男，湖北枣阳人，副教授，研究方向铁道工程技术教育教学。

基金项目：2021年教育部行业职业教育教学指导委员会职业教育改革创新专项课题项目（项目编号：HBKC217076）