軌道交通虛擬仿真實驗教學中心建設探討

葉 果

（江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

軌道交通虛擬仿真實驗教學中心建設探討

葉 果

（江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

針對傳統實驗教學的困境和軌道交通類實驗教學和實踐培訓所面臨的問題，結合江蘇師范大學軌道交通信號與控制專業的特點，以培養創新型實踐人才和服務區域企業職工技能培訓為目標，建設一個專業性的虛擬仿真實驗教學中心，并詳細闡述實驗教學中心的建設方案和構思。通過“三位一體”實驗平臺、“一縱四橫多分支”實驗體系以及“三層六型”實驗項目的建設，培養學生的創新能力和實踐動手能力，提升實驗教學的效果，進而為高校實驗教學的改革和創新提供一定的參考和借鑒。

虛擬仿真；實驗教學；軌道交通；三位一體；一縱四橫；三層六型

1　研究背景

隨著我國高速鐵路的迅猛發展以及“高鐵出海”戰略的提出，社會對軌道交通類人才的需求急劇增加。因此，為相關行業培養和培訓技術人才和熟練技工的需求也日趨緊迫。地處淮海經濟區和鐵路交通樞紐（徐州）的江蘇師范大學，立足于為區域經濟社會發展提供技術人才和科技服務，加快了軌道交通類專業人才的培養，在理論教學的同時，也注重對學生的實驗教學。

實驗教學是理論教學的延續，學生通過親歷實驗過程，能夠加深對理論教學的理解，有助于對課堂教學知識的消化和吸收。實驗室建設是實驗教學的重要平臺和保障基礎，可以提升學科專業水平，提高人才培養質量。

目前，我國軌道交通專業實驗教學和實踐培訓存在如下問題：真實平臺設備價格高昂，占地面積大，難以同時實現多人的標準化實訓和考核；對涉及不可逆的操作，極端的環境，不可控天氣條件的運行狀況無法進行真實教學和研究。然而，基于虛擬仿真技術的實驗教學方法具有投資少、安全性高、拓展性強的優點，可為軌道交通專業實驗教學的開展提供有力支持。

2　虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，用一個虛擬的仿真系統來模仿真實系統的技術。虛擬仿真實驗教學中心是通過虛擬仿真技術，模擬真實的實驗設備和實驗場景，使學生通過人機交互的方式在模擬的實驗場景、實驗設備中開展相關實驗，達到在虛擬現實環境中，完成各種實驗教學活動的目的。它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業理論知識等多學科融合的結晶。在實驗教學中引入虛擬仿真技術，具有以下幾點優勢：第一，虛擬實驗設備可以代替昂貴的真實設備，同時節約實驗室用地，降低實驗室建設成本，有利于緩解經費緊張壓力；第二，仿真實驗的引入突破了實驗時間、空間的限制，有利于實驗教學的開展和實驗設備的利用，進而有利于推進實驗教學的改革；第三，虛擬仿真技術可為實驗教學提供良好的環境，有利于學生創新能力的培養；第四，虛擬仿真技術使得實驗環境更接近現實，有利于縮短學生進入相關行業的適應期。

3　構建虛擬仿真實驗教學平臺

根據教育部公布的“十二五”發展規劃，工程實驗室應在信息集成技術、虛擬仿真技術和智能制造技術等方面尋求突破，并大力推廣和應用虛擬仿真技術。構建虛擬仿真實驗教學平臺、開展網絡實驗教學，不僅可以改進實驗教學方法，還可以緩解實驗設備和實驗硬件資源不足等問題，有利于改善和提升實驗教學的效果。基于此，江蘇師范大學利用現有實驗室條件和軟件平臺，積極籌劃軌道交通信號與控制虛擬仿真實驗教學中心的建設，主要包括“三位一體”實驗平臺、“一縱四橫多分支”實驗體系和“三層六型”實驗項目。

3.1“三位一體”實驗平臺

軌道交通信號與控制虛擬仿真實驗教學中心的建設目標主要有三個，其一是提高學生的工程實踐能力和創新能力；其二是培訓職工的職業技術能力和應急處理能力；其三是提升科學研究與試驗的支撐能力。因此，首先建立了實驗教學虛擬仿真平臺，進而搭建實踐培訓虛擬仿真平臺，在此基礎上，進一步建設了科研服務虛擬仿真平臺。三部分功能互補、相輔相成，共同構成“三位一體”多功能虛擬仿真實驗平臺（見圖1），實現了“實驗教學、實踐培訓、科研服務”的有機融合。

圖1　“三位一體”實驗平臺

3.2“一縱四橫多分支”實驗體系

在“三位一體”多功能虛擬仿真實驗平臺的基礎上，按照“能實不虛、虛實結合、相互補充”的原則，以專業核心課程知識點為依據，以軌道交通全過程過程操作規范為標準，以安全運行控制為要求，建設由“行車控制”“運行車輛”“牽引供電”和“運輸組織”四大部分構成的“一縱四橫多分支”實踐教學資源體系（見圖2），以滿足學校、企業和區域的虛擬仿真實踐教學需求，實現校內外、本地區及更廣范圍內的資源共享，形成虛擬仿真實驗教學中心的可持續發展。

圖2　“一縱四橫多分支”實驗體系

3.3“三層六型”實驗項目

根據教育部高等學校本科專業課程實驗設置要求，軌道交通信號與控制虛擬仿真實驗教學中心將虛擬仿真實驗分為基礎層、應用層、提高層三個層次，包含驗證型、演示型、綜合型、設計型、科研型、創新型六種實驗類型。其中，教學虛擬仿真實驗屬于基礎層，注重專業知識基本原理的理解和驗證，有驗證型、演示型仿真實驗項目46個；實踐培訓虛擬仿真實驗屬于應用層，注重專業知識的綜合應用，培養學生的工程實踐能力，提高職工的專業技能與職業素質，共有綜合型、設計型項目42個；科研服務虛擬仿真屬于提高層實驗，共有科研型、創新型項目14個，全部面向學生、教師、軌道交通相關企業和相關科研院所開放，注重研究能力和創新能力的提升。

4　結 語

虛擬仿真實驗教學中心作為高校實驗教學的一個發展方向，以其依托的虛擬現實技術、網絡技術、仿真技術和專業知識，擁有了傳統實驗室難以具備的優勢：建設維護成本低，平臺擴展性好，利用效率高等。軌道交通信號與控制虛擬仿真實驗教學中心的建設，充分利用了上述優點，改進了本學科本專業的實驗室布局和結構，搭建了“三位一體”虛擬仿真實驗平臺，形成了“一縱四橫多分支”的實驗體系，開發了“三層六型”實驗項目。通過虛擬仿真實驗教學中心的建設和實驗教學方法的改革，希望能夠提高學生的創新能力和實踐動手能力，提升相關企業職工技能培訓的效果，進而為高校實驗教學的改革和創新提供一定的參考和借鑒。

主要參考文獻

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10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.20.157

G434

A

1673-0194（2015）20-0210-02

2015-09-07

江蘇師范大學教研課題（T612714722）。