制動夾鉗單元教學仿真實驗臺的開發

郝磊

摘 要：結合有關車輛專業與動車組檢修專業在目前理論與實踐教學過程中的現實背景及現有條件，對制動夾鉗教學仿真模型的研究進行可行性分析，具體闡述了制動夾鉗教學仿真系統的開發過程及其使用過程中的教學評價方法，并給出了該教學仿真實驗臺研究的必要性。

關鍵詞：制動夾鉗 仿真 實驗臺 開發

Development of Teaching Simulation Experiment Platform for Brake Clamp Unit

——Take Xi'an Railway Vocational and Technical College Railway Cars and EMU Maintenance as an example

Hao Lei

Abstract：Combining the actual background and existing conditions in the current theoretical and practical teaching process of relevant vehicle majors and EMU maintenance majors， the feasibility analysis of the brake caliper teaching simulation model is carried out， and the brake caliper teaching is explained in detail. The development process of the simulation system and the teaching evaluation method in the use process， and the necessity of the research of the teaching simulation experiment platform are given.

Key words：brake caliper， simulation， test bench， development

1 引言

仿真技術自20世紀五六十年代問世以來，已在國內外各個領域得到了長足發展與應用。隨著信息技術發展，虛擬仿真教學已經得到教育部主管部門和教育機構的關注，并在2008年成立了“中國教育仿真技術專業委員會”。委員會成立后，國內部分高校陸續開設了虛擬仿真相關專業和課程，同時各高校陸續應用虛擬仿真平臺進行教學和實訓、實驗室建設，并取得了一定成績。但目前國內并沒有現成的制動夾鉗單元教學仿真模擬實驗臺，為了提高教師的實訓教學和學生專業技能的訓練，需要通過自行開發，完成教學需要。本次開發的實驗臺借助SolidWorks、3ds Max、Unity3D等軟件建設制動夾鉗單元教學仿真模型，并將其應用到已建成的虛擬仿真教學實訓中，豐富教學內容，進一步體現虛實結合的教學模式。

2 制動夾鉗教學仿真模型研究的可行性分析

2.1 制動仿真實訓室的現實背景

鐵路客、貨車制動系統檢修以及動車組檢修虛擬仿真實訓室是鐵道車輛專業和動車組檢修專業適應信息化技術發展，實現虛實結合、理實一體化教學模式，促進專業建設可持續發展，響應學校“雙一流”建設及“雙高”建設號召的重要舉措。而目前在本校鐵道車輛專業虛擬仿真實驗臺上僅有104分配閥、120控制閥以及單車試驗等仿真模型，沒有制動夾鉗單元的相關仿真模型，而基礎實訓室內僅有能演示制動夾鉗整體結構及僅能實現制動緩解兩個作用的簡易實驗臺1部，沒有能夠進行制動夾鉗單元拆裝的實訓設備，因此鐵道車輛專業開設的《車輛制動檢修》、《車輛鉗工》、動車組檢修專業開設的《動車組制動檢修》等課程，關于制動夾鉗單元整體及各零部件認識方面的內容也只能進行理論教學。而每屆鐵道車輛、動車組檢修、鐵道車輛國際班三個專業的授課學生約500人以上，涉及專業及學生較多，因此為了增強學生對制動夾鉗單元知識的理解和提高學生的專業技能水平，制動夾鉗單元仿真模擬實驗臺開發是必要且迫切的。

2.2 現有條件分析

校內現有車輛制動檢修實訓室、客貨車練功車、盤型制動制動緩解實驗臺等專業實訓室及專業設備，可完成大部分鐵道車輛制動、少部分動車組制動等課程教學的訓練及能力的培養，使學生緊貼就業崗位的要求并具備持續發展能力。

依托高等職業教育創新發展行動計劃骨干專業建設項目，學院已購置運行虛擬仿真軟件計算機50臺，后期不需購買硬件設備，節約了開發成本。有條件在現有實訓室及教學內容的基礎上，完成制動夾鉗單元教學仿真實驗臺開發實踐。制動夾鉗單元仿真模擬實驗臺開發完成后還可借此培養專業教師隊伍，提高教師綜合能力。

2.3 可行性分析

制動夾鉗單元是鐵道車輛及動車組盤型基礎制動的末端執行機構，是保障列車運行安全的關鍵部件[1]。SolidWorks軟件具有智能化、協同化、虛擬仿真的功能特點，在進行具體設計時，首先利用CAD軟件繪制制動夾鉗單元所包含的一個個二維零件圖、工程圖，再運用SolidWorks軟件建立三維模型并形成制動夾鉗單元三維仿真爆炸圖[2]，然后利用3ds Max對模型進行渲染和制作需要的三維動畫片段，用C#和JavaScript編寫腳本實現場景中的交互，從而建立適用教學的制動夾鉗單元仿真模型實驗臺，可見該研究過程是一個切實可行的方案，如圖1-3。最后將制動夾鉗教學仿真系統安裝到仿真實訓室的50臺計算機上，完成制動夾鉗單元仿真實驗臺開發。而制動夾鉗教學仿真實驗臺的制作有利于實現盤型基礎制動方面的理實一體、虛實結合的教學模式，增加學生學習興趣，提供教學質量。

3 制動夾鉗教學仿真實驗臺的開發

3.1 實驗臺開發

結合鐵道車輛及動車組檢修兩個專業的學科設置，開發的仿真實驗臺是對其專業課知識及專業技能的教學及實踐的綜合應用，具體開發步驟如下：（1）根據制動實訓室展示的“制動夾鉗制動與緩解”的實訓設備，參照實物，測量各零部件尺寸，然后利用CAD軟件建立制動夾鉗單元的各個零部件及整體的二維模型，如圖1所示。（2）將CAD二維模型導入SolidWorks軟件后，對各二維零件圖進行拉伸、旋轉、倒角、槽孔等操作后形成制動夾鉗各零件三維模型，然后利用裝配功能將分散的零件模型裝配成整體的制動夾鉗單元如圖2所示，同時在SolidWorks軟件中也可將裝配圖進行分解，得到制動夾鉗單元的分解爆炸圖如圖3所示，這一步是實現制動夾鉗單元理實一體化教學的基礎。（3）將零件圖、裝配圖、分解爆炸圖等三維模型導入3ds Max中進行渲染、美化（如圖4所示），使得模型各部分零件更易于區分，方便學生對制動夾鉗結構的辨識，更能激發學生的學習興趣。（4）在Unity3D軟件上，利用C#和JavaScript語言編寫腳本，實現場景交互，建立如圖5所示的制動夾鉗單元教學仿真實驗臺系統。該仿真系統除了介紹系統功能、制動夾鉗結構、制動夾鉗單元裝配與分解等內容外，還插入了制動夾鉗作用原理理論知識、制動夾鉗現場作業指導書、制動夾鉗制動、緩解與檢查等現場操作過程，涉及內容豐富全面，至此已完全具備了實施制動夾鉗單元理實一體化教學的條件了。（5）利用紅蜘蛛等多媒體網絡教室軟件，將教學仿真系統安裝在車輛、動車組專業虛擬仿真實訓室的計算機上，實現教師機控制學生機，老師和學生全方位互動教學、分發和提交作業、屏幕監視、電腦的集中控制與管理等諸多功能，從而實現一對多、一對一教學。

3.2 實驗臺評價方法

實驗臺開發完成后，要將其運用到理論與實踐教學當中，在運用過程中，收集老師與學生在操作制動夾鉗單元教學仿真實驗臺后的反饋意見，并認真統計分析意見內容，最后根據反饋意見對仿真實驗臺進行修正、完善及優化。

仿真實驗臺的開發增加了教學評價方式。在信息化教學的催動下，傳統的單一試卷的理論考試早已無法滿足多種教學手段的教學評價方式。目前學校已經要求混合式教學的多門課程采取傳統理論考試與線上網絡考試結合的方式進行教學評價，在此基礎上，該仿真實驗臺的開發在制動實踐內容的考核方面，可結合教學仿真系統上學生的操作成績對學生最后成績進行綜合評價。

4 結語

制動夾鉗單元仿真模型實驗臺是一個開放式的實驗臺，能夠為鐵道車輛和動車組檢修兩個專業使用，貼近該兩個專業的就業崗位，還能根據課程或者就業及行業的發展變化加以擴展，是檢驗學生對所學專業課程的專業技能水平的一個重要手段。此實驗臺的開發在教學過程中具有重要的作用：一是在盤型基礎制動教學中利用虛擬仿真，結合理論教學課件和實訓教學設施，改革技能考核模式，能夠有效地提高教學效率和教學質量。二是此實驗臺是在信息化教學模式的推進下應運而生的，能夠進行自由搭建擴展，不存在淘汰更新的問題。因此，制動夾鉗單元教學仿真實驗臺的開發是一項必要且非常有教學意義的研究。

基金項目：西安鐵路職業技術學院院級課題：制動夾鉗單元仿真模型實驗臺開發（XTZY19G05）。

參考文獻：

[1]胡維，劉鵬，鄔錢涌.制動夾鉗單元可視化裝配應用研究[J].鐵道機車車輛，2015 （08）.

[2]動車組機械師[M].中國鐵道出版社，2015.

作者簡介

郝 磊：（1986—），女，山西永濟人，碩士，講師。研究方向：鐵道車輛、動車組檢修。