“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗構建與學習指標評價體系研究

張嘉鷺 李曉鵬 張 林

1.江蘇師范大學機電工程學院 江蘇徐州 221008;2.江蘇師范大學實驗室與設備管理處 江蘇徐州 221008;3.江蘇師范大學江蘇省大型科學儀器開放共享實驗室 江蘇徐州 221008

高速鐵路是國家鐵路現代化水平的顯著標志,近年來,我國高速鐵路建設日新月異。徐州作為淮海經濟區中心城市和全國重要的鐵路樞紐,高鐵行業發展迅速,所需人才與日俱增,加強車輛工程專業人才培養,是江蘇師范大學的重要發展戰略之一。

車輛工程專業(動車組方向)實驗教學資源的建設是提升學生動手能力,提高人才培養質量的重要手段[1]。目前,我校車輛工程課程體系中,“動車組檢修”課程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,不適合開展多人多任務教學,難以實現多人的標準化實訓和考核;對涉及不可及或不可逆的操作,極端的環境,不可控天氣條件的檢修狀況難以進行真實教學和研究[2-3]。因此,針對“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗的開發勢在必行。

1 “動車組檢修”課程的實驗項目體系

車輛工程專業(動車組方向)的課程體系包含“動車組檢修”“列車總體與轉向架”“動車組傳動與控制”“動車組牽引與制動”等6門主要專業課程。其中,“動車組檢修”是車輛工程專業的核心課程。該課程著重培養學生檢修維護動車組和處理動車組突發故障的能力,以滿足鐵路行業對動車組檢修技術人員的強烈需求。

“動車組檢修”課程的實踐性很強,以我校為例,該課程的理論學時僅為24學時,而實驗學時則達到了36學時。受限于實體設備的昂貴價格,為模擬動車組的檢修工藝流程,“動車組檢修”課程的實驗項目均需通過虛擬仿真教學資源實現。具體實驗教學項目見表1所示。

表1 “動車組檢修”課程實驗教學項目

2 動車組檢修實驗虛擬仿真的必要性

我校車輛工程專業致力于培養具有較強實踐能力的動車組檢修應用型人才。依托傳統的書本授課、現場觀摩等教學方式,學生很難在短時間內掌握動車組復雜的檢修工藝流程[4]。

若通過動車組實體教學則存在以下問題:

2.1 動車組實體實驗不能模擬異常工況

動車組在實際運行中可能會出現受電弓無法升起、制動異常、軸承燒毀等失效工況,此類工況雖極為少見,但在實際教學中卻要求學生牢固掌握,單純通過動車組實體實驗教學難以模擬此類異常工況。而通過虛擬仿真技術,則可以生動再現動車組檢修過程中各類失效工況,較之傳統教學方法優勢明顯。

2.2 動車組實體實驗成本高昂

動車組實體價格極為高昂,以目前最新車型“復興號”動車組為例,其長編組車輛價格近4億元;建立較完善的動車組檢修實訓室需配備眾多的檢修輔助設備,如三層檢修作業平臺、超聲波探傷儀、輪對鏇修機床、帶軌道橋的架空軌道系統、盤型制動裝置試驗臺、專用加載試驗臺等,這些檢修輔助設備的購置費用和維護費用也極為高昂;另外,由于動車組單節車廂重量就已近40噸,若想對其進行拆裝檢修作業,需提供行車、龍門吊車等大型起重設備,且必須配套專用廠房,而上述條件,在實際教學中是很難滿足的。

2.3 動車組實體實驗教學效率低

若通過動車組實體進行實驗教學,受設備數量限制,單次受訓學生僅為4名/臺,每次實訓時間要超過8學時,實驗效率很低;且由于動車組零部件之間配合精度極高,因此難以實現反復拆裝訓練。而通過對動車組虛擬仿真教學資源的在線共享,可突破時間和空間的限制,實現對學生大批量教學的目的,實驗效率大幅提升[5]。

由此可見,借助虛擬仿真技術實現“動車組檢修”課程的實驗教學,是最佳的教學方式。

3 建設思路與建設內容

3.1 建設思路

在“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗的框架設計,江蘇師范大學研發團隊擬以建設網絡化、信息化實驗教學資源為重點,按照“能實不虛、以虛補實”的思路,實現實體實驗不具備或難以實現的教學效果,尤其對于那些涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作,以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目,從實驗教學體系、模式、內容、方法手段等方面進行系統化設計,形成虛實互促互補、教研深度融合、輻射能力強的現代化虛擬仿真實驗平臺,使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、經濟、安全的實驗,解決長期困擾“動車組檢修”課程實驗的高成本、高消耗、高危險性的難題[6-7]。同時,擬基于互聯網技術實現動車組檢修虛擬仿真實驗項目的在線共享,深度滿足多學校和多地區共同開展虛擬仿真實驗教學的需要[8]。

3.2 建設內容

3.2.1 研究建立虛擬仿真實驗資源開發標準

參照《國家虛擬仿真實驗教學項目技術接口規范》等指導性文件,深入對比目前主流的虛擬仿真資源開發引擎(如Unity 3D、Java 3D等),在實現資源在線性、共享性與接口規范性的前提下,確定“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗教學資源的開發技術標準。同時,以我校車輛工程專業兩項國家虛擬仿真實驗項目為基礎,對不同專業虛擬仿真實驗教學資源內容體系的共性需求進行歸納總結,揭示其與真實實驗三級實驗類型(驗證型實驗、綜合設計型實驗、創新型實驗)內容體系之間的內在聯系,構建出滿足“互聯網+”背景下不同學科實踐教學需求、具有普適性的虛擬仿真實驗教學項目內容體系標準。

3.2.2 研究建立虛擬仿真實驗資源體系

在前文所建立的虛擬仿真實驗資源開發標準的指導下,以“動車組檢修實驗教學”為中心,構建“動車組結構原理實驗”“動車組一級檢修實驗”“動車組二級檢修實驗”“動車組故障診斷實驗”“動車組轉向架檢修實驗”等六個方面的虛擬仿真實驗教學資源,形成滿足“動車組檢修”課程大綱要求的虛擬仿真實驗教學體系。

3.2.3 研究建立虛擬仿真實驗資源的運管機制

構建科學高效的共建共享運行機制,引入社會資源探索“互聯網+實驗教學”管理模式,促進“動車組檢修”課程實驗教學資源優化再生和持續提升,搭建科學的績效評價體系和完善的服務支撐體系。依托虛擬仿真實驗教學平臺,對在線開放的“互聯網+”虛擬仿真實驗教學項目實施星級動態評價制度,并考慮有償使用原則,最終建立“互補互利、成本均攤、服務有償、收益共享”的運行模式。

3.3 建設成果

3.3.1 轉向架系統檢修虛擬仿真實驗

轉向架系統是高速動車組的核心部件,其上裝配有驅動系統、制動系統、懸掛系統等七大部分,承擔著動車組牽引、制動、緩沖等重要任務,其性能直接影響列車的安全穩定運行。該項目立足動車組結構原理和檢修工藝,校企聯合,共同開發,基于Web3D技術開發了轉向架系統交互式虛擬檢修實驗資源,采用B/S架構和IETM技術,實現了動車組轉向架系統虛擬拆裝檢修實驗的在線共享。

圖1 轉向架系統檢修虛擬仿真實驗界面

3.3.2 高鐵列車一級檢修虛擬仿真實驗

高鐵列車一級檢修在保障列車安全運行方面發揮著重要作用,《檢修規程》規定列車每運行48小時必須進行一級檢修,否則,列車運行會存在較大安全隱患。該虛擬仿真實驗項目旨在培養學生高鐵列車一級檢修能力,包括檢修操作、檢修報告等四個模塊和車側檢修、車頂檢修等6個檢修項目,有152步檢修操作。進入項目,即可對列車相應部件進行虛擬檢修。

圖2 高鐵列車一級檢修虛擬仿真實驗界面

4 學習指標評價體系研究

實驗評價是實驗教學的重要環節,通過評價可以掌握學生實驗水平,激發學生學習的積極性和主動性。因此,“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗的構建不僅需要平臺設計與實驗內容的緊密聯合,更須注重評價反饋機制的設計。因此,我校擬針對虛擬仿真實驗環境中學習評價指標體系進行探索,為所建設虛擬仿真實驗項目提供一種切實可行的評價方式,主要包括以下三個方面的研究內容。

4.1 虛擬仿真實驗學習評價指標體系初建

我校所構建的“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗平臺作為一種綜合的遠程實驗教育平臺,既包含傳統實驗教學的實踐特點又包含網絡教學的遠程學習特點,同時兼具虛擬現實技術的自身特色。因此,筆者首先總結出傳統實驗學習評價體系典型指標項和網絡學習評價體系典型指標項,同時分析虛擬仿真實驗學習的特征和特殊性,發現虛擬仿真實驗環境中學習評價指標與傳統學習環境及網絡學習環境中的異同點,初步建立虛擬仿真實驗環境中學習評價指標體系。

4.2 專家咨詢問卷設計及信效度檢驗

筆者根據初建的學習評價指標體系并結合Likert五級量表編制“虛擬實驗環境中學習評價指標體系構建問卷”,依據德爾菲法的特性建立具有代表性的專家小組,咨詢專家學者對于各項指標體系合理性的評價意見,利用SPSS工具分析問卷的信度和效度,根據專家意見對各項指標新型增刪和修改后形成“虛擬實驗環境中學習評價指標體系構建問卷(第二次德爾菲法)”,最終確定虛擬實驗環境中學習評價指標體系的各個指標項。

4.3 學習評價指標體系確定及應用思考

利用層次分析法確定各項指標的權重,以形成具有科學性和實用性的“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗學習評價指標體系;針對指標量化問題構建面向學生自評、教師評價、系統評價的評價量表,并思考指標體系在我校“軌道交通信號與控制”國家級虛擬仿真實驗教學中心中的應用模式,驗證指標體系的可靠性和可操作性。

結語

實驗教學資源的建設是提升學生動手能力,提高人才培養質量的重要手段。目前,江蘇師范大學“動車組檢修”課程實驗教學和實踐培訓存在實驗教學成本高、實驗效率低、極端檢修工況無法模擬等問題。

針對這一現狀,本文剖析了“動車組檢修”課程的實驗項目體系,闡述了對其虛擬仿真的必要性,介紹了“動車組檢修”課程虛擬仿真實驗的建設思路和現階段建設成果。同時,本文指出了虛擬仿真實驗的構建不僅需要平臺設計與實驗內容的緊密聯合,更需注重評價反饋機制的設計理念。進而本文從虛擬仿真實驗學習評價指標體系初建、專家咨詢問卷設計及信效度檢驗、虛擬仿真實驗環境中學習評價指標體系確定及應用思考等三個方面,介紹了虛擬仿真實驗學習指標評價體系的建設方法,可為相關高校虛擬仿真實驗的開發與評價提供參考。