虛擬仿真技術在鐵道機車運用與維護實訓平臺的應用
——以受電弓檢修為例

李長留,李建龍

（鄭州鐵路職業技術學院,河南 鄭州 451460）

0 引言

軌道交通車輛檢修是一項將工藝標準應用在真車上的復雜性工作，其實際采用的工藝流程和作業方式方法具有復雜性、多樣性、不確定性特點。到目前止，對軌道交通車輛檢修方法的優化，主要建立在檢修經驗的基礎上，主要依靠以往的經驗對檢修過程進行調整和優化，具有較大的局限性。這個局限性在老車型的檢修方面，體現得不是很明顯。但是，在全新車型的軌道車輛檢修方面體現得特別明顯。針對新車型，僅憑以往的檢修經驗進行作業，顯得力不從心，亦不利于檢修方法的傳承與創新。

該文擬采用虛擬仿真技術實現數據模型與虛擬影像相結合，將軌道交通車輛檢修過程信息化、三維化、可視化，能夠更加形象深刻地將工藝標準、工藝流程、作業方式方法等借助虛擬仿真終端作為媒介進行虛擬現實展示，使學員能夠直觀、身臨其境地在企業現場進行觀摩與學習。

1 虛擬仿真技術簡介

1.1 概念

虛擬仿真技術又稱為計算機仿真的虛擬仿真，是指利用計算機生成三維動態現實，動態逼真地模擬系統的結構、功能和行為，以及參與系統控制的人的思維過程和行為。最早的應用是在軍事領域，如洲際導彈的開發、阿波羅登月計劃和核電站的運營。直到20 世紀70 年代中期，虛擬仿真技術開始向民用領域延伸，從20 世紀80年代開始，隨著計算機技術的發展，它被廣泛地應用于人們生產和生活的各個方面，如儀器儀表、虛擬制造、電子產品設計、仿真培訓等[1]。仿真技術現已成為解決重大工程問題的必要手段，并逐漸形成了一門交叉科學，成為認識客觀世界的一種重要方法。

1.2 優勢

一是資金使用產出比高。若使用大量資金購買真車上的受電弓裝備，因其設備容易損壞和老化，并需要定期維護，增加了教學的運用成本[2]；然而如果使用虛擬仿真技術進行適當的代替，就無須購買真車上的受電弓設備，并且可以根據教學內容創建不同的仿真環境。二是具有良好的靈活性。虛擬仿真教學不受場地限制，使教學過程不再抽象。學生還可以利用虛擬仿真平臺靈活練習和反復練習教學難點。三是它具有很高的新穎性。學生可以在虛擬仿真環境中從不同角度觀察受電弓模型，學習前沿科學研究和新知識，有助于激發他們的創造力。四是交互式[3]。與傳統的內容和知識表示形式（如文本、圖像和視頻）相比，虛擬模擬的最大特點是用戶可以互動，并作為提高教學、培訓和練習效果的有效手段，解決訓練和演習中的“三高”（高危險、高成本、高污染）“四難”（難看到、難動作、難進入、難再現）問題。

2 虛擬仿真技術在鐵道機車運用與維護實訓平臺開發與運用中的必要性

2.1 理論意義與學術價值

虛擬仿真技術在軌道交通車輛檢修方面的教學應用，國內外研究可參考的相關案例文獻較少。通過該文的研究，對于虛擬仿真技術在軌道交通車輛檢修領域的教學應用方面具有重要的理論研究意義。

2.2 實踐意義與應用價值

第一，通過該文的研究，總結將虛擬仿真技術應用到軌道交通車輛檢修課程的教學內容原則、策略及實現途徑，在人才培養計劃框架內改革和創新教學模式、方法和手段，將有效激發學習者的學習興趣，提高學習者的專業技能，對學習者的個人成長和社會需求具有很強的現實意義。第二，打破時空制約，節省成本，提高教學效果。目前情況下，受電弓調試等實踐環節無法有效開展，主要受制于設備、場地、經費等硬件條件。虛擬仿真技術的介入，可以徹底打破空間和時間的限制，學習者僅在簡單的實訓室內就可以做各種測試等實驗，獲得與真實受電弓實驗一樣的體會。在有效地確保教學效果的前提下，大大節約了成本[4]。第三，將對其他專業應用虛擬仿真技術、改革教學模式起到良好的借鑒和參考作用。實施職業教育的正確途徑是讓學習者在職業工作情境中參與并實踐共同體的職業活動，從而掌握相應的知識和技能。因此，職業教育信息化還必須涉及學習者在真實或虛擬工作環境中對工作意圖、知識和技能的主觀構建，為工作任務提出基于信息的解決方案，使學習者在培養職業道德和身份認同的同時，獲得和掌握工作過程及知識。學習者在典型的項目任務和工作過程中，在復雜的行動空間中具有一定程度的自由選擇權和行動權限。因此，在職業教育信息化的進程中，必須立足于其特點和規律，利用信息技術為學習者在不同的工作環境中提供互動交流的學習媒介。

3 目前鐵道機車運用與維護專業實訓存在的問題

（1）傳統實訓教學注重基礎知識的講解，檢修技術的講授比較枯燥，檢修現場的作業過程停步于工藝文件，比較機械化、流程化，不容易發現不合理的地方，學生對知識的靈活應用情況不足。

（2）專業教學實踐環節時間較短，一般為1~2 周，而實際檢修過程的耗時比較長，學習過程只能節選于軌道車輛檢修的某個階段，學生不能對整個軌道車輛檢修的過程形成整體認識。

（3）學校自建軌道交通車輛檢修實訓場地的投入成本較高，占地面積較大且可開展的實訓項目及內容很有限。這給學校的實踐教學基地的建設工作帶來很大挑戰。

（4）學校組織集中實習成本高，自主實習缺乏管理、危險性較大。學生在實習過程中，面臨自覺性不夠，工作單一，很多學生只是走個過場，并未深入，同時教師的監管力度不夠，需要大量的精力、物力、財力的支撐。另外，學生初入社會安全警惕性不高，容易出現安全問題，造成安全隱患。

4 虛擬仿真技術在鐵道機車運用與維護實訓臺開發與應用的具體策略

4.1 傳統教學方式與虛擬仿真教學方式的高效融合

傳統教學方式優點：能夠充分展現教師的主導地位，更好地管控課堂、組織學生，能夠快速地將教師想講授的知識傳達給學生。

傳統教學方式缺點：不能充分發揮學生的自主性，學生容易產生一定的依賴性，對于抽象內容不能直觀地進行展示，不利于學生掌握和理解。

虛擬仿真教學則能夠很好地補充傳統教學方式的不足之處，能夠充分調動學習者的學習積極性，真實、直觀地展現設備（例如受電弓）的機械組成和各種參數的動態變化過程，對學習者深刻理解掌握所學知識大有助益；但如果僅僅依靠虛擬仿真進行教學，則不能達到最好的教學效果，主要是因為學習者的自律性、學習能力、理解能力不完全一致。這就需要揚長避短，將傳統教學模式與虛擬仿真教學方式高效、有機地結合起來，更好地提升教學質量[5]。例如，在講解受電弓工作原理時，教師可事先將PPT 課件、網絡教學視頻等資源上傳至大學生MOOC 中，讓學習者進行課前預習，幫助學生吸收理論知識，然后運用虛擬仿真技術直觀地講解受電弓的機械組成、氣路過程及電路路徑，接著讓學生在三維虛擬仿真的環境中自由探索受電弓的機械組成、氣路過程及電路路徑并進行實踐操作，從而產生比較好的教學效果。

4.2 平臺開發的思路和方法

對照課程標準，以職業素養培養和教學管理為目標，構建教學實訓資源和管理平臺，創建鐵道機車運用與維護專業受電弓檢修平臺。按照課程標準中的知識目標、能力目標的要求，劃分知識點。在教學實施過程中，利用虛擬仿真技術把知識點在虛擬的環境中展示和演示出來，使學生能夠直觀、方便地在虛擬環境中學習受電弓機械組成、電路工作原理、氣路流通路徑及檢修方法。依托虛擬仿真演練平臺，完成對教學過程中的數據收集，通過教學評價進行教學反思與改進。如圖1 所示。

圖1 思路示意圖

4.3 平臺開發的研究方法

（1）文獻研究法。收集虛擬仿真技術在鐵道機車運用與維護專業受電弓檢修方面應用的基本理論，以及鐵道機車運用與維護專業受電弓檢修相關課程資源建設方面的參考文獻，了解和掌握課題研究領域行業最新應用情況，為整體方案的設計提供基礎。

（2）比較研究法。通過比較虛擬現實技術在國內外其他行業及職業教育領域的應用現狀及優劣，借鑒已有的先進經驗與方法，結合當前我國職業教育在鐵道機車運用與維護專業受電弓檢修職業教育課程中存在的問題，為課題的應用研究提供先進的理論指導和借鑒。

（3）案例研究法。該文以受電弓機械組成、電路工作原理、氣路流通路徑及檢修方法教學內容為例，結合虛擬仿真技術，從而總結歸納出虛擬仿真技術應用于鐵道機車運用與維護專業實踐教學的應用策略、實現途徑、教學方法、課程體系與人才培養方案的有機融合策略及其評價方法。

4.4 平臺開發的技術路線

通過查閱大量技術文獻，參考混合現實技術、虛擬現實技術研究、增強現實技術在高職教學的中的相關成果，吸取有用的方法和建議；了解國內外相關研究的現狀及發展趨勢，以及實際應用中的效果；通過團隊成員的討論和調研，確定研究初步研究計劃和分工；研究鐵道機車運用與維護受電弓檢修課程的知識目標、能力目標和素質目標，針對課程目標梳理相應知識點，研究分析在虛擬環境中的實現方法；開發交互程序腳本，在虛擬環境中實現所需要的知識點功能；結合虛擬仿真硬件設備實現開發功能，并進行測試；修改并完善系統。如圖2 所示。

圖2 技術路線圖

4.5 平臺開發達到的效果

鐵道機車運用與維護專業檢修課程中的受電弓檢修實訓項目實現虛擬仿真，并移植到在線精品課中，學生通過在線虛擬仿真實訓能熟練掌握鐵道機車運用與維護受電弓檢修的方法、工藝操作等技能。解決在線課程無法進行實訓的難題，預計對目標技能的訓練效果將達到實物實訓效果的80%。專業教師6~8 名參與虛擬仿真課件的開發，熟練掌握課件開發的軟件和流程，打造一支鐵道機車運用與維護設備虛擬仿真實訓課件開發的團隊，為全面推行虛擬仿真技術在教學中的運用奠定基礎。將實訓中有關操作流程、操作要點等的訓練和考核全部移到在線平臺上進行，解決因實訓設備不足，考位不夠，以上項點只能進行抽考的難題，使考評效率大幅度地提升，再與實物的實訓配合，顯著提升了實訓的效果。

5 結語

該文通過虛擬仿真技術解決了在線課程無法進行實訓的難題，為理實一體化課程開展線上教學提供了解決方案。在線仿真實訓不僅能完成相應的訓練，還能進行考核，能對在線訓練的效果及時評價，使教師能隨時了解學生的在線訓練情況。在線虛擬仿真實訓也是學校實訓室訓練的有力補充，能夠彌補鐵道機車運用與維護檢修所需設備大、占地面積大、投資大、實訓設備有限，使得學生訓練不足，考評多以抽考或筆試代替等明顯不足。通過在線訓練和考核，完成對相應技能中操作過程及操作要點的訓練及鞏固，減少學生對實物設備的操作時間，提升實訓室實訓的效率，同時達到延長實物設備使用壽命的優點。