虛擬仿真平臺在鐵路信號綜合實驗教學中的應用

摘要：隨著科技的快速發展，虛擬現實（VR）和仿真技術已成為教學的重要工具。該文探討了虛擬仿真平臺在鐵路信號綜合實驗教學中的應用，分析了其優勢與不足，并提出了相應的改進策略。虛擬仿真平臺通過構建虛擬仿真環境，能夠使學生在無風險的情況下進行實驗操作，深入理解信號系統的工作原理，從而提高學習效果和興趣。該研究不僅為鐵路信號實驗教學提供了新的思路，也為其他領域的教學提供了參考。

關鍵詞：虛擬仿真平臺；鐵路信號；實驗教學；教學改革；虛擬現實

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.051

中圖分類號：G 642 文獻標志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）09-0-03

Application of Virtual Simulation Platform in Railway Signal Comprehensive Experimental Teaching

HAO Juxiang

（Xi'an Jiaotong University， Xi'an 710000， China）

Abstract： With the rapid development of technology， virtual reality （VR） and simulation technology have become important tools for teaching. The article explores the application of virtual simulation platform in railway signal comprehensive experimental teaching， analyzes its advantages and disadvantages， and proposes corresponding improvement strategies. The virtual simulation platform enables students to conduct experimental operations in a risk-free manner by constructing a virtual simulation environment， gaining a deeper understanding of the working principles of signal systems， thereby improving learning effectiveness and interest. This study not only provides new ideas for railway signal experimental teaching， but also provides references for teaching in other fields.

Keywords： virtual simulation platform; railway signal; experimental teaching; reform in education; virtual reality

鐵路信號系統是鐵路運輸安全的重要保障，其實驗教學對于培養合格的鐵路信號技術人才具有重要意義。然而，傳統的實驗教學存在設備成本高、實驗風險大、實驗場地有限等問題，限制了實驗教學的效果。虛擬仿真平臺作為一種新興的教學工具，以其真實感強、互動性高、可視化等特點，為鐵路信號實驗教學提供了新的解決方案。

1 虛擬仿真平臺的基本原理與特點

虛擬仿真平臺通過計算機技術和傳感器技術，模擬生成三維圖像和聲音，使用戶能夠沉浸式地體驗不同的場景[1]。在鐵路信號實驗教學中，虛擬仿真平臺可以模擬真實的信號系統環境，提供與實際系統相似的操作界面和交互方式，使學生能夠在虛擬環境中進行實驗操作。虛擬仿真平臺具有以下特點：

（1）真實感強：通過高度逼真的模擬，使學生仿佛置身于真實的信號系統環境中，提高學習的沉浸感和真實感。

（2）互動性高：支持學生與虛擬環境進行實時交互，模擬各種實驗場景和操作過程，提高學生的學習興趣和參與度。

（3）可視化：通過三維圖像和聲音等多媒體手段，將復雜的信號系統知識以直觀、形象的方式呈現出來，便于學生理解和掌握。

2 虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學中的應用

（1）信號機虛擬仿真平臺。學生可對信號機與設備進行測試，設置信號機的時序、綠燈時間、黃燈時間、紅燈時間等，并進行調試驗證，確保信號機正常工作；可以通過模擬實際運行情況，觀察信號機在不同條件下的工作表現，并進行性能指標的測量和分析；可以優化信號機系統的設計和參數設置，通過調整信號機的工作模式、靈敏度設置和控制策略等，評估不同方案對列車運行的影響，并找到最佳的優化方案；可以模擬信號機可能出現的故障情況，如信號燈故障、電源故障等，以及列車與信號機之間的通信故障，通過實驗分析故障的原因和影響，為故障診斷和修復提供依據。

（2）轉轍機虛擬仿真平臺。學生可以進行轉轍機組裝實驗。可點擊不同部位，拆分底殼蓋、電動機、減速器、摩擦連接器、滾珠絲杠、動作桿、左右鎖閉桿、接點組、安全開關組、擠脫器、接線端子等，通過切換視角觀察各部件組成。同時，學生可通過切換視角觀察動作過程，如電動機按逆時針方向旋轉，電動機通過齒輪帶動減速器旋轉，摩擦聯接器通過滾珠絲杠上的絲母帶動推板套做直線運動，在鎖閉鐵的作用下，完成機械解鎖、轉換、鎖閉等一系列動作。

（3）軌道電路虛擬仿真平臺。學生可以進行軌道電路的安裝和調試，包括電纜的布線、接頭的連接、絕緣節的安裝，確保軌道電路的正常工作；測試軌道電路靈敏度，檢測軌道存在的最小電流和電壓；調整軌道電路的參數，確定其在不同條件下的靈敏度；模擬軌道電路可能出現的故障情況（紅光帶、分路不良），進行故障診斷和維修實驗，培養學生對常見故障的分析和處理能力。

利用虛擬仿真平臺開展鐵路信號綜合實驗教學活動，可以實現信號基礎設備動作原理的深入剖析、機械結構的三維可視化展示、故障診斷的精確模擬，以及拆裝布置的全方位學習[2]。這一舉措不僅極大地增強了學習的可操作性和互動性，而且為學生提供了更多親自動手、實踐操作的機會。充分發揮其不受時空限制的優勢，極大地拓展了實踐教學的廣度和深度。這一創新性的教學模式有助于學生獲得更多的自主權和靈活性，能夠在自由的時間里根據個人興趣和需求進行深入的探索和學習。因此，借助虛擬仿真平臺開展實驗教學活動，無疑是軌道交通專業發展中的一個重要且前瞻性的方向。

3 虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學中的優勢與不足

虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學中具有以下顯著的優勢。

（1）安全性高。傳統的鐵路信號實驗教學需要在實際的軌道交通場景中進行，存在一定的安全隱患。而虛擬仿真平臺能夠提供一個安全的實驗環境，避免學生因操作失誤而導致的事故，保證學生的實驗安全。

（2）節省時間和成本。虛擬仿真平臺可以模擬多種實驗場景，無須準備大量的實驗器材和材料，大大節省了實驗準備的時間和成本。同時，學生可以在虛擬環境中多次重復實驗，無須擔心器材的損耗和實驗材料的浪費。

（3）實驗場景多樣性。虛擬仿真平臺可以模擬多種實驗場景，如運營管理、通信信號、牽引供電、機車控制等，覆蓋軌道交通的各個方面。這使得學生可以在更廣闊的范圍內進行實驗，進一步拓展他們的學習視野[3]。

（4）交互性強。虛擬仿真平臺為學生提供了與計算機進行交互的機會，可以實時監測學生的操作和實驗過程，并給予及時的反饋和糾錯。這種交互性不僅增強了學生的學習體驗，還有助于提高他們的學習興趣和積極性。

（5）靈活性、個性化。虛擬仿真平臺可以隨時調整實驗條件，進行各種參數調節，以滿足學生的不同需求。這使得學生的學習更加靈活，可以根據自己的興趣和需要進行個性化的學習規劃。

然而，虛擬仿真平臺也存在以下一些不足之處。

（1）模型的準確性。虛擬仿真實驗的結果取決于模型的準確性。如果模型不準確，實驗結果也會不準確，可能會影響學生的學習效果。

（2）數據的缺乏。虛擬仿真實驗需要大量數據來支持模型的運行。如果數據缺乏，模型就會不準確，導致實驗結果不準確。

（3）無法完全替代實際實驗。雖然虛擬仿真平臺具有很多優勢，但它仍然無法完全替代實際實驗。實際實驗中的某些細節和感受是虛擬仿真平臺無法模擬的，因此學生還需要結合實際實驗來加深對知識的理解和掌握。

（4）技術更新迭代快。隨著技術的不斷發展，虛擬仿真平臺也需要不斷更新迭代以保持其先進性和實用性。這可能會給學校和教師帶來一定的技術更新壓力。

因此，在實際應用中需要綜合考慮各種因素，充分發揮虛擬仿真平臺的優勢，同時結合實際實驗來提高學生的學習效果。

4 改進策略與建議

為了充分發揮虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學中的作用，本文提出以下改進策略與建議：

（1）整合教學資源。將虛擬仿真平臺與現有的教學資源進行有機整合，如在線課程、教材、實驗指導書等，形成完整的教學體系。鼓勵教師利用虛擬仿真平臺進行教學創新，開發新的教學方法和實驗項目[4]。

（2）完善教學內容。需要根據鐵路信號系統的最新發展，不斷更新和完善虛擬仿真平臺中的實驗內容和教學案例。要引入更多的實際工程案例和故障處理案例，幫助學生更好地理解和應用所學知識。

（3）加強師生互動。要利用虛擬仿真平臺的在線功能，加強師生之間的交流和互動，及時解答學生的問題和疑惑。鼓勵學生在虛擬仿真平臺上進行小組協作和團隊實驗，培養學生的團隊合作精神和實踐能力。

（4）完善評價體系。建立完善的評價體系，對學生在虛擬仿真平臺上的學習成果進行客觀、公正的評估。將虛擬仿真實驗成績納入課程考核體系，激勵學生積極參與虛擬仿真實驗教學活動。

5 結束語

虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學中的應用具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。通過本文的探討和分析，我們可以看到虛擬仿真平臺在提高實驗效率、降低實驗成本、增強學習體驗等方面具有顯著的優勢。同時，我們也應該認識到虛擬仿真平臺存在的不足之處，并采取相應的改進策略來完善其應用。相信在不久的將來，虛擬仿真平臺將成為鐵路信號實驗教學的重要工具之一，為培養合格的鐵路信號技術人才做出更大的貢獻。

參考文獻

[1] 程英鴿，賀園園，劉石，等．虛擬仿真技術在交通工程專業人才培養中的應用探索[J]．時代汽車，2021（22）：55-56．

[2] 黃濤，胡佳恒，付佩．虛擬仿真實驗在材料力學課程教學改革中的應用研究[J]．實驗科學與技術，2022（1）：34-38．

[3] 張紅濤，陳露露，譚聯，等．虛擬仿真類實驗教學資源省際高校共建共享的研究[J]．實驗技術與管理，2021（5）：26-28．

[4] 向亦斌．虛擬仿真技術在網絡信息安全實驗教學中的應用研究[J]．辦公自動化，2024（5）：28-30．