基于虛擬仿真的人工智能技術在鐵道車輛教學方面的應用

摘要：聚焦于將基于虛擬仿真的人工智能技術融入鐵道車輛教學領域的應用研究。首先，簡要介紹了虛擬仿真技術和人工智能技術的核心概念，并深入探討了這兩項先進技術在鐵道車輛專業(yè)教育中的應用優(yōu)勢。在此基礎上，提出了一套具體的實施路徑，旨在通過創(chuàng)新的教學模式來提升鐵道車輛專業(yè)的教學質(zhì)量，促進該領域教育的高質(zhì)量發(fā)展。

關鍵詞：虛擬仿真技術；人工智能技術；鐵道車輛教學

一、前言

隨著鐵路交通的迅猛發(fā)展，鐵道車輛教學的戰(zhàn)略重要性日益凸顯。然而，在傳統(tǒng)教學模式下，鐵道車輛教學面臨著一系列顯著挑戰(zhàn)。例如，實驗設備成本高昂、實驗環(huán)境受限以及實際操作難度大等問題逐漸顯現(xiàn)，不僅制約了教學質(zhì)量的提升，也對學生的實踐能力培養(yǎng)構成了障礙[1]。在此背景下，學校亟須探索新的教學方法來克服這些局限性。

近年來，現(xiàn)代化數(shù)字技術的廣泛應用為教育領域帶來了革新機遇，尤其是在鐵道車輛教學中，教師們開始利用虛擬仿真（Virtual Simulation，VS）技術和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術，構建三維虛擬世界，使學生在沉浸式的環(huán)境中學習和實踐[2]。通過這種方式，不僅可以增強學生的操作技能，還能激發(fā)他們對專業(yè)知識的興趣，提高學習效果。

二、VS技術概述

VS技術是指利用計算機生成一個模擬真實世界的三維環(huán)境，該環(huán)境能夠重現(xiàn)物理特征和行為模式，從而支持實驗、訓練或演示等活動。根據(jù)不同的應用場景和技術特點，VS技術主要可以分為以下幾種類型：

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術：VR技術通過佩戴專門設計的頭戴式顯示器、手柄等交互設備，讓用戶完全沉浸在由計算機創(chuàng)建的三維環(huán)境中。

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術：AR技術將虛擬元素疊加到用戶的現(xiàn)實視圖之上，通常借助智能手機、平板電腦或其他配備攝像頭的智能設備實現(xiàn)。

混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）技術：MR技術結合了VR和AR的優(yōu)點，它允許虛擬物體出現(xiàn)在現(xiàn)實世界中并與現(xiàn)實世界互動，創(chuàng)造出一種全新的視覺體驗。

交互式模擬（Interactive Simulation，IS）技術：IS技術依賴于計算機設備來模擬現(xiàn)實世界中的物理過程或行為，并允許用戶通過輸入裝置進行實時互動。

數(shù)值仿真（Numerical Simulation，NS）技術：NS技術基于數(shù)學模型和計算方法，用于預測和優(yōu)化復雜系統(tǒng)的性能。通過對實際物理現(xiàn)象建立精確的數(shù)學描述，研究人員可以在計算機上運行大量實驗以評估不同條件下的系統(tǒng)表現(xiàn)。

三、AI技術概述

AI作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力量，是指由人類設計并制造的機器或系統(tǒng)，能夠模擬、擴展人類的感知、理解、推理、決策、學習及創(chuàng)造等智能行為。根據(jù)智能水平的不同，AI可以分為以下幾個層次：

弱人工智能（Narrow AI），是指在特定領域或任務中表現(xiàn)出人類智能的機器或系統(tǒng)。

強人工智能（General AI），是指能夠在多個不同領域執(zhí)行各種任務，且其表現(xiàn)可以達到或超過人類智能水平的機器或系統(tǒng)。

超人工智能（Superintelligence），是指在所有認知任務上都遠超最聰明的人類大腦的機器智能。

現(xiàn)階段，AI技術的發(fā)展主要集中在弱AI領域，通過不斷優(yōu)化算法模型和技術框架來提高現(xiàn)有系統(tǒng)的性能。例如，在鐵道車輛教學中，基于虛擬仿真平臺的人工智能技術可以幫助學生更好地理解和掌握復雜的機械結構和操作流程。

四、基于VS的AI技術在鐵道車輛教學應用的優(yōu)勢

將VS與AI技術相結合，為鐵道車輛教學帶來了顯著的變革。這種融合不僅克服了傳統(tǒng)教學模式中的諸多局限，還通過創(chuàng)新的教學方式提升了學生的參與度和學習效果[3]。以下是基于VS和AI技術在鐵道車輛教學中應用的主要優(yōu)勢。

（一）突破時間和空間的限制

利用基于VS的AI技術，教師可以為學生創(chuàng)建一個不受時間、地點約束的學習環(huán)境。虛擬實訓場地的建立有效解決了鐵道車輛教學中設備昂貴、場地受限等問題。此外，該技術可以根據(jù)學生的學習特點和作息規(guī)律靈活調(diào)整，允許學生根據(jù)自己的進度選擇合適的時間進行學習。

（二）提升安全性和降低風險

在鐵道車輛的教學過程中，尤其是涉及電氣裝置檢修等實訓環(huán)節(jié)時，存在著一定的安全隱患。例如，“鐵道車輛電氣裝置檢修”課程中存在觸電風險，“鐵道車輛機械裝置檢修”課程則可能遇到跌倒或砸傷等情況[4]。通過引入基于VS的AI技術，學生可以在完全虛擬的安全環(huán)境中進行模擬操作，無需擔心物理傷害的風險。

（三）強化教學內(nèi)容的可擴展性

借助VS和AI技術支持下的教學平臺，教師可以在講解理論知識的同時進行實時模擬演示，幫助學生更直觀地理解復雜的鐵道車輛構造及其檢修方法。同時，學生還可以自主模擬故障情景并嘗試解決，這一過程不僅激發(fā)了他們的學習興趣，也促進了批判性思維的發(fā)展。

（四）貼合時代發(fā)展的需求

基于VS的AI技術通過互聯(lián)網(wǎng)+網(wǎng)絡和計算機設備對鐵道車輛運行狀況進行精準模擬，并能適時模擬故障檢修情境。這種方式不僅讓學生更好地適應未來的工作環(huán)境，而且確保他們所學的知識始終緊跟行業(yè)最新發(fā)展動態(tài)[5]。教師也可以借此機會及時更新教材內(nèi)容，避免信息滯后的問題，滿足不同層次學生的學習需求，為他們將來順利進入職場打下堅實的基礎。

五、基于VS的AI技術鐵道車輛教學路徑

（一）“3層級”實訓教學模式

在鐵道車輛教學中，學校為學生構建了專門的基于VS的AI技術實訓基地，并配備了相關設備和平臺，豐富了教學資源。通過對照不同實訓項目的特征，將傳統(tǒng)的教室教學逐漸轉(zhuǎn)向VS實訓場地，按照“以實帶虛”“以虛助實”“虛實結合”的“3層級”原則，建立了高仿真、多角度的實訓教學環(huán)境，實現(xiàn)了實訓教學模式的根本轉(zhuǎn)變，如圖1所示。

1.以實帶虛—輔助認知

在“以實帶虛”階段，針對鐵道車輛教學領域中自成體系、相對獨立且公共性強的實訓課程內(nèi)容，學校將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上純虛擬的VS實訓教學資源，并對其進行調(diào)整、優(yōu)化和創(chuàng)新，創(chuàng)建“理論—虛擬—實踐”相結合的教學模式，輔助基礎教學。例如，在教授“動車組車頂高壓電氣設備一級修”時，由于涉及復雜問題，如高空作業(yè)的安全風險和空間狹窄導致的觀察不便，合理利用移動資源確保“以實帶虛”實訓教學的順利實施。教師可以親自示范操作，示范結束后指導學生進行練習，幫助學生更好地理解和掌握操作技能。

2.以虛助實—加深理解

在“以虛助實”階段，對于鐵道車輛教學中的難點問題，借助VS實訓模塊和軟件，遵循虛擬互動教學流程，有針對性地指導學生開展訓練，提高他們的實踐能力。例如，在“接觸網(wǎng)零部件裝配實訓項目”中，通過VS和AI技術的應用，采用增強現(xiàn)實（AR）引學、仿真訓練、技能考核和實物裝配等手段，使學生能夠更加深入地了解相關知識和技術細節(jié)，從而加深對難點的理解和掌握。

3.虛實結合—強化技能

在“虛實結合”階段，學校與企業(yè)合作，共同開發(fā)活頁式AR實訓指導書，添加VS資源二維碼，并融入新技術和新工藝，同步更新教學內(nèi)容，方便學生自主學習，提高學生對未來工作崗位的認知能力和實際操作技能。這種結合不僅增強了學生的動手能力，還為他們提供了真實工作場景的模擬體驗，為未來的職業(yè)發(fā)展打下了堅實的基礎。

（二）虛擬資源與實訓平臺建設

在鐵道車輛教學過程中，實訓室的建設和優(yōu)化是至關重要的環(huán)節(jié)。實訓室不僅為學生提供了模擬未來工作環(huán)境的學習場地，而且有助于理論知識與實踐操作的有效結合。通過引入基于VS的AI技術，可以顯著提升實訓室的功能性和靈活性，解決傳統(tǒng)實訓室存在的場地不足、設備成本高昂等問題，從而更好地滿足現(xiàn)代教育的需求。

1.提供多元化的實訓項目

利用VS和AI技術支持下的虛擬實訓平臺，學校能夠為學生提供更加多樣化且富有挑戰(zhàn)性的實訓項目。例如，虛擬組裝、拆卸及檢修等項目可以讓學生在虛擬環(huán)境中完成復雜的機械操作，檢驗自身對鐵道車輛構造和檢修技術的理解程度。這些項目不僅可以幫助學生鞏固課堂上學到的理論知識，還能培養(yǎng)他們的實際動手能力和解決問題的能力[6]。

2.解決傳統(tǒng)實訓室的局限性

傳統(tǒng)的鐵道車輛實訓室往往受到空間和預算的限制，難以配備足夠的設備供所有學生使用。而基于VS的AI技術則可以通過軟件模擬的方式創(chuàng)建無限數(shù)量的虛擬設備和場景，徹底解決這一問題。學生不再受限于物理空間或設備數(shù)量，可以在任何時間、地點接入系統(tǒng)進行學習和訓練。

3.模擬真實的工作環(huán)境

為了讓學生更好地適應未來的職場需求，基于VS的AI技術構建的虛擬實訓平臺力求高度還原真實的鐵道車輛工作環(huán)境。從車體結構到內(nèi)部組件，從日常維護到緊急搶修，每一個細節(jié)都被精心設計，確保學生獲得最貼近實際的操作體驗。

（三）助力“三教”改革

1.教師：提升教學水平與個性化指導

通過構建雙師型師資隊伍，基于VS的AI技術為教師提供了先進的輔助工具。教師能夠根據(jù)現(xiàn)實生活中的鐵道車輛檢修場景，利用該技術模擬相應的檢修情景，使教學內(nèi)容更加生動、趣味化。同時，這項技術支持下的情境模擬創(chuàng)造了更多的實訓機會，不受地域和時間的限制，教師和學生可以隨時隨地進行實踐訓練[7]。

2.教材：促進內(nèi)容創(chuàng)新與資源多元化

基于VS的AI技術，教材得以不斷創(chuàng)新，以適應快速發(fā)展的鐵道技術和行業(yè)需求。這些技術幫助教師模擬真實的工作場景，豐富了教材的內(nèi)容形式，使得學生不僅可以通過傳統(tǒng)文本學習理論知識，還能通過虛擬環(huán)境進行實踐操作，強化學生動手能力和專業(yè)知識。

3.教法：增強互動性與優(yōu)化教學模式

引入基于VS的AI技術優(yōu)化了教學方法，增強了鐵道車輛教學的互動性和趣味性。例如，在“鐵道車輛機械裝置檢修”課程中，教師可以通過大屏幕展示不同類型的車輛內(nèi)部結構，并使用VS系統(tǒng)指導學生進行組裝、拆卸和檢修等實踐活動。這種沉浸式學習體驗不僅提高了學生的動手能力和創(chuàng)新能力，還增強了他們的學習體驗感。教師還可以設計不同的故障情境，讓學生在模擬環(huán)境中開展診斷和維修工作，過程中及時提供反饋和指導，指出錯誤并給予改正建議，以此提高學生處理實際問題的能力。

（四）在學科競賽中的應用

鐵道車輛教學在學校教育中占據(jù)重要地位，將基于VS的AI技術應用于該領域，不僅能夠促進教學成果的專業(yè)化，還能顯著提升教學質(zhì)量。具體而言，這些技術在教師和學生競賽中的應用表現(xiàn)出以下優(yōu)勢。

1. 教師技能大賽的應用

技能大賽為教師提供了展示和提升自身能力的平臺，極大地調(diào)動了他們的積極性和創(chuàng)新性。比賽中，教師利用VS和AI技術為學生設計更加生動有趣的教學內(nèi)容，尤其是在理論課堂教學中，這種技術的應用吸引了學生的注意力，營造了互動性強的教學氛圍，潛移默化地提高了學生的學習能力和效果，進而使教師在教學技能大賽中取得優(yōu)異成績。

2.學生競賽的應用

學校根據(jù)學生近期的學習情況，組織各類富有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的比賽活動，如“互聯(lián)網(wǎng)+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設計大賽”和“仿真創(chuàng)新應用大賽”等。這些競賽幫助學生快速構建VS模型，開展模擬實驗，確保所設計的項目具備實際操作性。教師積極鼓勵學生參與上述比賽活動，讓學生在競賽平臺上展示自己的創(chuàng)新成果，進一步提高學生的專業(yè)技能。

（五）完善教學評價

教學評價是鐵道車輛教學過程中至關重要的環(huán)節(jié)，通過科學合理的評價機制，教師可以全面了解學生的學習情況和發(fā)展需求。為了確保評價體系的公平性和公正性，在實施評價之前，必須制定統(tǒng)一且透明的評價標準，確保全校師生能夠清晰理解評價標準及其過程，不僅增強了評價的可信度，也為教師和學生提供了明確的行為導向。

針對教師的評價應與職位晉升和工作績效緊密掛鉤，以此規(guī)范教師的教學行為，激勵他們不斷提升教學質(zhì)量。通過建立一套完善的教師評價體系，學校可以有效地促進教師的專業(yè)成長，推動教學水平的整體提升。

對于學生的評價應采用多元化的評價方法，包括但不限于教師評價、學生互評、課堂表現(xiàn)評價等，不應僅依賴期末考試成績，還應重視綜合評價，包括知識掌握、技能應用和創(chuàng)新能力等方面。這種全面的評價方式有助于促進學生的全面發(fā)展，培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)。

六、結語

綜上所述，基于虛擬仿真的人工智能技術在鐵道車輛教學中的應用，不僅革新了傳統(tǒng)的教學模式，還顯著提升了教學質(zhì)量與學生的學習體驗。通過構建三維虛擬環(huán)境，教師能夠模擬真實的工作場景，使學生在沉浸式學習中掌握復雜的檢修技能，增強了學生的動手能力和創(chuàng)新意識。此外，雙師型師資隊伍的建設、教材與教學方法的優(yōu)化以及“3層級”實訓教學模式的應用，共同推動了鐵道車輛教育的專業(yè)化和現(xiàn)代化進程。學科競賽的應用則進一步激發(fā)了師生的積極性與創(chuàng)新能力，促進了教學成果的轉(zhuǎn)化。完善的教學評價體系確保了評價的公平性和透明度，為教師和學生的共同發(fā)展提供了有力保障。未來，隨著VS和AI技術的不斷進步，鐵道車輛教學將繼續(xù)探索更多可能性，培養(yǎng)出更多適應行業(yè)需求的高素質(zhì)專業(yè)人才，推動鐵道車輛領域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。這一系列改革措施不僅為職業(yè)教育注入了新的活力，也為我國交通運輸事業(yè)的發(fā)展奠定了堅實基礎。

參考文獻

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基金項目：1.2023年度柳州市教師隊伍建設理論與實踐研究課題“虛擬仿真類技能大賽促進教師隊伍成長的研究”（項目編號：2023RSA-09）；2.柳州教育科學規(guī)劃2023年度職業(yè)教育課題“虛擬仿真技術賦能職業(yè)教育三教改革的研究與實踐”（項目編號：2023ZJC070）；3.柳州教育科學規(guī)劃2023年度職業(yè)教育課題“面向軌道交通產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)場工程師培養(yǎng)探索與實踐——以中國-馬來西亞鐵路工匠學院為例”（項目編號：2023ZJB012）

作者單位：柳州鐵道職業(yè)技術學院

責任編輯：張津平 尚丹