基于虛擬仿真的軌道車輛車鉤三態的實驗教學設計與實現

摘要：隨著計算機技術的快速發展，目前虛擬仿真技術已經成為“人工智能+”背景下實驗教學的一種有效手段。為此，文章在車輛工程實驗教學中，設計了基于虛擬場景的軌道結構認知與操作實驗，以提高學生對軌道車輛結構認知和現場實操能力。該實驗以虛擬車鉤三態作為研究對象，給出了從零部件三維造型、貼圖、三維場景建立到交互式控制的車鉤三態虛擬實驗的設計與實現過程。文章研究的虛擬實驗方法能滿足學生自主化協同實驗需求，有利于鍛煉學生工程實踐能力的提高，助力高校培養新工科人才。

關鍵詞：軌道車輛；車鉤三態；虛擬實驗；教學設計；unity3D

中圖分類號：U270.34 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）02-0001-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

2019 年 10 月，教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8 號） ，指明了教育部進一步推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合、加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用的發展導向。實驗教學是作為一種重要的教學方式，能夠更好地激發學生學習的興趣，使其掌握基礎知識，并培養學生手腦并用的能力。相比傳統的實驗教學，虛擬仿真實驗教學技術讓學生不受時空的限制，可同時容納大規模的學生操作，具有更好的交互性等特點，在各教學領域得到了廣泛的關注。

現階段，我國的軌道交通技術處于世界領先地位，對社會發展和經濟增長的推動發揮巨大作用，而軌道交通高層次人才的培養對軌道交通技術的發展起到關鍵作用。通過實踐能夠培養具備創新意識的高素質學生，鞏固其對軌道交通相關理論知識的認識和理解，培養學生掌握科學方法，提高實際操作能力。通過虛擬仿真實驗可以彌補現場實驗的不足，進一步豐富學生的認識和理解。因此，建設并利用好軌道交通專業人才培養的實踐平臺和條件，是繼續保持我們在軌道交通方面領先地位的一個重要舉措。

當前，新工科人才的培養目標要求高校的教學要實現從學習成果導向到目標導向（OBE理念） 轉變，培養科學、人文和工程三元融合的創新創業型高質量新時代人才。實驗教學在高等院校培養學生技術能力、創新創業能力起著的重要作用，但據統計，目前我國200多所高校都開設軌道交通相關專業，專業實驗教學存在成本高、耗時長等弊端，該專業的實驗教學改革成為學者們研究的重要課題。近年來，3D 可視化軟件和虛擬仿真技術日新月異，為高等學校專業課程的實驗教學提供了新思路新方法。陳雙喜[1]提出了一套基于轉向架數字孿生體的軌道車輛動力學實踐教學系統。該系統采用孿生數據進行實驗教學改革有利于直觀展示車輛動力學性能動態變化，有效實現了培養學生解決實際工程的能力的目標。石曉玲[2]采用虛擬仿真技術改革軌道車輛強度課程的實驗教學，并提出“基礎-專業-創新-人文”四層次的實驗教學方法，該方法一方面降低了實驗成本，另一方面提高了學生的工程實踐能力，激發了學生科學探索精神，有利于培養學生的敬業精神。李曉鵬[3]基于 Unity 3D 技術研發構建了包括軌道車輛駕駛、設備拆裝、檢修工藝流程等虛擬仿真實驗教學資源庫，為大型軌道交通實驗設備仿真提供很好的參考。由此可見，通過虛擬仿真實驗的形式在實驗教學環節可以發揮較好的作用，為當前的實驗教學改革提供一種思路。

基于以上情況，選取了軌道交通實驗對象，在分析當前課程實驗的重點和難點基礎之上，提出基于虛擬仿真技術改革實驗教學的方法。在虛擬仿真實驗中將建立CAD模型并設計其裝配關系，基于Unity3D 技術、虛擬現實平臺構建開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，根據學生實驗效果反饋再優化和改進虛擬實驗。將該虛擬仿真實驗教學方法應用于實驗教學過程中，通過對督導、學生反饋意見收集以及課程教學反思自我評價，以分析虛擬仿真實驗教學改革的效果和持續改進方法。

1 當前教學中存在的問題

軌道車輛的相關理論及應用是軌道交通專業人才培養的重要部分，且其中包含了大量的現場實踐環節，如轉向架的制造、裝配及調試相關的現場實踐，通常需要組織學生跨省到軌道交通裝備制造企業，因此存在效率低、成本高等諸多問題，同時存在特殊情況下難以成行的情況。在專業課程中，車輛工程是一門實踐性較強的關于軌道車輛設計及檢修技術的課程，該課程實驗教學核心是讓學生掌握軌道車輛相關設計的相關理論、方法和工具的應用，讓學生掌握軌道車輛設備結構原理及檢修工藝流程。然而，該課程實驗教學還面臨著學生對車輛內部結構認識不足、實驗教學中學生操作耗時長以及難以重復進行操作等問題，具體表現如下：

① 軌道車輛涉及構造車輛結構、機械振動理論、輪軌接觸原理、理論力學多個學科專業知識。采用傳統文字、圖片的方式難以讓學生對車輛的各部分具體構造有直觀認識。而采用實體設備進行實驗實訓存在實驗場地空間需求大、建造周期長以及實驗成本高等難以解決的困難。

② 目前的實踐教學中采用實體實驗的教學方式，學生在上機操作時，由于學生人數較多，以45 名學生的教學班計算，全班同學做完一次實驗耗時近20個學時，因此實驗教學效率極其低下。另外為保證實驗安全性，選取的實驗項目類型固定且操作流程簡單，因此，無法對學生進行全方位訓練，難以達到預期的教學效果。

③ 傳統的實驗教學教學方法，軌道車輛類型復雜，不同車輛的組成結構存在差異性。由于實驗成本、實驗場地和安全隱患等方面的問題，因此，許多高校開放性的實驗數量較少，且學生實驗結束之后難以有再次操作的機會。難以培養學生的工程實踐能力、創新創業能力，不利于實現新工科人才的培養目標，無法滿足當前國家需要大量的高素質現代化人才的需求。

如果借用先進的計算機圖形學、語音識別、圖像識別、VR/AR技術，建成真實感及交互性很強的轉向架制造、裝備及調試的虛擬實踐條件，不僅可以豐富教學方法及手段，培養學生實驗興趣和提高軌道車輛實踐實驗的培養質量。因此面向車輛工程課程的實驗教學，采用虛擬仿真技術可以生動形象地展示軌道車輛一些關鍵設備實際構造結構以及技術原理，使學生能夠對軌道車輛的構特點、結構體系，形成較生動清晰的感性認知，激發學習熱情。有利于虛擬仿真技術在軌道交通領域的應用推廣，為一些軌道交通實驗設備仿真資源的建設提供了有益的參考。

2 軌道車輛車鉤三態的實驗教學設計與實現

2.1 虛擬實驗的選取

在軌道車輛教學的相關實驗較多，且虛擬實驗包括驗證型實驗、設計型實驗、創新型實驗三類。其中，驗證型實驗以展示及驗證軌道車輛的理論知識為主，如轉向架等軌道車輛結構認知實驗。設計型實驗需要設計詳細的實驗步驟，希望學生根據實驗步驟和個人操作得到相關實驗結果，以達到深刻理解實驗規律的目的。創新型實驗要求學生根據提供的實驗模塊進行自由組合，從而在實驗中探索出新發現。前面二類服務于教學需求，第三類滿足學生對科技創新實驗的需要。

本研究選取驗證型及設計型開展虛擬實驗研究的初步嘗試，車端連接裝置是車輛中重要的部件組合，裝置的主要功能包括連接機車車輛、減緩列車的縱向沖擊、傳遞列車電力等[4]，其中車鉤又是車端連接裝置的主要部件，讓學生理解車鉤的結構和動作原理是主要教學目標之一，車鉤三態又是教學的難點，如何通過虛擬實驗協助實現教學目標具有重要意義，因此在下一節重點介紹車鉤三態的虛擬實驗設計和實現過程。

2.2 虛擬實驗的設計與實現

車鉤得三態是指車鉤得鎖閉、開鎖和全開三種位置狀態。在虛擬實驗中，車鉤的鎖閉狀態是通過將鉤鎖鐵底部放置在鉤頭內表面上實現的，鉤鎖鐵的一側被鉤頭內壁阻擋，另一側擋住鉤舌尾部，從而使鉤舌在鉤頭內無法繞鉤舌銷旋轉。當車鉤處于鎖閉狀態時，移動鉤鎖鐵，使其下端與鉤舌尾部設置在一個平面內，鉤鎖鐵不再阻礙鉤舌的旋轉。在這種情況下，如果實驗學生通過施加牽引力移動鉤舌，就能使其繞鉤舌銷旋轉，從而實現開鎖。當車鉤處于開鎖位置后，實驗者繼續牽引鉤提桿，使鎖提銷繼續往上提升，鉤鎖鐵的頂部被鉤頭內肩阻擋而使得鉤鎖鐵向后轉動，帶動鉤舌推鐵，使推鐵轉動，鉤舌繞鉤舌銷轉開成全開狀態[5]。

虛擬實驗場景以VR頭盔展現，通過手柄進行視圖控制和交互。通過三維建模軟件SolidWorks建立車鉤組件鉤頭、鉤舌、鉤鎖鐵等三維模型，其爆炸圖如圖1所示。將三維模型導出為STEP格式的文件，在3DMAX軟件中對車鉤部件三維模型進行瀏覽以及貼圖處理，以FBX文件格式導出處理好的車鉤部件，導入Unity3D虛擬仿真開發平臺[6]。

將車鉤的每個部件，作為獨立游戲對象（GameOb?ject） 導入后，為每個部件添加相應的交互式控制腳本，通過手柄控制每個部件的選中、平移、旋轉等操作。選中待拆解部件，然后跟隨手柄移動，實現車鉤部件的拆解[7]。以下函數實現了選定部件在手柄控制下的移動。

void OnMouseDown（）

{

var deviceright = SteamVR_Controller. Input（（int）tracked.index）;

//當前物體對應的屏幕坐標

Vector3 screenVec = Camera.main.WorldToScreen?Point（transform.position）;

//偏移值=物體的世界坐標，減去轉化之后的鼠標世界坐標（z軸的值為物體屏幕坐標的z值）

Vector3 vMouse = new Vector3（Input. mousePosi?tion.x， Input.mousePosition.y， screenVec.z）

m_Offset = transform. position - Camera. main.ScreenToWorldPoint（vMouse）;

while（deviceright. GetPress（SteamVR_Controller.ButtonMask.Touchpad））

{

Vector2 cc = deviceright.GetAxis（）;

float angle = VectorAngle（new Vector2（1， 0）， cc）;

if （angle gt; 45 amp;amp; angle lt; 135）

{

//當前坐標等于轉化鼠標為世界坐標（z軸的值為物體屏幕坐標的z值） + 偏移量

Vector3 vMouseN = new Vector3（Input.mousePosi?tion.x， Input.mousePosition.y， screenVec.z）

transform.position = Camera.main.ScreenToWorld?Point（vMouseN） + m_Offset;

}}}

在組裝部件時，通過編程來確保每個部件正確地連接在一起。例如，可以在鉤舌的控制器中添加一個連接點，并在連接點附近放置一個可連接的部件（如鉤舌銷） 。在可連接部件移動過程中，判斷與連接點的距離，如果小于指定值，則說明裝配成功，重新設置可連接部件的坐標為初始坐標，完成部件組裝[8]。

void Update（）

{

float step = Speed*Time.deltaTime（）;

gameObject. transform. localPosition = Vector3.Movetowards（gameObject. transform. localPosition， con?nectPoint， step）;

}

為了保證兩車鉤能夠實現自動連掛，在車輛連掛之前，須使其中的一個鉤處于全開位置，鉤舌張開。當車鉤在閉鎖位置或開鎖位置時，在車鉤提桿部件腳本中，通過手柄狀態的判斷，控制其沿著重力方向移動指定距離，同時上鎖銷、上鎖銷桿對象帶動鉤鎖對象上升至指定位置，獲得鉤舌推鐵對象，并通過其自身的軸橫向旋轉，推動鉤舌推鐵的另一端向前推動鉤舌尾部，從而使鉤舌對象圍繞鉤舌銷對象旋轉，使鉤舌開并達到全開位置。

連掛車輛時，一方車鉤處于全開位置，另一方車鉤處于閉鎖位置，兩車接近時，通過Unity3D的碰撞檢測功能判斷前后車鉤的鉤舌已接觸后，全開位置的鉤舌尾部被另一方鉤舌推動，在控制腳本中，按一定的時間間隔，控制鉤舌對象以鉤舌銷為軸旋轉。轉動到一定位置，即鉤舌尾部完全進入溝頭內腔時，控制鉤鎖、上鎖銷，上鎖銷桿沿著重力方向移動，實現車鉤鎖閉過程的展示（如圖2） 。

3 實驗教學改革成效

中南大學交通運輸大類專業開設車輛工程課程，其中交通設備與控制工程專業《軌道車輛》作為專業核心課程，運用文章提出教學改革措施，經過近3年來在專業教學實踐中，取得了顯著成效。首先，從課程考試結果上，總體平均分不斷提高，另外優秀等級（90分以上） 和良好等級（80～89分） 人數比例逐步提高，低分段（60～69分） 和不及格（60分以下） 人數比例逐漸減少。

與此同時，通過參與虛擬仿真實驗，學生對學科和專業知識的掌握進一步加深，學生參與專業競賽的積極性不斷提高。近3年來學生在大學生交通科技大賽上取得的成績不斷提高，多次獲得國家一等獎，其中2023 年的一等獎作品《一種新型軌道列車協調組合式時序吸能裝置》即是學生在參與虛擬仿真實驗時獲得的啟發，并利用虛擬仿真的形式完成了相關裝置的設計。

通過學生的總體反饋、督導聽課點評和同行交流等，課程的實驗教學改革獲得了一致的好評。其中，有了虛擬仿真實驗輔助課堂教學，使老師的講解和學生的學習變得更輕松；老師在課堂中可以更直觀地對相關結構和工作原理進行解釋說明，學生通過觀察或者觀看相關的模型對教學內容有更深刻的認識。通過學生參與模型的設計和優化，提高了學生課堂以及課后對該課程的參與度，使學生整合所學的知識并充分發揮創新能力，加深了對產品設計的理解。實驗課堂的教學氣氛更活躍，學生參與度更高，課程的教學目標也得到一定的提升。

4 結束語

實驗教學一直是高等學校教育體系的重要組成部分。通過實驗教學，可以培養學生的創新思維、實踐能力以及分析和解決問題的能力。與此同時，為了更好地滿足當前國家對高素質、具有創新思維的人才培養的需求，我們不斷努力改進和拓展實驗教學的方法和內容。為了滿足現階段國家對于高素質人才的培養，實驗教學逐漸成為高等學校教育體系的重要組成，借助實驗教學培養學生的創新思維、實踐能力、分析解決問題的能力。特別地，近些年國家對于人才素質的要求逐漸增高，實驗教學內容的重點逐漸向綜合型和設計型改變，特別是通過引進虛擬實驗，以實現實驗教學變革。

在線上課程的實驗中，學生可以依據個人學習能力安排學習內容，并根據個人學習能力自主安排實驗進度，促使學生自主學習的范圍不斷擴展，學生在學習過程中的主體地位顯著提高；且通過虛擬仿真實驗既能夠鍛煉學生的獨立自主學習能力，同時也能鍛煉多人協同學習能力。然而，要充分實現以上提及的新型實驗教學模式的前提是具備數量和質量并存的虛擬實驗。但是目前，虛擬實驗的開發和設計仍然存在技術問題。如何才能設計開發出內容科學、實時和交互功能強、參數變更靈活的虛擬實驗，是當前虛擬實驗教學中亟待解決的一個問題。

參考文獻：

[1] 陳雙喜.基于數字孿生的軌道車輛動力學實踐教學探索[J].

[2] 石曉玲，王向玲，王曉蕾，等.虛擬仿真在軌道車輛強度課程

[3] 李曉鵬，張嘉鷺，張林.基于虛擬仿真技術的軌道交通專業實驗教學資源建設研究[J].科技風，2022（18）：144-146，153.

[4] 孟亞東.軌道車輛結構與原理[M].北京：清華大學出版社，2019.

[5] 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程[M].3版.北京：中國鐵道出版社，2008.

[6] 甘志梅，高偉，魏志祥，等.基于Unity3D的汽車起動機虛擬拆裝實訓系統開發[J].安陽工學院學報，2023，22（2）：48-51，63.

[7] 陳業航， 夏騰輝.基于Unity3D的數控車床拆裝虛擬仿真實驗課程探究[J]. 教育觀察， 2023， 12（4）：78-81.

[8] 闞研.基于Unity3D的測控類虛擬仿真實驗技術研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

【通聯編輯：王 力】

基金項目：教育部產學合作協同育人項目（項目編號：220602772242133） ；中南大學學位與研究生教育教學改革研究項目