虚拟仿真技术在铁道机车运用与维护实训平台的应用
——以受电弓检修为例

李长留,李建龙

（郑州铁路职业技术学院,河南 郑州 451460）

0 引言

轨道交通车辆检修是一项将工艺标准应用在真车上的复杂性工作，其实际采用的工艺流程和作业方式方法具有复杂性、多样性、不确定性特点。到目前止，对轨道交通车辆检修方法的优化，主要建立在检修经验的基础上，主要依靠以往的经验对检修过程进行调整和优化，具有较大的局限性。这个局限性在老车型的检修方面，体现得不是很明显。但是，在全新车型的轨道车辆检修方面体现得特别明显。针对新车型，仅凭以往的检修经验进行作业，显得力不从心，亦不利于检修方法的传承与创新。

该文拟采用虚拟仿真技术实现数据模型与虚拟影像相结合，将轨道交通车辆检修过程信息化、三维化、可视化，能够更加形象深刻地将工艺标准、工艺流程、作业方式方法等借助虚拟仿真终端作为媒介进行虚拟现实展示，使学员能够直观、身临其境地在企业现场进行观摩与学习。

1 虚拟仿真技术简介

1.1 概念

虚拟仿真技术又称为计算机仿真的虚拟仿真，是指利用计算机生成三维动态现实，动态逼真地模拟系统的结构、功能和行为，以及参与系统控制的人的思维过程和行为。最早的应用是在军事领域，如洲际导弹的开发、阿波罗登月计划和核电站的运营。直到20 世纪70 年代中期，虚拟仿真技术开始向民用领域延伸，从20 世纪80年代开始，随着计算机技术的发展，它被广泛地应用于人们生产和生活的各个方面，如仪器仪表、虚拟制造、电子产品设计、仿真培训等[1]。仿真技术现已成为解决重大工程问题的必要手段，并逐渐形成了一门交叉科学，成为认识客观世界的一种重要方法。

1.2 优势

一是资金使用产出比高。若使用大量资金购买真车上的受电弓装备，因其设备容易损坏和老化，并需要定期维护，增加了教学的运用成本[2]；然而如果使用虚拟仿真技术进行适当的代替，就无须购买真车上的受电弓设备，并且可以根据教学内容创建不同的仿真环境。二是具有良好的灵活性。虚拟仿真教学不受场地限制，使教学过程不再抽象。学生还可以利用虚拟仿真平台灵活练习和反复练习教学难点。三是它具有很高的新颖性。学生可以在虚拟仿真环境中从不同角度观察受电弓模型，学习前沿科学研究和新知识，有助于激发他们的创造力。四是交互式[3]。与传统的内容和知识表示形式（如文本、图像和视频）相比，虚拟模拟的最大特点是用户可以互动，并作为提高教学、培训和练习效果的有效手段，解决训练和演习中的“三高”（高危险、高成本、高污染）“四难”（难看到、难动作、难进入、难再现）问题。

2 虚拟仿真技术在铁道机车运用与维护实训平台开发与运用中的必要性

2.1 理论意义与学术价值

虚拟仿真技术在轨道交通车辆检修方面的教学应用，国内外研究可参考的相关案例文献较少。通过该文的研究，对于虚拟仿真技术在轨道交通车辆检修领域的教学应用方面具有重要的理论研究意义。

2.2 实践意义与应用价值

第一，通过该文的研究，总结将虚拟仿真技术应用到轨道交通车辆检修课程的教学内容原则、策略及实现途径，在人才培养计划框架内改革和创新教学模式、方法和手段，将有效激发学习者的学习兴趣，提高学习者的专业技能，对学习者的个人成长和社会需求具有很强的现实意义。第二，打破时空制约，节省成本，提高教学效果。目前情况下，受电弓调试等实践环节无法有效开展，主要受制于设备、场地、经费等硬件条件。虚拟仿真技术的介入，可以彻底打破空间和时间的限制，学习者仅在简单的实训室内就可以做各种测试等实验，获得与真实受电弓实验一样的体会。在有效地确保教学效果的前提下，大大节约了成本[4]。第三，将对其他专业应用虚拟仿真技术、改革教学模式起到良好的借鉴和参考作用。实施职业教育的正确途径是让学习者在职业工作情境中参与并实践共同体的职业活动，从而掌握相应的知识和技能。因此，职业教育信息化还必须涉及学习者在真实或虚拟工作环境中对工作意图、知识和技能的主观构建，为工作任务提出基于信息的解决方案，使学习者在培养职业道德和身份认同的同时，获得和掌握工作过程及知识。学习者在典型的项目任务和工作过程中，在复杂的行动空间中具有一定程度的自由选择权和行动权限。因此，在职业教育信息化的进程中，必须立足于其特点和规律，利用信息技术为学习者在不同的工作环境中提供互动交流的学习媒介。

3 目前铁道机车运用与维护专业实训存在的问题

（1）传统实训教学注重基础知识的讲解，检修技术的讲授比较枯燥，检修现场的作业过程停步于工艺文件，比较机械化、流程化，不容易发现不合理的地方，学生对知识的灵活应用情况不足。

（2）专业教学实践环节时间较短，一般为1~2 周，而实际检修过程的耗时比较长，学习过程只能节选于轨道车辆检修的某个阶段，学生不能对整个轨道车辆检修的过程形成整体认识。

（3）学校自建轨道交通车辆检修实训场地的投入成本较高，占地面积较大且可开展的实训项目及内容很有限。这给学校的实践教学基地的建设工作带来很大挑战。

（4）学校组织集中实习成本高，自主实习缺乏管理、危险性较大。学生在实习过程中，面临自觉性不够，工作单一，很多学生只是走个过场，并未深入，同时教师的监管力度不够，需要大量的精力、物力、财力的支撑。另外，学生初入社会安全警惕性不高，容易出现安全问题，造成安全隐患。

4 虚拟仿真技术在铁道机车运用与维护实训台开发与应用的具体策略

4.1 传统教学方式与虚拟仿真教学方式的高效融合

传统教学方式优点：能够充分展现教师的主导地位，更好地管控课堂、组织学生，能够快速地将教师想讲授的知识传达给学生。

传统教学方式缺点：不能充分发挥学生的自主性，学生容易产生一定的依赖性，对于抽象内容不能直观地进行展示，不利于学生掌握和理解。

虚拟仿真教学则能够很好地补充传统教学方式的不足之处，能够充分调动学习者的学习积极性，真实、直观地展现设备（例如受电弓）的机械组成和各种参数的动态变化过程，对学习者深刻理解掌握所学知识大有助益；但如果仅仅依靠虚拟仿真进行教学，则不能达到最好的教学效果，主要是因为学习者的自律性、学习能力、理解能力不完全一致。这就需要扬长避短，将传统教学模式与虚拟仿真教学方式高效、有机地结合起来，更好地提升教学质量[5]。例如，在讲解受电弓工作原理时，教师可事先将PPT 课件、网络教学视频等资源上传至大学生MOOC 中，让学习者进行课前预习，帮助学生吸收理论知识，然后运用虚拟仿真技术直观地讲解受电弓的机械组成、气路过程及电路路径，接着让学生在三维虚拟仿真的环境中自由探索受电弓的机械组成、气路过程及电路路径并进行实践操作，从而产生比较好的教学效果。

4.2 平台开发的思路和方法

对照课程标准，以职业素养培养和教学管理为目标，构建教学实训资源和管理平台，创建铁道机车运用与维护专业受电弓检修平台。按照课程标准中的知识目标、能力目标的要求，划分知识点。在教学实施过程中，利用虚拟仿真技术把知识点在虚拟的环境中展示和演示出来，使学生能够直观、方便地在虚拟环境中学习受电弓机械组成、电路工作原理、气路流通路径及检修方法。依托虚拟仿真演练平台，完成对教学过程中的数据收集，通过教学评价进行教学反思与改进。如图1 所示。

图1 思路示意图

4.3 平台开发的研究方法

（1）文献研究法。收集虚拟仿真技术在铁道机车运用与维护专业受电弓检修方面应用的基本理论，以及铁道机车运用与维护专业受电弓检修相关课程资源建设方面的参考文献，了解和掌握课题研究领域行业最新应用情况，为整体方案的设计提供基础。

（2）比较研究法。通过比较虚拟现实技术在国内外其他行业及职业教育领域的应用现状及优劣，借鉴已有的先进经验与方法，结合当前我国职业教育在铁道机车运用与维护专业受电弓检修职业教育课程中存在的问题，为课题的应用研究提供先进的理论指导和借鉴。

（3）案例研究法。该文以受电弓机械组成、电路工作原理、气路流通路径及检修方法教学内容为例，结合虚拟仿真技术，从而总结归纳出虚拟仿真技术应用于铁道机车运用与维护专业实践教学的应用策略、实现途径、教学方法、课程体系与人才培养方案的有机融合策略及其评价方法。

4.4 平台开发的技术路线

通过查阅大量技术文献，参考混合现实技术、虚拟现实技术研究、增强现实技术在高职教学的中的相关成果，吸取有用的方法和建议；了解国内外相关研究的现状及发展趋势，以及实际应用中的效果；通过团队成员的讨论和调研，确定研究初步研究计划和分工；研究铁道机车运用与维护受电弓检修课程的知识目标、能力目标和素质目标，针对课程目标梳理相应知识点，研究分析在虚拟环境中的实现方法；开发交互程序脚本，在虚拟环境中实现所需要的知识点功能；结合虚拟仿真硬件设备实现开发功能，并进行测试；修改并完善系统。如图2 所示。

图2 技术路线图

4.5 平台开发达到的效果

铁道机车运用与维护专业检修课程中的受电弓检修实训项目实现虚拟仿真，并移植到在线精品课中，学生通过在线虚拟仿真实训能熟练掌握铁道机车运用与维护受电弓检修的方法、工艺操作等技能。解决在线课程无法进行实训的难题，预计对目标技能的训练效果将达到实物实训效果的80%。专业教师6~8 名参与虚拟仿真课件的开发，熟练掌握课件开发的软件和流程，打造一支铁道机车运用与维护设备虚拟仿真实训课件开发的团队，为全面推行虚拟仿真技术在教学中的运用奠定基础。将实训中有关操作流程、操作要点等的训练和考核全部移到在线平台上进行，解决因实训设备不足，考位不够，以上项点只能进行抽考的难题，使考评效率大幅度地提升，再与实物的实训配合，显著提升了实训的效果。

5 结语

该文通过虚拟仿真技术解决了在线课程无法进行实训的难题，为理实一体化课程开展线上教学提供了解决方案。在线仿真实训不仅能完成相应的训练，还能进行考核，能对在线训练的效果及时评价，使教师能随时了解学生的在线训练情况。在线虚拟仿真实训也是学校实训室训练的有力补充，能够弥补铁道机车运用与维护检修所需设备大、占地面积大、投资大、实训设备有限，使得学生训练不足，考评多以抽考或笔试代替等明显不足。通过在线训练和考核，完成对相应技能中操作过程及操作要点的训练及巩固，减少学生对实物设备的操作时间，提升实训室实训的效率，同时达到延长实物设备使用寿命的优点。