虛擬仿真技術(shù)在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)中的實踐探究

萬軍 屈霞

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；創(chuàng)新能力；軌道交通；課程教學(xué)；創(chuàng)新實踐

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是大學(xué)生能力培養(yǎng)的重要目標(biāo)，為此各高校在課程設(shè)置改革、加強(qiáng)創(chuàng)新實踐等方面采取了一系列措施。課程設(shè)置上，各高校普遍增設(shè)了專門的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程，旨在使學(xué)生掌握創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)所需的基本知識，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維。在創(chuàng)新實踐方面，積極鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目、各類學(xué)科競賽，較好的提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。但學(xué)生參與面窄，往往重點僅限于少部分優(yōu)秀學(xué)生。部分學(xué)校將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育視為“精英教育”[1]。

課程教學(xué)仍是目前我國高等教育的最主要形式。在課程教學(xué)過程中，既傳授學(xué)生專業(yè)知識，又培養(yǎng)其實踐技能，教學(xué)內(nèi)容的質(zhì)量直接影響著大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。因此，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力必須從課堂教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容改革入手。本文以常州大學(xué)軌道交通信號與控制專業(yè)為例，圍繞著面向城市軌道交通企業(yè)需要，以提高學(xué)生創(chuàng)新能力為教學(xué)目標(biāo)，探索和實踐了虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)改革中的應(yīng)用。

1 現(xiàn)有課程教學(xué)對于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的不足之處

培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力，既要讓學(xué)生掌握具備創(chuàng)新所需要的知識，又要激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，同時還要開展一定的訓(xùn)練創(chuàng)新能力的創(chuàng)新實踐。

軌道交通信號與控制專業(yè)培養(yǎng)以軌道交通產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)為主，能在軌道交通相關(guān)的信號系統(tǒng)、通信和控制等領(lǐng)域從事研究、設(shè)計、開發(fā)和管理等工作的創(chuàng)新應(yīng)用型人才。在專業(yè)課程教學(xué)方面，存在著以下不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的問題：

1） 傳統(tǒng)課程教學(xué)難以調(diào)動學(xué)生的興趣

目前專業(yè)課程教學(xué)仍以課堂講授為主。傳統(tǒng)教學(xué)方法是在課堂上圍繞書本內(nèi)容進(jìn)行理論講解，再在實驗室進(jìn)行設(shè)備實物的操作。在大多數(shù)專業(yè)課堂教學(xué)中，授課模式缺乏直觀性，未能有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。各課程之間聯(lián)系應(yīng)用講解較少，缺少實用性和知識交叉性，學(xué)生缺乏專業(yè)系統(tǒng)化思維能力。

2） 創(chuàng)新訓(xùn)練條件不足

軌道交通信號與控制專業(yè)課程中采用的實驗設(shè)備往往占地面積大，價格昂貴。區(qū)別于電子技術(shù)、單片機(jī)原理等課程實驗中學(xué)生人手一套實驗設(shè)備的情況，本專業(yè)課程學(xué)生實驗時往往是多人一組共同操作，實驗也以驗證性內(nèi)容為主，很難在此條件下滿足綜合創(chuàng)新性實踐活動。近年來由于疫情的發(fā)生，原本與校外企業(yè)和高校開展的產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人項目也受到較大影響。

2 虛擬仿真技術(shù)課程教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用

虛擬仿真技術(shù)是一種借助于多媒體、人機(jī)交互等多種計算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建類似實物的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象的新興技術(shù)。該技術(shù)最大優(yōu)勢在于能夠打破時間與空間的限制[3]，提高設(shè)計的直觀性和真實性，無須購置實驗器材。針對軌道交通類課程，虛擬仿真技術(shù)可以在課堂教學(xué)、課程實驗教學(xué)和綜合實踐環(huán)節(jié)等完整的培養(yǎng)鏈中得到循序漸進(jìn)式的應(yīng)用。

2.1 融入虛擬仿真提升理論教學(xué)

在課堂教學(xué)方面，將虛擬仿真技術(shù)融入課堂教學(xué)可以使理論學(xué)習(xí)變得生動形象[4]。一方面，針對信號與系統(tǒng)、自動控制原理等諸如此類的課程，教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜抽象，數(shù)學(xué)公式較多，通過仿真軟件的應(yīng)用可生動地展示驗證原理和結(jié)果；另一方面，虛擬仿真可構(gòu)造出實物模型，讓學(xué)生學(xué)習(xí)時有感性的認(rèn)識。例如轉(zhuǎn)向架是城市軌道交通信號相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)備，是車輛最主要的組成部分之一，鑒于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過多媒體制作工具開發(fā)出轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)，可給學(xué)生清晰地展示轉(zhuǎn)向架的各部分結(jié)構(gòu)，并分析功能。虛擬仿真技術(shù)融入課堂教學(xué)能夠在很大程度上激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的興趣[5]，提高課堂教學(xué)的效果。

2.2 通過虛擬仿真彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗不足

通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了類似真實實驗室的虛擬實踐環(huán)境，可以擺脫真實物理設(shè)備的約束，并在實驗過程中靈活地進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新性設(shè)計活動。例如，車站信號自動控制是軌道交通信號與控制專業(yè)本科生的專業(yè)核心必修課程，講授內(nèi)容主要包括車站信號控制系統(tǒng)概述、繼電器聯(lián)鎖系統(tǒng)、選擇組電路、執(zhí)行組電路和計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)等。本課程完全采用計算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)進(jìn)行課程實驗，能夠使得學(xué)生詳細(xì)地進(jìn)行道岔操作、調(diào)車作業(yè)、引導(dǎo)進(jìn)路、引導(dǎo)總鎖閉接車、模擬行車以及模擬信號設(shè)備故障等各類操作與練習(xí)，教師還可靈活地設(shè)計課程配套的創(chuàng)新性實驗項目，學(xué)生也可自主進(jìn)行實驗設(shè)計及改進(jìn)。

2.3 應(yīng)用虛擬仿真開展創(chuàng)新實踐

教師可借助于虛擬仿真平臺在專業(yè)理論課程、實踐類教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。在專業(yè)理論課程授課過程中，教師可以工程應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)為主線，針對工程項目中的實際問題，布置有一定深度與綜合性的課程項目，讓學(xué)生課后自行設(shè)計解決方案，融入創(chuàng)新思維。在實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中，布置虛擬仿真類或者虛擬仿真和實物驗證相結(jié)合課題。學(xué)生在仿真設(shè)計的過程中由于設(shè)計的需要，將主動去自學(xué)虛擬仿真軟件，拓展專業(yè)知識。目前，在常州大學(xué)軌道交通信號與控制專業(yè)開設(shè)的電子工藝實訓(xùn)、信號系統(tǒng)實訓(xùn)、硬件設(shè)計實訓(xùn)、軟件開發(fā)實訓(xùn)、通信電子實訓(xùn)和列車運(yùn)行控制實訓(xùn)等實踐課程中，均不同程度地應(yīng)用了虛擬仿真技術(shù)來開展教學(xué)。

3 虛擬仿真技術(shù)教學(xué)實施案例

筆者在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)課程教學(xué)的各環(huán)節(jié)融入虛擬仿真技術(shù)，較好地實現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。課程講授內(nèi)容包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)以及系統(tǒng)集成技術(shù)等。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能全面系統(tǒng)地掌握城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的原理、技術(shù)和應(yīng)用，并緊密結(jié)合工程應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生解決相應(yīng)實際問題的能力。課程中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的具體做法為：

3.1 開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對象多、涉及專業(yè)面廣，課程需要在40個學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握城市軌道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的原理、技術(shù)和應(yīng)用。本課程雖然以概念性描述為主，但如果課堂上講授僅僅是照本宣科，學(xué)生學(xué)起來枯燥乏味，課程內(nèi)容看似不難理解，但是由于缺少和實物以及實際應(yīng)用的結(jié)合，學(xué)生很難深層次理解和掌握，更無法談創(chuàng)新性應(yīng)用設(shè)計。

課程結(jié)合各種虛擬仿真軟件平臺，針對一些難以理解的監(jiān)控對象的構(gòu)造、工作原理，開發(fā)相應(yīng)的三維動畫演示應(yīng)用于課堂，增強(qiáng)了學(xué)生的直觀認(rèn)識，提高課堂教學(xué)的效果。以下結(jié)合屏蔽門系統(tǒng)知識點的教學(xué)來詳細(xì)說明。

屏蔽門安裝在地鐵站臺邊緣，將站臺公共區(qū)與隧道軌行區(qū)完全屏蔽。屏蔽門系統(tǒng)用于對屏蔽門進(jìn)行監(jiān)控，是地鐵車站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。屏蔽門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多種運(yùn)行模式，且需要和列車車門的聯(lián)動。為此通過3ds Max、Unity3D等軟件構(gòu)建屏蔽門與列車三維模型，編程開發(fā)綜合后備盤仿真界面，最終通過綜合后備盤的開關(guān)按鈕和信號指示燈來控制和顯示屏幕門的開、關(guān)狀態(tài)，圖1為自行開發(fā)的仿真軟件效果圖。課堂教授中，通過仿真軟件的人機(jī)交互界面，可直觀地設(shè)置各種工作方式。學(xué)生可清晰地觀察列車車門和屏蔽門的開閉情況。且可模擬設(shè)置開門故障、關(guān)門故障、火災(zāi)等多種故障模式，幫助觀察每一類故障發(fā)生時虛擬場景。

3.2 開展虛實結(jié)合的實驗

本課程實驗室采用了一套針對軌道交通實體監(jiān)控系統(tǒng)工程開發(fā)的專用系統(tǒng)集成與監(jiān)控平臺，該平臺底層子系統(tǒng)通過模型模擬和實物相結(jié)合的方式，構(gòu)架了車站級地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，互聯(lián)集成了環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等系統(tǒng)，開設(shè)的實物實驗包括綜合后備盤操作實驗、綜合監(jiān)控系統(tǒng)的單控和模式控制操作實驗、火災(zāi)手動和聯(lián)動操作類實驗、屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)實驗等。但現(xiàn)有的實物實驗過程中，受實驗設(shè)備、實驗時間等條件約束，多名學(xué)生為一組，且實驗內(nèi)容往往是驗證性實驗，學(xué)生訓(xùn)練不足。

為此，結(jié)合課程知識點設(shè)計了相關(guān)虛擬仿真實驗，如表1所示。虛擬仿真類實驗僅提出實驗功能需求，指導(dǎo)學(xué)生以計算機(jī)仿真軟件為基礎(chǔ)，自行搭建硬件平臺，開發(fā)軟件功能，靈活性大。

3.3 設(shè)計虛擬仿真課程訓(xùn)練項目

虛擬仿真課程訓(xùn)練項目可認(rèn)為是虛擬仿真課程實驗的深化，旨在訓(xùn)練學(xué)生實現(xiàn)一個完整小型的城市軌道綜合監(jiān)控系統(tǒng)項目開發(fā)全過程。課程項目的設(shè)置需要從實用化和工程化的角度出發(fā)，參考城市軌道交通行業(yè)里采用的真實的綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺功能，合理地將課程的知識模塊進(jìn)行系統(tǒng)性和連貫性的分析，并結(jié)合學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)。

例如電扶梯系統(tǒng)是環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中的一個組成部分，且實驗設(shè)備中一般沒有此實物展示?？紤]到學(xué)生已有PLC技術(shù)基礎(chǔ)，因此基于PLC和變頻器技術(shù)，可設(shè)計地鐵自動扶梯節(jié)能控制仿真系統(tǒng)項目。要求學(xué)生采用三相異步電機(jī)和變頻器控制扶梯的運(yùn)動，并實時檢測乘客的狀態(tài)來改變扶梯的運(yùn)行模式，整個運(yùn)行過程中扶梯的運(yùn)行狀態(tài)，包括變頻器狀態(tài)、運(yùn)行模式、運(yùn)行方向、警鈴狀態(tài)和扶梯速度等，能在觸摸屏監(jiān)視界面中實時顯示。圖2所示為學(xué)生自行設(shè)計的項目仿真運(yùn)行示意圖。通過本課程項目，較好地指導(dǎo)訓(xùn)練了學(xué)生綜合應(yīng)用多種專業(yè)知識，進(jìn)行創(chuàng)新思維的能力。

設(shè)計的虛擬仿真課程訓(xùn)練項目在開課初期提前下達(dá)。學(xué)生自主選擇某個項目并組建項目小組，人員3至5人。教師對項目用到的知識點進(jìn)行重點學(xué)習(xí)和研究，并對學(xué)生在項目設(shè)計過程中遇到的問題給予單獨的幫助。課程結(jié)束時，對項目進(jìn)行集中驗收，要求每一小組演示項目作品成果，并制作PPT進(jìn)行匯報答辯。虛擬仿真課程訓(xùn)練項目還可進(jìn)一步擴(kuò)展深化作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計課題。

4 結(jié)論

本文以學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，針對常州大學(xué)軌道交通信號與控制專業(yè)現(xiàn)有課程教學(xué)所存在的一般性不足之處，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的特點，探討了將虛擬仿真技術(shù)引入課程教學(xué)的實施方案。虛擬仿真的教學(xué)過程使得枯燥抽象的知識講解變得可視化、趣味化，創(chuàng)新實踐訓(xùn)練更便捷和低成本，從而靈活機(jī)動地創(chuàng)造了學(xué)習(xí)平臺和環(huán)境，有效地培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐能力。