虛擬仿真技術(shù)在鐵道機(jī)車運用與維護(hù)實訓(xùn)平臺的應(yīng)用
——以受電弓檢修為例

李長留,李建龍

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 451460）

0 引言

軌道交通車輛檢修是一項將工藝標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在真車上的復(fù)雜性工作，其實際采用的工藝流程和作業(yè)方式方法具有復(fù)雜性、多樣性、不確定性特點。到目前止，對軌道交通車輛檢修方法的優(yōu)化，主要建立在檢修經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，主要依靠以往的經(jīng)驗對檢修過程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，具有較大的局限性。這個局限性在老車型的檢修方面，體現(xiàn)得不是很明顯。但是，在全新車型的軌道車輛檢修方面體現(xiàn)得特別明顯。針對新車型，僅憑以往的檢修經(jīng)驗進(jìn)行作業(yè)，顯得力不從心，亦不利于檢修方法的傳承與創(chuàng)新。

該文擬采用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型與虛擬影像相結(jié)合，將軌道交通車輛檢修過程信息化、三維化、可視化，能夠更加形象深刻地將工藝標(biāo)準(zhǔn)、工藝流程、作業(yè)方式方法等借助虛擬仿真終端作為媒介進(jìn)行虛擬現(xiàn)實展示，使學(xué)員能夠直觀、身臨其境地在企業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行觀摩與學(xué)習(xí)。

1 虛擬仿真技術(shù)簡介

1.1 概念

虛擬仿真技術(shù)又稱為計算機(jī)仿真的虛擬仿真，是指利用計算機(jī)生成三維動態(tài)現(xiàn)實，動態(tài)逼真地模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為，以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過程和行為。最早的應(yīng)用是在軍事領(lǐng)域，如洲際導(dǎo)彈的開發(fā)、阿波羅登月計劃和核電站的運營。直到20 世紀(jì)70 年代中期，虛擬仿真技術(shù)開始向民用領(lǐng)域延伸，從20 世紀(jì)80年代開始，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它被廣泛地應(yīng)用于人們生產(chǎn)和生活的各個方面，如儀器儀表、虛擬制造、電子產(chǎn)品設(shè)計、仿真培訓(xùn)等[1]。仿真技術(shù)現(xiàn)已成為解決重大工程問題的必要手段，并逐漸形成了一門交叉科學(xué)，成為認(rèn)識客觀世界的一種重要方法。

1.2 優(yōu)勢

一是資金使用產(chǎn)出比高。若使用大量資金購買真車上的受電弓裝備，因其設(shè)備容易損壞和老化，并需要定期維護(hù)，增加了教學(xué)的運用成本[2]；然而如果使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇?，就無須購買真車上的受電弓設(shè)備，并且可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)建不同的仿真環(huán)境。二是具有良好的靈活性。虛擬仿真教學(xué)不受場地限制，使教學(xué)過程不再抽象。學(xué)生還可以利用虛擬仿真平臺靈活練習(xí)和反復(fù)練習(xí)教學(xué)難點。三是它具有很高的新穎性。學(xué)生可以在虛擬仿真環(huán)境中從不同角度觀察受電弓模型，學(xué)習(xí)前沿科學(xué)研究和新知識，有助于激發(fā)他們的創(chuàng)造力。四是交互式[3]。與傳統(tǒng)的內(nèi)容和知識表示形式（如文本、圖像和視頻）相比，虛擬模擬的最大特點是用戶可以互動，并作為提高教學(xué)、培訓(xùn)和練習(xí)效果的有效手段，解決訓(xùn)練和演習(xí)中的“三高”（高危險、高成本、高污染）“四難”（難看到、難動作、難進(jìn)入、難再現(xiàn)）問題。

2 虛擬仿真技術(shù)在鐵道機(jī)車運用與維護(hù)實訓(xùn)平臺開發(fā)與運用中的必要性

2.1 理論意義與學(xué)術(shù)價值

虛擬仿真技術(shù)在軌道交通車輛檢修方面的教學(xué)應(yīng)用，國內(nèi)外研究可參考的相關(guān)案例文獻(xiàn)較少。通過該文的研究，對于虛擬仿真技術(shù)在軌道交通車輛檢修領(lǐng)域的教學(xué)應(yīng)用方面具有重要的理論研究意義。

2.2 實踐意義與應(yīng)用價值

第一，通過該文的研究，總結(jié)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到軌道交通車輛檢修課程的教學(xué)內(nèi)容原則、策略及實現(xiàn)途徑，在人才培養(yǎng)計劃框架內(nèi)改革和創(chuàng)新教學(xué)模式、方法和手段，將有效激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)者的專業(yè)技能，對學(xué)習(xí)者的個人成長和社會需求具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。第二，打破時空制約，節(jié)省成本，提高教學(xué)效果。目前情況下，受電弓調(diào)試等實踐環(huán)節(jié)無法有效開展，主要受制于設(shè)備、場地、經(jīng)費等硬件條件。虛擬仿真技術(shù)的介入，可以徹底打破空間和時間的限制，學(xué)習(xí)者僅在簡單的實訓(xùn)室內(nèi)就可以做各種測試等實驗，獲得與真實受電弓實驗一樣的體會。在有效地確保教學(xué)效果的前提下，大大節(jié)約了成本[4]。第三，將對其他專業(yè)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)、改革教學(xué)模式起到良好的借鑒和參考作用。實施職業(yè)教育的正確途徑是讓學(xué)習(xí)者在職業(yè)工作情境中參與并實踐共同體的職業(yè)活動，從而掌握相應(yīng)的知識和技能。因此，職業(yè)教育信息化還必須涉及學(xué)習(xí)者在真實或虛擬工作環(huán)境中對工作意圖、知識和技能的主觀構(gòu)建，為工作任務(wù)提出基于信息的解決方案，使學(xué)習(xí)者在培養(yǎng)職業(yè)道德和身份認(rèn)同的同時，獲得和掌握工作過程及知識。學(xué)習(xí)者在典型的項目任務(wù)和工作過程中，在復(fù)雜的行動空間中具有一定程度的自由選擇權(quán)和行動權(quán)限。因此，在職業(yè)教育信息化的進(jìn)程中，必須立足于其特點和規(guī)律，利用信息技術(shù)為學(xué)習(xí)者在不同的工作環(huán)境中提供互動交流的學(xué)習(xí)媒介。

3 目前鐵道機(jī)車運用與維護(hù)專業(yè)實訓(xùn)存在的問題

（1）傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)注重基礎(chǔ)知識的講解，檢修技術(shù)的講授比較枯燥，檢修現(xiàn)場的作業(yè)過程停步于工藝文件，比較機(jī)械化、流程化，不容易發(fā)現(xiàn)不合理的地方，學(xué)生對知識的靈活應(yīng)用情況不足。

（2）專業(yè)教學(xué)實踐環(huán)節(jié)時間較短，一般為1~2 周，而實際檢修過程的耗時比較長，學(xué)習(xí)過程只能節(jié)選于軌道車輛檢修的某個階段，學(xué)生不能對整個軌道車輛檢修的過程形成整體認(rèn)識。

（3）學(xué)校自建軌道交通車輛檢修實訓(xùn)場地的投入成本較高，占地面積較大且可開展的實訓(xùn)項目及內(nèi)容很有限。這給學(xué)校的實踐教學(xué)基地的建設(shè)工作帶來很大挑戰(zhàn)。

（4）學(xué)校組織集中實習(xí)成本高，自主實習(xí)缺乏管理、危險性較大。學(xué)生在實習(xí)過程中，面臨自覺性不夠，工作單一，很多學(xué)生只是走個過場，并未深入，同時教師的監(jiān)管力度不夠，需要大量的精力、物力、財力的支撐。另外，學(xué)生初入社會安全警惕性不高，容易出現(xiàn)安全問題，造成安全隱患。

4 虛擬仿真技術(shù)在鐵道機(jī)車運用與維護(hù)實訓(xùn)臺開發(fā)與應(yīng)用的具體策略

4.1 傳統(tǒng)教學(xué)方式與虛擬仿真教學(xué)方式的高效融合

傳統(tǒng)教學(xué)方式優(yōu)點：能夠充分展現(xiàn)教師的主導(dǎo)地位，更好地管控課堂、組織學(xué)生，能夠快速地將教師想講授的知識傳達(dá)給學(xué)生。

傳統(tǒng)教學(xué)方式缺點：不能充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，學(xué)生容易產(chǎn)生一定的依賴性，對于抽象內(nèi)容不能直觀地進(jìn)行展示，不利于學(xué)生掌握和理解。

虛擬仿真教學(xué)則能夠很好地補(bǔ)充傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足之處，能夠充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性，真實、直觀地展現(xiàn)設(shè)備（例如受電弓）的機(jī)械組成和各種參數(shù)的動態(tài)變化過程，對學(xué)習(xí)者深刻理解掌握所學(xué)知識大有助益；但如果僅僅依靠虛擬仿真進(jìn)行教學(xué)，則不能達(dá)到最好的教學(xué)效果，主要是因為學(xué)習(xí)者的自律性、學(xué)習(xí)能力、理解能力不完全一致。這就需要揚長避短，將傳統(tǒng)教學(xué)模式與虛擬仿真教學(xué)方式高效、有機(jī)地結(jié)合起來，更好地提升教學(xué)質(zhì)量[5]。例如，在講解受電弓工作原理時，教師可事先將PPT 課件、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻等資源上傳至大學(xué)生MOOC 中，讓學(xué)習(xí)者進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，幫助學(xué)生吸收理論知識，然后運用虛擬仿真技術(shù)直觀地講解受電弓的機(jī)械組成、氣路過程及電路路徑，接著讓學(xué)生在三維虛擬仿真的環(huán)境中自由探索受電弓的機(jī)械組成、氣路過程及電路路徑并進(jìn)行實踐操作，從而產(chǎn)生比較好的教學(xué)效果。

4.2 平臺開發(fā)的思路和方法

對照課程標(biāo)準(zhǔn)，以職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)和教學(xué)管理為目標(biāo)，構(gòu)建教學(xué)實訓(xùn)資源和管理平臺，創(chuàng)建鐵道機(jī)車運用與維護(hù)專業(yè)受電弓檢修平臺。按照課程標(biāo)準(zhǔn)中的知識目標(biāo)、能力目標(biāo)的要求，劃分知識點。在教學(xué)實施過程中，利用虛擬仿真技術(shù)把知識點在虛擬的環(huán)境中展示和演示出來，使學(xué)生能夠直觀、方便地在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)受電弓機(jī)械組成、電路工作原理、氣路流通路徑及檢修方法。依托虛擬仿真演練平臺，完成對教學(xué)過程中的數(shù)據(jù)收集，通過教學(xué)評價進(jìn)行教學(xué)反思與改進(jìn)。如圖1 所示。

圖1 思路示意圖

4.3 平臺開發(fā)的研究方法

（1）文獻(xiàn)研究法。收集虛擬仿真技術(shù)在鐵道機(jī)車運用與維護(hù)專業(yè)受電弓檢修方面應(yīng)用的基本理論，以及鐵道機(jī)車運用與維護(hù)專業(yè)受電弓檢修相關(guān)課程資源建設(shè)方面的參考文獻(xiàn)，了解和掌握課題研究領(lǐng)域行業(yè)最新應(yīng)用情況，為整體方案的設(shè)計提供基礎(chǔ)。

（2）比較研究法。通過比較虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)外其他行業(yè)及職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)劣，借鑒已有的先進(jìn)經(jīng)驗與方法，結(jié)合當(dāng)前我國職業(yè)教育在鐵道機(jī)車運用與維護(hù)專業(yè)受電弓檢修職業(yè)教育課程中存在的問題，為課題的應(yīng)用研究提供先進(jìn)的理論指導(dǎo)和借鑒。

（3）案例研究法。該文以受電弓機(jī)械組成、電路工作原理、氣路流通路徑及檢修方法教學(xué)內(nèi)容為例，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，從而總結(jié)歸納出虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于鐵道機(jī)車運用與維護(hù)專業(yè)實踐教學(xué)的應(yīng)用策略、實現(xiàn)途徑、教學(xué)方法、課程體系與人才培養(yǎng)方案的有機(jī)融合策略及其評價方法。

4.4 平臺開發(fā)的技術(shù)路線

通過查閱大量技術(shù)文獻(xiàn)，參考混合現(xiàn)實技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究、增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在高職教學(xué)的中的相關(guān)成果，吸取有用的方法和建議；了解國內(nèi)外相關(guān)研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，以及實際應(yīng)用中的效果；通過團(tuán)隊成員的討論和調(diào)研，確定研究初步研究計劃和分工；研究鐵道機(jī)車運用與維護(hù)受電弓檢修課程的知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)，針對課程目標(biāo)梳理相應(yīng)知識點，研究分析在虛擬環(huán)境中的實現(xiàn)方法；開發(fā)交互程序腳本，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)所需要的知識點功能；結(jié)合虛擬仿真硬件設(shè)備實現(xiàn)開發(fā)功能，并進(jìn)行測試；修改并完善系統(tǒng)。如圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線圖

4.5 平臺開發(fā)達(dá)到的效果

鐵道機(jī)車運用與維護(hù)專業(yè)檢修課程中的受電弓檢修實訓(xùn)項目實現(xiàn)虛擬仿真，并移植到在線精品課中，學(xué)生通過在線虛擬仿真實訓(xùn)能熟練掌握鐵道機(jī)車運用與維護(hù)受電弓檢修的方法、工藝操作等技能。解決在線課程無法進(jìn)行實訓(xùn)的難題，預(yù)計對目標(biāo)技能的訓(xùn)練效果將達(dá)到實物實訓(xùn)效果的80%。專業(yè)教師6~8 名參與虛擬仿真課件的開發(fā)，熟練掌握課件開發(fā)的軟件和流程，打造一支鐵道機(jī)車運用與維護(hù)設(shè)備虛擬仿真實訓(xùn)課件開發(fā)的團(tuán)隊，為全面推行虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的運用奠定基礎(chǔ)。將實訓(xùn)中有關(guān)操作流程、操作要點等的訓(xùn)練和考核全部移到在線平臺上進(jìn)行，解決因?qū)嵱?xùn)設(shè)備不足，考位不夠，以上項點只能進(jìn)行抽考的難題，使考評效率大幅度地提升，再與實物的實訓(xùn)配合，顯著提升了實訓(xùn)的效果。

5 結(jié)語

該文通過虛擬仿真技術(shù)解決了在線課程無法進(jìn)行實訓(xùn)的難題，為理實一體化課程開展線上教學(xué)提供了解決方案。在線仿真實訓(xùn)不僅能完成相應(yīng)的訓(xùn)練，還能進(jìn)行考核，能對在線訓(xùn)練的效果及時評價，使教師能隨時了解學(xué)生的在線訓(xùn)練情況。在線虛擬仿真實訓(xùn)也是學(xué)校實訓(xùn)室訓(xùn)練的有力補(bǔ)充，能夠彌補(bǔ)鐵道機(jī)車運用與維護(hù)檢修所需設(shè)備大、占地面積大、投資大、實訓(xùn)設(shè)備有限，使得學(xué)生訓(xùn)練不足，考評多以抽考或筆試代替等明顯不足。通過在線訓(xùn)練和考核，完成對相應(yīng)技能中操作過程及操作要點的訓(xùn)練及鞏固，減少學(xué)生對實物設(shè)備的操作時間，提升實訓(xùn)室實訓(xùn)的效率，同時達(dá)到延長實物設(shè)備使用壽命的優(yōu)點。