虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在《動(dòng)車組故障診斷》教學(xué)中的應(yīng)用

李鵬 李永健 林群煦

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠模擬環(huán)境，建立多源信息融合的交互式三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為，具有沉浸性、交互性、想象性的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的動(dòng)車組故障診斷教學(xué)多基于課本，缺乏生動(dòng)形象場(chǎng)景，學(xué)生難以把握整體專業(yè)知識(shí)框架；教學(xué)資源匱乏，課堂多以教師枯燥無味講授為主，無法交給學(xué)生，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動(dòng)車組故障診斷教學(xué)可以提供動(dòng)車組構(gòu)造的虛擬仿真系統(tǒng)，三維構(gòu)建動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制和故障診斷動(dòng)態(tài)過程，使學(xué)生對(duì)故障部位、故障傳輸以及形成機(jī)理有身臨其境般的認(rèn)識(shí)，充分激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，活躍課堂氣氛，課堂教學(xué)重心也會(huì)向?qū)W生傾斜，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的課堂教學(xué)才能逐漸形成，最終改進(jìn)教學(xué)方法，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；動(dòng)車組故障診斷；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）27-0191-02

軌道交通車輛故障診斷是軌道交通車輛工程專業(yè)的一門核心專業(yè)課，該課程內(nèi)容繁多，涉及知識(shí)多，實(shí)踐性強(qiáng)。考慮到鐵路運(yùn)輸安全性，鐵路院校學(xué)生缺乏實(shí)車運(yùn)輸診斷的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)車體結(jié)構(gòu)以及故障診斷的基本流程沒有感性認(rèn)識(shí)。因此，傳統(tǒng)教學(xué)難以把課堂交給學(xué)生，無法使學(xué)生和教師形成對(duì)接，雖然教師付出了很大的努力進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生仍然無法把握重點(diǎn)，模棱兩可。在后期從事故障診斷檢修工作過程中，很難順利輕松完成整個(gè)作業(yè)過程，基于OBE理念以產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)目的無法實(shí)現(xiàn)。

一、動(dòng)車組故障診斷教學(xué)中存在的問題

1.學(xué)生缺乏整體專業(yè)知識(shí)框架的直觀接觸。雖然該課程是在學(xué)生掌握了基礎(chǔ)理論知識(shí)以及專業(yè)知識(shí)后開設(shè)的，學(xué)校最大程度地提供了整車的實(shí)物模型以及轉(zhuǎn)向架的拆裝課程，但課堂缺乏趣味性，學(xué)生缺乏直觀的認(rèn)識(shí)，僅僅面對(duì)枯燥無味密密麻麻的文字，無法提高興趣，專業(yè)知識(shí)掌握不夠。在故障診斷教學(xué)中，對(duì)車輛容易產(chǎn)生故障的部件了解就已經(jīng)產(chǎn)生很大障礙，再進(jìn)一步地掌握部件工作原理以及故障產(chǎn)生形式，就顯得力不從心，久而久之，課堂氣氛沉悶，學(xué)生積極性愈發(fā)受到挫傷，教師滿頭大汗反反復(fù)復(fù)地講解，并沒有達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2.教學(xué)資源匱乏。教學(xué)設(shè)備以及教學(xué)資源匱乏導(dǎo)致教學(xué)無法聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生不能直觀獲取知識(shí)。軌道交通車輛故障診斷課程所有的事實(shí)點(diǎn)都是圍繞對(duì)車輛各個(gè)部件動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的故障特征量進(jìn)行處理分析，得到可能導(dǎo)致故障的原因，動(dòng)態(tài)過程的模擬需要特定的教學(xué)設(shè)備完成，比如對(duì)走形部軸承的振動(dòng)診斷以及軸箱的溫度監(jiān)測(cè)等，需要采集動(dòng)態(tài)振動(dòng)數(shù)據(jù)以及車輛工作狀態(tài)下的溫度變化測(cè)量。而實(shí)際教學(xué)過程中，僅僅是依據(jù)教材中幾幅圖像以及相關(guān)結(jié)論，就完成整個(gè)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生無法探索其源，只是被動(dòng)接受，完全沒有積極主動(dòng)性。在后期從事相關(guān)方面工作時(shí)，往往不能靈活處理故障問題。

3.課堂無法交給學(xué)生。課堂教學(xué)以理論為主，對(duì)于一些生疏理論，學(xué)生只能被動(dòng)接受，則課堂教學(xué)仍然以傳統(tǒng)的知識(shí)導(dǎo)向?yàn)橹鳎虒W(xué)主軸依舊以教師為中心。真正做到把課堂交給學(xué)生需要學(xué)生能夠切身體會(huì)到故障診斷這門課程中涉及的故障產(chǎn)生機(jī)理，能夠真實(shí)觀察故障產(chǎn)生的現(xiàn)象，充分理解課本闡述的基本原理，這樣才能夠結(jié)合理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生才能深刻理解故障診斷的意義和作用，提高學(xué)習(xí)積極性。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的三方面優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有三方面的優(yōu)勢(shì)，能極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性：（1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新型的教學(xué)輔助技術(shù)，廣大學(xué)生在生活中接觸機(jī)會(huì)較少，因此能夠激發(fā)好奇心，從而積極參與；（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有強(qiáng)烈的沉浸感，帶來真實(shí)體驗(yàn)，能輔助學(xué)生獲得真實(shí)的觸感，加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)從而為掌握技能打下良好的基礎(chǔ)；（3）虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有良好的人機(jī)交互界面，構(gòu)筑了親切的學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)了人機(jī)交流，從而使學(xué)生在親切的學(xué)習(xí)環(huán)境中獲得良好的教學(xué)效果。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在故障診斷教學(xué)中的應(yīng)用

1.動(dòng)車組構(gòu)造的虛擬仿真系統(tǒng)。動(dòng)車組構(gòu)造是以三維互動(dòng)方式更加直觀地展現(xiàn)動(dòng)車組基本結(jié)構(gòu)和工作原理，且可進(jìn)行虛擬拆裝，拆裝主要包括兩種類型，即總成拆裝和零部件拆裝，課程中常用到的拆裝為走形部拆裝、牽引傳動(dòng)拆裝、車體拆裝等。動(dòng)車組構(gòu)造的虛擬仿真系統(tǒng)能夠以三維方式構(gòu)造動(dòng)車組的各個(gè)零部件以及裝配結(jié)構(gòu)，通過虛擬鼠標(biāo)的點(diǎn)擊選取以及移動(dòng)可以對(duì)任何一個(gè)小的零部件進(jìn)行放大，展現(xiàn)清晰三維圖像，同時(shí)還配備三維功能介紹模塊，對(duì)于各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)功能、尺寸都能展示給學(xué)生，學(xué)生也會(huì)以一種好奇積極的態(tài)度沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)課堂帶來的樂趣和知識(shí)中。課堂教學(xué)重心也會(huì)向?qū)W生傾斜，課堂氣氛也會(huì)更加活躍，學(xué)生更加容易理解掌握知識(shí)，在實(shí)際工作中會(huì)更加容易上手，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)理念才能夠真正發(fā)揮到實(shí)處。

2.動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制虛擬仿真。網(wǎng)絡(luò)控制關(guān)系到動(dòng)車組故障診斷的信息傳送，是動(dòng)車組故障診斷課程一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)于非電類專業(yè)學(xué)生，網(wǎng)絡(luò)控制理解障礙較大，課堂教學(xué)更是難以入手，動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制虛擬仿真一方面以三維模型展示動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠展示每一根網(wǎng)絡(luò)的名稱、功能，還可以根據(jù)動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)模式，逐層構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，給予學(xué)生直觀形象的展示；另一方面，網(wǎng)絡(luò)控制虛擬仿真系統(tǒng)能夠有效模擬故障信號(hào)的傳輸路徑，讓學(xué)生掌握動(dòng)態(tài)三維網(wǎng)絡(luò)，尤其掌握動(dòng)車組故障診斷信息如何通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行奶幚韱卧?/p>

3.動(dòng)車組故障診斷虛擬仿真。以動(dòng)車組走行部滾動(dòng)軸承故障診斷和牽引傳動(dòng)系統(tǒng)受電弓故障診斷為例進(jìn)行說明。首先，在滾動(dòng)軸承的故障診斷過程中，課堂教學(xué)難點(diǎn)在于滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的理解及故障形式，并且對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的形成也是一知半解，無法追其源，在實(shí)際工作過程中，無法深刻理解振動(dòng)信號(hào)的形成原理。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠以動(dòng)態(tài)形式展示滾動(dòng)軸承的振動(dòng)過程，同時(shí)虛擬振動(dòng)信號(hào)，能夠使學(xué)生形成一個(gè)整體的振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生及分析的思路，同時(shí)可以改變故障參數(shù)，分析不同情況下的振動(dòng)信號(hào)，了解滾動(dòng)軸承振動(dòng)產(chǎn)生的本質(zhì)。受電弓故障診斷教學(xué)難點(diǎn)于，由于接觸網(wǎng)的高壓特性，很難實(shí)際模擬及觀看受電弓的工作過程，受電弓離線過程的各種現(xiàn)象無法模擬。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)首先能夠三維動(dòng)態(tài)模擬弓網(wǎng)接觸、受電弓離線、動(dòng)車組運(yùn)行等各個(gè)過程，充分激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。受電弓離線故障過程造成的阻抗增大、電壓減小、電流減小、火花、紫外光等現(xiàn)象也可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示給學(xué)生，學(xué)生、老師之間可以更多互動(dòng)交流，枯燥無味的課堂就會(huì)變得積極活躍。

四、結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和視覺技術(shù)的飛速發(fā)展，能夠展示三維真實(shí)場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將成為軌道交通車輛專業(yè)教學(xué)的重要手段。課堂多媒體教學(xué)與虛擬仿真結(jié)合，《動(dòng)車組故障診斷》課程的教學(xué)將會(huì)變得多元化和立體化，教學(xué)效果將大大改善，課堂重心將向?qū)W生偏移。學(xué)生可以完全沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)課堂帶來的真實(shí)感和視覺享受，將會(huì)更加直觀、感性地掌握知識(shí)。目前，盡管虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備成本較高，價(jià)格昂貴，虛擬現(xiàn)實(shí)課堂教學(xué)尚不能普及。但隨著各類芯片的國產(chǎn)化、VR技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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