基于虛擬仿真技術(shù)的軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)研究

李曉鵬 張嘉鷺 張林

1.江蘇師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處 江蘇徐州 221008；2.江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221008；3.江蘇師范大學(xué)江蘇省大型科學(xué)儀器開放共享實(shí)驗(yàn)室 江蘇徐州 221008

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校培養(yǎng)技能型和創(chuàng)新型人才的重要途徑[1-2]。目前國內(nèi)已有200余所高校開設(shè)軌道交通相關(guān)專業(yè)，由于該專業(yè)實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長等原因，針對其實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)仍在探索之中，現(xiàn)階段的授課方式普遍依托理論教學(xué)，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)對軌道交通裝備的結(jié)構(gòu)特征形成感觀認(rèn)知，更難以掌握復(fù)雜的軌道車輛駕駛流程、車內(nèi)設(shè)備操作方法與故障維修方法[3-4]。因此，如何構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平，成為當(dāng)前軌道交通專業(yè)建設(shè)和發(fā)展過程中亟待解決的問題。

隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)為高等院校提供了全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段[5]。基于現(xiàn)代教育技術(shù)的虛擬仿實(shí)驗(yàn)資源已成為“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，可以在軌道交通專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮重要作用。本研究擬針對軌道交通專業(yè)實(shí)體實(shí)驗(yàn)存在的問題，探索虛擬仿真資源的內(nèi)容體系、建設(shè)方法和管理機(jī)制，為虛擬仿真技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的推廣應(yīng)用以及大型軌道交通實(shí)驗(yàn)設(shè)備仿真資源的建設(shè)提供參考。

1 實(shí)體實(shí)驗(yàn)存在的問題

江蘇師范大學(xué)軌道交通專業(yè)致力于培養(yǎng)具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的軌道車輛檢修技能型人才。依托書本授課等理論教學(xué)方式，學(xué)生難以快速掌握軌道車輛設(shè)備結(jié)構(gòu)原理及檢修工藝流程，而通過實(shí)體設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(實(shí)訓(xùn))教學(xué)則存在以下問題：

1.1 實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低

以江蘇師范大學(xué)軌道交通專業(yè)中的“動(dòng)車組模擬駕駛實(shí)驗(yàn)”為例，該實(shí)驗(yàn)時(shí)長為3學(xué)時(shí)，而受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量及實(shí)驗(yàn)場地的空間，每次參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生僅為6名，以50名學(xué)生的教學(xué)班計(jì)算，整班同學(xué)均參與一遍該實(shí)驗(yàn)的時(shí)長就已超過20學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率很低。而通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，學(xué)生可以在軟件中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練和自我考評，考評通過方能進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)。待到上機(jī)真實(shí)操作時(shí)，教師無須講解實(shí)體設(shè)備的操作流程和注意事項(xiàng)，學(xué)生可直接參照虛擬仿真資源的教學(xué)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效率顯著提高。

1.2 實(shí)體實(shí)驗(yàn)成本高昂

軌道交通實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格高昂，且適用于高等院校實(shí)踐教學(xué)的軌道交通相關(guān)設(shè)備須成套購置，一般由模擬駕駛臺(tái)、轉(zhuǎn)向架模型、牽引變流器模型、牽引變壓器模型、真空斷路器模型、受電弓模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型等二十余種軌道交通設(shè)備組成，其價(jià)格近300萬元；同時(shí)，其實(shí)驗(yàn)耗材和設(shè)備保養(yǎng)的費(fèi)用也價(jià)格不菲[6]。而通過虛擬仿真資源開展實(shí)驗(yàn)，可以減少實(shí)體設(shè)備及相應(yīng)耗材的購買數(shù)量，后期僅需進(jìn)行軟件升級、維護(hù)即可，可顯著減輕軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

1.3 實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳

在現(xiàn)階段的實(shí)踐教學(xué)中，因考慮到實(shí)體實(shí)驗(yàn)的耗材成本，學(xué)生即使有上機(jī)操作的機(jī)會(huì)，但操作時(shí)長往往較短，無法保證所實(shí)驗(yàn)成績的達(dá)標(biāo)率；且出于實(shí)驗(yàn)安全方面的考慮，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往類型固定且操作流程較為簡單，無法實(shí)現(xiàn)對學(xué)生動(dòng)車組檢修技能的全方位訓(xùn)練，教學(xué)效果不佳[7]。而通過虛擬仿真技術(shù)，可以讓學(xué)生針對多類型軌道車輛的駕駛、檢修、排障工藝流程進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，較之傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法優(yōu)勢明顯。

2 建設(shè)內(nèi)容

建設(shè)軌道交通專業(yè)虛擬仿真資源可以使參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限、實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足的限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)驗(yàn)和個(gè)性化實(shí)驗(yàn)，可有效解決傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的痛點(diǎn)。

2.1 建設(shè)“四位一體”虛擬仿真教學(xué)資源體系

本研究立足軌道交通領(lǐng)域，采用數(shù)字化虛擬仿真、VR全景展現(xiàn)、人機(jī)智能交互等先進(jìn)的教育信息化技術(shù)，以“軌道交通實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源”為中心，構(gòu)建“軌道車輛駕駛仿真”“軌道車輛檢修仿真”“軌道車輛裝配仿真”“軌道車輛故障仿真”等四個(gè)方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，各方面的教學(xué)資源涵蓋若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成“四位一體”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在建設(shè)過程中，以學(xué)校為建設(shè)主體，積極利用企業(yè)的開發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，系統(tǒng)建設(shè)與整合軌道交通專業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，建設(shè)軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。

2.2 搭建“三級聯(lián)動(dòng)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)

依托江蘇師范大學(xué)獲批的國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“高鐵列車一級檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，搭建基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)，對現(xiàn)有的異構(gòu)信息平臺(tái)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目加以整合和數(shù)據(jù)接入，依次建立軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐培訓(xùn)和科研服務(wù)虛擬仿真平臺(tái)。三個(gè)平臺(tái)功能聯(lián)動(dòng)、資源共享，形成一體化相互推動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐和科研的有機(jī)融合[8]。同時(shí)，在門戶網(wǎng)站基礎(chǔ)上，優(yōu)化平臺(tái)技術(shù)體系，建立統(tǒng)一的大規(guī)模在線開放共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備配置規(guī)范、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)要求、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理信息標(biāo)準(zhǔn)等，確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、軟硬件資源等各方面內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的無縫對接與互相支撐[9]。

2.3 構(gòu)建基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的在線共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本研究以Unity 3D為虛擬仿真資源開發(fā)平臺(tái)，SQL Server為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，采用Tomcat服務(wù)器對外提供Web服務(wù)及接口，同時(shí)基于B/S架構(gòu)(瀏覽器/數(shù)據(jù)庫)將所研發(fā)的虛擬仿真教學(xué)資源架設(shè)在高性能服務(wù)器中[10]。學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)時(shí)，不用下載傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)客戶端，直接使用火狐瀏覽器等即可在線訪問虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云資源。由于所有的客戶端只是瀏覽器，不需要做任何的維護(hù)，也不需要安裝任何其他軟件，最大限度地實(shí)現(xiàn)了資源共享的功能。

3 建設(shè)成效

江蘇師范大學(xué)已對軌道交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)進(jìn)行了深入探索，聯(lián)合南京先極、北京歐倍爾等軟件公司研發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共計(jì)6套，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)1個(gè)。基于以上教學(xué)資源開展實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力以及解決工程實(shí)際問題的能力顯著提升。近兩年，學(xué)生獲省級及以上技能大賽獎(jiǎng)項(xiàng)20余項(xiàng)、獲“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等獎(jiǎng)項(xiàng)10余項(xiàng)。

限于篇幅，本文僅將部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件資源簡述如下。

3.1 軌道交通一級檢修教學(xué)軟件

軌道交通一級檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、檢修操作、檢修報(bào)告四個(gè)模塊，可針對軌道交通車頂、車內(nèi)、車側(cè)、車底等部位進(jìn)行全方位檢修訓(xùn)練。在實(shí)踐教學(xué)中，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的在線預(yù)習(xí)、教學(xué)課件的在線查閱、檢修流程的虛擬學(xué)習(xí)與考核等功能。具體見圖1、圖2所示。

圖1 教學(xué)模塊界面

圖2 虛擬檢修界面

3.2 軌道交通模擬駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

軌道交通模擬駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)南京火車站建立仿真場景，針對國內(nèi)主流車型(CRH380A/B型動(dòng)車組)構(gòu)建正常駕駛環(huán)境、雨雪天氣駕駛環(huán)境、極端工況駕駛環(huán)境等三種學(xué)習(xí)模式，可對學(xué)生的列車駕駛技能以及應(yīng)對突發(fā)情況的能力進(jìn)行深度訓(xùn)練。具體見圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)登錄界面

圖4 模擬駕駛界面

3.3 轉(zhuǎn)向架裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

軌道交通轉(zhuǎn)向架虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、拖車轉(zhuǎn)向架的交互式虛擬裝配與檢修訓(xùn)練。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照S1000D設(shè)計(jì)規(guī)范開發(fā)，操作界面采用標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器窗口，主要包括系統(tǒng)功能區(qū)、導(dǎo)航區(qū)、主內(nèi)容顯示區(qū)、圖表顯示區(qū)等，界面簡潔，學(xué)生易于操作。具體見圖5、圖6所示。

圖5 系統(tǒng)主界面

圖6 虛擬裝配界面

結(jié)語

面向軌道交通專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對匱乏，且傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備教學(xué)成本高、教學(xué)效率較差、無法滿足“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

江蘇師范大學(xué)“軌道交通信號與控制”國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心基于Unity 3D技術(shù)研發(fā)出軌道車輛駕駛、拆裝、檢修工藝流程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，形成了“四位一體”的教學(xué)資源體系及“三級聯(lián)動(dòng)”的教學(xué)資源平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了軌道交通專業(yè)在線式虛擬仿真教學(xué)資源的深度開發(fā)。進(jìn)一步推進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，對解決目前軌道交通專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的弊端具有一定意義，并可為相關(guān)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)與共享提供參考。