虛擬仿真技術在學生創新能力培養教學中的實踐探究

萬軍 屈霞

關鍵詞：虛擬仿真技術；創新能力；軌道交通；課程教學；創新實踐

創新能力培養是大學生能力培養的重要目標，為此各高校在課程設置改革、加強創新實踐等方面采取了一系列措施。課程設置上，各高校普遍增設了專門的創新創業類課程，旨在使學生掌握創新創業所需的基本知識，培養學生創新創業思維。在創新實踐方面，積極鼓勵和指導學生參加創新創業訓練項目、各類學科競賽，較好的提高了學生的創新能力。但學生參與面窄，往往重點僅限于少部分優秀學生。部分學校將創新創業教育視為“精英教育”[1]。

課程教學仍是目前我國高等教育的最主要形式。在課程教學過程中，既傳授學生專業知識，又培養其實踐技能，教學內容的質量直接影響著大學生創新能力的培養[2]。因此，培養大學生的創新能力必須從課堂教學的教學內容改革入手。本文以常州大學軌道交通信號與控制專業為例，圍繞著面向城市軌道交通企業需要，以提高學生創新能力為教學目標，探索和實踐了虛擬仿真技術在課程教學改革中的應用。

1 現有課程教學對于創新能力培養的不足之處

培養大學生創新能力，既要讓學生掌握具備創新所需要的知識，又要激發學生專業學習的興趣，同時還要開展一定的訓練創新能力的創新實踐。

軌道交通信號與控制專業培養以軌道交通產業工程技術為主，能在軌道交通相關的信號系統、通信和控制等領域從事研究、設計、開發和管理等工作的創新應用型人才。在專業課程教學方面，存在著以下不利于學生創新能力培養的問題：

1） 傳統課程教學難以調動學生的興趣

目前專業課程教學仍以課堂講授為主。傳統教學方法是在課堂上圍繞書本內容進行理論講解，再在實驗室進行設備實物的操作。在大多數專業課堂教學中，授課模式缺乏直觀性，未能有效激發學習興趣。各課程之間聯系應用講解較少，缺少實用性和知識交叉性，學生缺乏專業系統化思維能力。

2） 創新訓練條件不足

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

2 虛擬仿真技術課程教學對學生創新能力培養的作用

虛擬仿真技術是一種借助于多媒體、人機交互等多種計算機技術，構建類似實物的虛擬實驗環境和實驗對象的新興技術。該技術最大優勢在于能夠打破時間與空間的限制[3]，提高設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，虛擬仿真技術可以在課堂教學、課程實驗教學和綜合實踐環節等完整的培養鏈中得到循序漸進式的應用。

2.1 融入虛擬仿真提升理論教學

在課堂教學方面，將虛擬仿真技術融入課堂教學可以使理論學習變得生動形象[4]。一方面，針對信號與系統、自動控制原理等諸如此類的課程，教學內容復雜抽象，數學公式較多，通過仿真軟件的應用可生動地展示驗證原理和結果；另一方面，虛擬仿真可構造出實物模型，讓學生學習時有感性的認識。例如轉向架是城市軌道交通信號相關基礎設備，是車輛最主要的組成部分之一，鑒于轉向架結構復雜，通過多媒體制作工具開發出轉向架虛擬仿真系統，可給學生清晰地展示轉向架的各部分結構，并分析功能。虛擬仿真技術融入課堂教學能夠在很大程度上激發學生對專業知識學習的興趣[5]，提高課堂教學的效果。

2.2 通過虛擬仿真彌補傳統實驗不足

通過虛擬仿真技術構建了類似真實實驗室的虛擬實踐環境，可以擺脫真實物理設備的約束，并在實驗過程中靈活地進行相應的創新性設計活動。例如，車站信號自動控制是軌道交通信號與控制專業本科生的專業核心必修課程，講授內容主要包括車站信號控制系統概述、繼電器聯鎖系統、選擇組電路、執行組電路和計算機聯鎖系統等。本課程完全采用計算機聯鎖仿真系統進行課程實驗，能夠使得學生詳細地進行道岔操作、調車作業、引導進路、引導總鎖閉接車、模擬行車以及模擬信號設備故障等各類操作與練習，教師還可靈活地設計課程配套的創新性實驗項目，學生也可自主進行實驗設計及改進。

2.3 應用虛擬仿真開展創新實踐

教師可借助于虛擬仿真平臺在專業理論課程、實踐類教學環節中應用虛擬仿真技術。在專業理論課程授課過程中，教師可以工程應用系統開發為主線，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，讓學生課后自行設計解決方案，融入創新思維。在實踐性教學環節中，布置虛擬仿真類或者虛擬仿真和實物驗證相結合課題。學生在仿真設計的過程中由于設計的需要，將主動去自學虛擬仿真軟件，拓展專業知識。目前，在常州大學軌道交通信號與控制專業開設的電子工藝實訓、信號系統實訓、硬件設計實訓、軟件開發實訓、通信電子實訓和列車運行控制實訓等實踐課程中，均不同程度地應用了虛擬仿真技術來開展教學。

3 虛擬仿真技術教學實施案例

筆者在城市軌道交通綜合監控系統課程教學的各環節融入虛擬仿真技術，較好地實現了培養學生創新能力的目的。課程講授內容包括綜合監控系統技術基礎、環境與設備監控系統、電力監控系統、火災報警系統、乘客信息系統、屏蔽門系統以及系統集成技術等。通過本課程的學習，使學生能全面系統地掌握城市軌道交通綜合監控系統的原理、技術和應用，并緊密結合工程應用，培養學生解決相應實際問題的能力。課程中應用虛擬仿真技術的具體做法為：

3.1 開發虛擬仿真教學資源

城市軌道交通綜合監控系統監控對象多、涉及專業面廣，課程需要在40個學時內讓學生全面系統地掌握城市軌道綜合監控系統的原理、技術和應用。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，學生學起來枯燥乏味，課程內容看似不難理解，但是由于缺少和實物以及實際應用的結合，學生很難深層次理解和掌握，更無法談創新性應用設計。

課程結合各種虛擬仿真軟件平臺，針對一些難以理解的監控對象的構造、工作原理，開發相應的三維動畫演示應用于課堂，增強了學生的直觀認識，提高課堂教學的效果。以下結合屏蔽門系統知識點的教學來詳細說明。

屏蔽門安裝在地鐵站臺邊緣，將站臺公共區與隧道軌行區完全屏蔽。屏蔽門系統用于對屏蔽門進行監控，是地鐵車站監控系統的重要組成部分。屏蔽門系統結構復雜，存在多種運行模式，且需要和列車車門的聯動。為此通過3ds Max、Unity3D等軟件構建屏蔽門與列車三維模型，編程開發綜合后備盤仿真界面，最終通過綜合后備盤的開關按鈕和信號指示燈來控制和顯示屏幕門的開、關狀態，圖1為自行開發的仿真軟件效果圖。課堂教授中，通過仿真軟件的人機交互界面，可直觀地設置各種工作方式。學生可清晰地觀察列車車門和屏蔽門的開閉情況。且可模擬設置開門故障、關門故障、火災等多種故障模式，幫助觀察每一類故障發生時虛擬場景。

3.2 開展虛實結合的實驗

本課程實驗室采用了一套針對軌道交通實體監控系統工程開發的專用系統集成與監控平臺，該平臺底層子系統通過模型模擬和實物相結合的方式，構架了車站級地鐵綜合監控系統的基本功能，互聯集成了環境與設備監控系統、火災報警系統、乘客信息系統等系統，開設的實物實驗包括綜合后備盤操作實驗、綜合監控系統的單控和模式控制操作實驗、火災手動和聯動操作類實驗、屏蔽門監控系統、乘客信息系統實驗等。但現有的實物實驗過程中，受實驗設備、實驗時間等條件約束，多名學生為一組，且實驗內容往往是驗證性實驗，學生訓練不足。

為此，結合課程知識點設計了相關虛擬仿真實驗，如表1所示。虛擬仿真類實驗僅提出實驗功能需求，指導學生以計算機仿真軟件為基礎，自行搭建硬件平臺，開發軟件功能，靈活性大。

3.3 設計虛擬仿真課程訓練項目

虛擬仿真課程訓練項目可認為是虛擬仿真課程實驗的深化，旨在訓練學生實現一個完整小型的城市軌道綜合監控系統項目開發全過程。課程項目的設置需要從實用化和工程化的角度出發，參考城市軌道交通行業里采用的真實的綜合監控系統平臺功能，合理地將課程的知識模塊進行系統性和連貫性的分析，并結合學生已有的知識基礎。

例如電扶梯系統是環境與設備監控系統中的一個組成部分，且實驗設備中一般沒有此實物展示。考慮到學生已有PLC技術基礎，因此基于PLC和變頻器技術，可設計地鐵自動扶梯節能控制仿真系統項目。要求學生采用三相異步電機和變頻器控制扶梯的運動，并實時檢測乘客的狀態來改變扶梯的運行模式，整個運行過程中扶梯的運行狀態，包括變頻器狀態、運行模式、運行方向、警鈴狀態和扶梯速度等，能在觸摸屏監視界面中實時顯示。圖2所示為學生自行設計的項目仿真運行示意圖。通過本課程項目，較好地指導訓練了學生綜合應用多種專業知識，進行創新思維的能力。

設計的虛擬仿真課程訓練項目在開課初期提前下達。學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行重點學習和研究，并對學生在項目設計過程中遇到的問題給予單獨的幫助。課程結束時，對項目進行集中驗收，要求每一小組演示項目作品成果，并制作PPT進行匯報答辯。虛擬仿真課程訓練項目還可進一步擴展深化作為學生的畢業設計課題。

4 結論

本文以學生創新能力培養為目標，針對常州大學軌道交通信號與控制專業現有課程教學所存在的一般性不足之處，充分發揮虛擬仿真技術的特點，探討了將虛擬仿真技術引入課程教學的實施方案。虛擬仿真的教學過程使得枯燥抽象的知識講解變得可視化、趣味化，創新實踐訓練更便捷和低成本，從而靈活機動地創造了學習平臺和環境，有效地培養了學生自主學習和創新實踐能力。