“動(dòng)車組檢修”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建與學(xué)習(xí)指標(biāo)評價(jià)體系研究

張嘉鷺 李曉鵬 張 林

1.江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221008;2.江蘇師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處 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

高速鐵路是國家鐵路現(xiàn)代化水平的顯著標(biāo)志,近年來,我國高速鐵路建設(shè)日新月異。徐州作為淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市和全國重要的鐵路樞紐,高鐵行業(yè)發(fā)展迅速,所需人才與日俱增,加強(qiáng)車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng),是江蘇師范大學(xué)的重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。

車輛工程專業(yè)(動(dòng)車組方向)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)是提升學(xué)生動(dòng)手能力,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要手段[1]。目前,我校車輛工程課程體系中,“動(dòng)車組檢修”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐培訓(xùn)存在如下問題:真實(shí)平臺(tái)設(shè)備價(jià)格高昂,不適合開展多人多任務(wù)教學(xué),難以實(shí)現(xiàn)多人的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)訓(xùn)和考核;對涉及不可及或不可逆的操作,極端的環(huán)境,不可控天氣條件的檢修狀況難以進(jìn)行真實(shí)教學(xué)和研究[2-3]。因此,針對“動(dòng)車組檢修”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)勢在必行。

1 “動(dòng)車組檢修”課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系

車輛工程專業(yè)(動(dòng)車組方向)的課程體系包含“動(dòng)車組檢修”“列車總體與轉(zhuǎn)向架”“動(dòng)車組傳動(dòng)與控制”“動(dòng)車組牽引與制動(dòng)”等6門主要專業(yè)課程。其中,“動(dòng)車組檢修”是車輛工程專業(yè)的核心課程。該課程著重培養(yǎng)學(xué)生檢修維護(hù)動(dòng)車組和處理動(dòng)車組突發(fā)故障的能力,以滿足鐵路行業(yè)對動(dòng)車組檢修技術(shù)人員的強(qiáng)烈需求。

“動(dòng)車組檢修”課程的實(shí)踐性很強(qiáng),以我校為例,該課程的理論學(xué)時(shí)僅為24學(xué)時(shí),而實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)則達(dá)到了36學(xué)時(shí)。受限于實(shí)體設(shè)備的昂貴價(jià)格,為模擬動(dòng)車組的檢修工藝流程,“動(dòng)車組檢修”課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均需通過虛擬仿真教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目見表1所示。

表1 “動(dòng)車組檢修”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

2 動(dòng)車組檢修實(shí)驗(yàn)虛擬仿真的必要性

我校車輛工程專業(yè)致力于培養(yǎng)具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的動(dòng)車組檢修應(yīng)用型人才。依托傳統(tǒng)的書本授課、現(xiàn)場觀摩等教學(xué)方式,學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)掌握動(dòng)車組復(fù)雜的檢修工藝流程[4]。

若通過動(dòng)車組實(shí)體教學(xué)則存在以下問題:

2.1 動(dòng)車組實(shí)體實(shí)驗(yàn)不能模擬異常工況

動(dòng)車組在實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)受電弓無法升起、制動(dòng)異常、軸承燒毀等失效工況,此類工況雖極為少見,但在實(shí)際教學(xué)中卻要求學(xué)生牢固掌握,單純通過動(dòng)車組實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以模擬此類異常工況。而通過虛擬仿真技術(shù),則可以生動(dòng)再現(xiàn)動(dòng)車組檢修過程中各類失效工況,較之傳統(tǒng)教學(xué)方法優(yōu)勢明顯。

2.2 動(dòng)車組實(shí)體實(shí)驗(yàn)成本高昂

動(dòng)車組實(shí)體價(jià)格極為高昂,以目前最新車型“復(fù)興號”動(dòng)車組為例,其長編組車輛價(jià)格近4億元;建立較完善的動(dòng)車組檢修實(shí)訓(xùn)室需配備眾多的檢修輔助設(shè)備,如三層檢修作業(yè)平臺(tái)、超聲波探傷儀、輪對鏇修機(jī)床、帶軌道橋的架空軌道系統(tǒng)、盤型制動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)、專用加載試驗(yàn)臺(tái)等,這些檢修輔助設(shè)備的購置費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用也極為高昂;另外,由于動(dòng)車組單節(jié)車廂重量就已近40噸,若想對其進(jìn)行拆裝檢修作業(yè),需提供行車、龍門吊車等大型起重設(shè)備,且必須配套專用廠房,而上述條件,在實(shí)際教學(xué)中是很難滿足的。

2.3 動(dòng)車組實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低

若通過動(dòng)車組實(shí)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),受設(shè)備數(shù)量限制,單次受訓(xùn)學(xué)生僅為4名/臺(tái),每次實(shí)訓(xùn)時(shí)間要超過8學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)效率很低;且由于動(dòng)車組零部件之間配合精度極高,因此難以實(shí)現(xiàn)反復(fù)拆裝訓(xùn)練。而通過對動(dòng)車組虛擬仿真教學(xué)資源的在線共享,可突破時(shí)間和空間的限制,實(shí)現(xiàn)對學(xué)生大批量教學(xué)的目的,實(shí)驗(yàn)效率大幅提升[5]。

由此可見,借助虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)“動(dòng)車組檢修”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué),是最佳的教學(xué)方式。

3 建設(shè)思路與建設(shè)內(nèi)容

3.1 建設(shè)思路

在“動(dòng)車組檢修”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的框架設(shè)計(jì),江蘇師范大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)擬以建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化、信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn),按照“能實(shí)不虛、以虛補(bǔ)實(shí)”的思路,實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果,尤其對于那些涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作,以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,從實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、模式、內(nèi)容、方法手段等方面進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì),形成虛實(shí)互促互補(bǔ)、教研深度融合、輻射能力強(qiáng)的現(xiàn)代化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、經(jīng)濟(jì)、安全的實(shí)驗(yàn),解決長期困擾“動(dòng)車組檢修”課程實(shí)驗(yàn)的高成本、高消耗、高危險(xiǎn)性的難題[6-7]。同時(shí),擬基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的在線共享,深度滿足多學(xué)校和多地區(qū)共同開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要[8]。

3.2 建設(shè)內(nèi)容

3.2.1 研究建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)

參照《國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目技術(shù)接口規(guī)范》等指導(dǎo)性文件,深入對比目前主流的虛擬仿真資源開發(fā)引擎(如Unity 3D、Java 3D等),在實(shí)現(xiàn)資源在線性、共享性與接口規(guī)范性的前提下,確定“動(dòng)車組檢修”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),以我校車輛工程專業(yè)兩項(xiàng)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ),對不同專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源內(nèi)容體系的共性需求進(jìn)行歸納總結(jié),揭示其與真實(shí)實(shí)驗(yàn)三級實(shí)驗(yàn)類型(驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn))內(nèi)容體系之間的內(nèi)在聯(lián)系,構(gòu)建出滿足“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下不同學(xué)科實(shí)踐教學(xué)需求、具有普適性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目內(nèi)容體系標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 研究建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源體系

在前文所建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下,以“動(dòng)車組檢修實(shí)驗(yàn)教學(xué)”為中心,構(gòu)建“動(dòng)車組結(jié)構(gòu)原理實(shí)驗(yàn)”“動(dòng)車組一級檢修實(shí)驗(yàn)”“動(dòng)車組二級檢修實(shí)驗(yàn)”“動(dòng)車組故障診斷實(shí)驗(yàn)”“動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架檢修實(shí)驗(yàn)”等六個(gè)方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,形成滿足“動(dòng)車組檢修”課程大綱要求的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

3.2.3 研究建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的運(yùn)管機(jī)制

構(gòu)建科學(xué)高效的共建共享運(yùn)行機(jī)制,引入社會(huì)資源探索“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)”管理模式,促進(jìn)“動(dòng)車組檢修”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源優(yōu)化再生和持續(xù)提升,搭建科學(xué)的績效評價(jià)體系和完善的服務(wù)支撐體系。依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),對在線開放的“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施星級動(dòng)態(tài)評價(jià)制度,并考慮有償使用原則,最終建立“互補(bǔ)互利、成本均攤、服務(wù)有償、收益共享”的運(yùn)行模式。

3.3 建設(shè)成果

3.3.1 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)是高速動(dòng)車組的核心部件,其上裝配有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等七大部分,承擔(dān)著動(dòng)車組牽引、制動(dòng)、緩沖等重要任務(wù),其性能直接影響列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該項(xiàng)目立足動(dòng)車組結(jié)構(gòu)原理和檢修工藝,校企聯(lián)合,共同開發(fā),基于Web3D技術(shù)開發(fā)了轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)交互式虛擬檢修實(shí)驗(yàn)資源,采用B/S架構(gòu)和IETM技術(shù),實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)虛擬拆裝檢修實(shí)驗(yàn)的在線共享。

圖1 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

3.3.2 高鐵列車一級檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

高鐵列車一級檢修在保障列車安全運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用,《檢修規(guī)程》規(guī)定列車每運(yùn)行48小時(shí)必須進(jìn)行一級檢修,否則,列車運(yùn)行會(huì)存在較大安全隱患。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目旨在培養(yǎng)學(xué)生高鐵列車一級檢修能力,包括檢修操作、檢修報(bào)告等四個(gè)模塊和車側(cè)檢修、車頂檢修等6個(gè)檢修項(xiàng)目,有152步檢修操作。進(jìn)入項(xiàng)目,即可對列車相應(yīng)部件進(jìn)行虛擬檢修。

圖2 高鐵列車一級檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

4 學(xué)習(xí)指標(biāo)評價(jià)體系研究

實(shí)驗(yàn)評價(jià)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要環(huán)節(jié),通過評價(jià)可以掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。因此,“動(dòng)車組檢修”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建不僅需要平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的緊密聯(lián)合,更須注重評價(jià)反饋機(jī)制的設(shè)計(jì)。因此,我校擬針對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行探索,為所建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供一種切實(shí)可行的評價(jià)方式,主要包括以下三個(gè)方面的研究內(nèi)容。

4.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系初建

我校所構(gòu)建的“動(dòng)車組檢修”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為一種綜合的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教育平臺(tái),既包含傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐特點(diǎn)又包含網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)特點(diǎn),同時(shí)兼具虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自身特色。因此,筆者首先總結(jié)出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)評價(jià)體系典型指標(biāo)項(xiàng)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)評價(jià)體系典型指標(biāo)項(xiàng),同時(shí)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的特征和特殊性,發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境中的異同點(diǎn),初步建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系。

4.2 專家咨詢問卷設(shè)計(jì)及信效度檢驗(yàn)

筆者根據(jù)初建的學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系并結(jié)合Likert五級量表編制“虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建問卷”,依據(jù)德爾菲法的特性建立具有代表性的專家小組,咨詢專家學(xué)者對于各項(xiàng)指標(biāo)體系合理性的評價(jià)意見,利用SPSS工具分析問卷的信度和效度,根據(jù)專家意見對各項(xiàng)指標(biāo)新型增刪和修改后形成“虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建問卷(第二次德爾菲法)”,最終確定虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系的各個(gè)指標(biāo)項(xiàng)。

4.3 學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系確定及應(yīng)用思考

利用層次分析法確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,以形成具有科學(xué)性和實(shí)用性的“動(dòng)車組檢修”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系;針對指標(biāo)量化問題構(gòu)建面向?qū)W生自評、教師評價(jià)、系統(tǒng)評價(jià)的評價(jià)量表,并思考指標(biāo)體系在我校“軌道交通信號與控制”國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中的應(yīng)用模式,驗(yàn)證指標(biāo)體系的可靠性和可操作性。

結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)是提升學(xué)生動(dòng)手能力,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要手段。目前,江蘇師范大學(xué)“動(dòng)車組檢修”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐培訓(xùn)存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、實(shí)驗(yàn)效率低、極端檢修工況無法模擬等問題。

針對這一現(xiàn)狀,本文剖析了“動(dòng)車組檢修”課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系,闡述了對其虛擬仿真的必要性,介紹了“動(dòng)車組檢修”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)思路和現(xiàn)階段建設(shè)成果。同時(shí),本文指出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建不僅需要平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的緊密聯(lián)合,更需注重評價(jià)反饋機(jī)制的設(shè)計(jì)理念。進(jìn)而本文從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系初建、專家咨詢問卷設(shè)計(jì)及信效度檢驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)評價(jià)指標(biāo)體系確定及應(yīng)用思考等三個(gè)方面,介紹了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)指標(biāo)評價(jià)體系的建設(shè)方法,可為相關(guān)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與評價(jià)提供參考。