基于虚拟仿真技术的轨道交通专业实验教学资源建设研究

李晓鹏 张嘉鹭 张林

1.江苏师范大学实验室与设备管理处 江苏徐州 221008；2.江苏师范大学机电工程学院 江苏徐州 221008；3.江苏师范大学江苏省大型科学仪器开放共享实验室 江苏徐州 221008

实验教学是高等院校培养技能型和创新型人才的重要途径[1-2]。目前国内已有200余所高校开设轨道交通相关专业，由于该专业实验成本高、实验耗时长等原因，针对其实验教学资源的建设仍在探索之中，现阶段的授课方式普遍依托理论教学，学生难以在短时间内对轨道交通装备的结构特征形成感观认知，更难以掌握复杂的轨道车辆驾驶流程、车内设备操作方法与故障维修方法[3-4]。因此，如何构建实验教学资源，进而提升实验教学质量和水平，成为当前轨道交通专业建设和发展过程中亟待解决的问题。

随着信息技术的广泛应用，云计算、互联网+、大数据等现代信息技术为高等院校提供了全新的实验教学手段[5]。基于现代教育技术的虚拟仿实验资源已成为“互联网+”背景下实验教学的重要组成部分，可以在轨道交通专业实践教学中发挥重要作用。本研究拟针对轨道交通专业实体实验存在的问题，探索虚拟仿真资源的内容体系、建设方法和管理机制，为虚拟仿真技术在轨道交通领域的推广应用以及大型轨道交通实验设备仿真资源的建设提供参考。

1 实体实验存在的问题

江苏师范大学轨道交通专业致力于培养具有较强实践能力的轨道车辆检修技能型人才。依托书本授课等理论教学方式，学生难以快速掌握轨道车辆设备结构原理及检修工艺流程，而通过实体设备进行实验(实训)教学则存在以下问题：

1.1 实体实验教学效率低

以江苏师范大学轨道交通专业中的“动车组模拟驾驶实验”为例，该实验时长为3学时，而受限于实验设备的数量及实验场地的空间，每次参加实验的学生仅为6名，以50名学生的教学班计算，整班同学均参与一遍该实验的时长就已超过20学时，实验教学效率很低。而通过虚拟仿真实验资源，学生可以在软件中进行自主学习、自主训练和自我考评，考评通过方能进行实体实验。待到上机真实操作时，教师无须讲解实体设备的操作流程和注意事项，学生可直接参照虚拟仿真资源的教学步骤进行实验，教学效率显著提高。

1.2 实体实验成本高昂

轨道交通实体实验设备价格高昂，且适用于高等院校实践教学的轨道交通相关设备须成套购置，一般由模拟驾驶台、转向架模型、牵引变流器模型、牵引变压器模型、真空断路器模型、受电弓模型、制动系统模型等二十余种轨道交通设备组成，其价格近300万元；同时，其实验耗材和设备保养的费用也价格不菲[6]。而通过虚拟仿真资源开展实验，可以减少实体设备及相应耗材的购买数量，后期仅需进行软件升级、维护即可，可显著减轻轨道交通专业实验设备购置的经济负担。

1.3 实体实验教学效果不佳

在现阶段的实践教学中，因考虑到实体实验的耗材成本，学生即使有上机操作的机会，但操作时长往往较短，无法保证所实验成绩的达标率；且出于实验安全方面的考虑，学生实验过程中参与实验项目往往类型固定且操作流程较为简单，无法实现对学生动车组检修技能的全方位训练，教学效果不佳[7]。而通过虚拟仿真技术，可以让学生针对多类型轨道车辆的驾驶、检修、排障工艺流程进行反复训练，较之传统实验教学方法优势明显。

2 建设内容

建设轨道交通专业虚拟仿真资源可以使参与实验的学生不受实验设备数量有限、实验时间不足的限制，实现远程在线实验和个性化实验，可有效解决传统实体实验教学的痛点。

2.1 建设“四位一体”虚拟仿真教学资源体系

本研究立足轨道交通领域，采用数字化虚拟仿真、VR全景展现、人机智能交互等先进的教育信息化技术，以“轨道交通实验教学资源”为中心，构建“轨道车辆驾驶仿真”“轨道车辆检修仿真”“轨道车辆装配仿真”“轨道车辆故障仿真”等四个方面的虚拟仿真实验教学资源，各方面的教学资源涵盖若干实验项目，形成“四位一体”的虚拟仿真实验教学体系。在建设过程中，以学校为建设主体，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，系统建设与整合轨道交通专业“互联网+”虚拟仿真实验教学项目，建设软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等优质教学资源。

2.2 搭建“三级联动”的虚拟仿真实验共享平台

依托江苏师范大学获批的国家虚拟仿真实验教学项目“高铁列车一级检修虚拟仿真实验”，搭建基于“互联网+”的虚拟仿真实验网络共享平台，对现有的异构信息平台和虚拟仿真实验教学项目加以整合和数据接入，依次建立轨道交通专业实验教学、实践培训和科研服务虚拟仿真平台。三个平台功能联动、资源共享，形成一体化相互推动关系，实现实验、实践和科研的有机融合[8]。同时，在门户网站基础上，优化平台技术体系，建立统一的大规模在线开放共享虚拟仿真实验技术标准、虚拟仿真实验仪器设备配置规范、虚拟仿真实验开发要求、虚拟仿真实验管理信息标准等，确保虚拟仿真实验教学资源、软硬件资源等各方面内容的标准化和规范化，实现管理平台和实验项目的无缝对接与互相支撑[9]。

2.3 构建基于“互联网+”的在线共享网络架构

本研究以Unity 3D为虚拟仿真资源开发平台，SQL Server为后台数据库系统，采用Tomcat服务器对外提供Web服务及接口，同时基于B/S架构(浏览器/数据库)将所研发的虚拟仿真教学资源架设在高性能服务器中[10]。学生在参与实验时，不用下载传统的实验教学客户端，直接使用火狐浏览器等即可在线访问虚拟仿真实验云资源。由于所有的客户端只是浏览器，不需要做任何的维护，也不需要安装任何其他软件，最大限度地实现了资源共享的功能。

3 建设成效

江苏师范大学已对轨道交通虚拟仿真实验教学资源建设进行了深入探索，联合南京先极、北京欧倍尔等软件公司研发虚拟仿真实验教学资源共计6套，建设虚拟仿真实验网络共享平台1个。基于以上教学资源开展实验，学生的实际动手能力以及解决工程实际问题的能力显著提升。近两年，学生获省级及以上技能大赛奖项20余项、获“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等奖项10余项。

限于篇幅，本文仅将部分虚拟仿真实验教学软件资源简述如下。

3.1 轨道交通一级检修教学软件

轨道交通一级检修虚拟仿真实验系统包含教学目的、教学内容、检修操作、检修报告四个模块，可针对轨道交通车顶、车内、车侧、车底等部位进行全方位检修训练。在实践教学中，可实现教学内容的在线预习、教学课件的在线查阅、检修流程的虚拟学习与考核等功能。具体见图1、图2所示。

图1 教学模块界面

图2 虚拟检修界面

3.2 轨道交通模拟驾驶虚拟仿真实验系统

轨道交通模拟驾驶虚拟仿真实验系统根据南京火车站建立仿真场景，针对国内主流车型(CRH380A/B型动车组)构建正常驾驶环境、雨雪天气驾驶环境、极端工况驾驶环境等三种学习模式，可对学生的列车驾驶技能以及应对突发情况的能力进行深度训练。具体见图3、图4所示。

图3 系统登录界面

图4 模拟驾驶界面

3.3 转向架装配虚拟仿真实验教学系统

轨道交通转向架虚拟仿真实验教学系统可实现动力转向架、拖车转向架的交互式虚拟装配与检修训练。虚拟仿真实验系统按照S1000D设计规范开发，操作界面采用标准的Web浏览器窗口，主要包括系统功能区、导航区、主内容显示区、图表显示区等，界面简洁，学生易于操作。具体见图5、图6所示。

图5 系统主界面

图6 虚拟装配界面

结语

面向轨道交通专业的实验教学资源相对匮乏，且传统实体实验教学设备教学成本高、教学效率较差、无法满足“互联网+”时代实验教学的需求。

江苏师范大学“轨道交通信号与控制”国家级虚拟仿真实验教学中心基于Unity 3D技术研发出轨道车辆驾驶、拆装、检修工艺流程虚拟仿真实验教学资源，形成了“四位一体”的教学资源体系及“三级联动”的教学资源平台，实现了轨道交通专业在线式虚拟仿真教学资源的深度开发。进一步推进了现代信息技术融入实验教学，拓展了实验教学的广度和深度，延伸了实验教学的时间和空间，对解决目前轨道交通专业传统实验教学存在的弊端具有一定意义，并可为相关高校虚拟仿真实验教学资源的建设与共享提供参考。