虚拟仿真技术在学生创新能力培养教学中的实践探究

万军 屈霞

关键词：虚拟仿真技术；创新能力；轨道交通；课程教学；创新实践

创新能力培养是大学生能力培养的重要目标，为此各高校在课程设置改革、加强创新实践等方面采取了一系列措施。课程设置上，各高校普遍增设了专门的创新创业类课程，旨在使学生掌握创新创业所需的基本知识，培养学生创新创业思维。在创新实践方面，积极鼓励和指导学生参加创新创业训练项目、各类学科竞赛，较好的提高了学生的创新能力。但学生参与面窄，往往重点仅限于少部分优秀学生。部分学校将创新创业教育视为“精英教育”[1]。

课程教学仍是目前我国高等教育的最主要形式。在课程教学过程中，既传授学生专业知识，又培养其实践技能，教学内容的质量直接影响着大学生创新能力的培养[2]。因此，培养大学生的创新能力必须从课堂教学的教学内容改革入手。本文以常州大学轨道交通信号与控制专业为例，围绕着面向城市轨道交通企业需要，以提高学生创新能力为教学目标，探索和实践了虚拟仿真技术在课程教学改革中的应用。

1 现有课程教学对于创新能力培养的不足之处

培养大学生创新能力，既要让学生掌握具备创新所需要的知识，又要激发学生专业学习的兴趣，同时还要开展一定的训练创新能力的创新实践。

轨道交通信号与控制专业培养以轨道交通产业工程技术为主，能在轨道交通相关的信号系统、通信和控制等领域从事研究、设计、开发和管理等工作的创新应用型人才。在专业课程教学方面，存在着以下不利于学生创新能力培养的问题：

1） 传统课程教学难以调动学生的兴趣

目前专业课程教学仍以课堂讲授为主。传统教学方法是在课堂上围绕书本内容进行理论讲解，再在实验室进行设备实物的操作。在大多数专业课堂教学中，授课模式缺乏直观性，未能有效激发学习兴趣。各课程之间联系应用讲解较少，缺少实用性和知识交叉性，学生缺乏专业系统化思维能力。

2） 创新训练条件不足

轨道交通信号与控制专业课程中采用的实验设备往往占地面积大，价格昂贵。区别于电子技术、单片机原理等课程实验中学生人手一套实验设备的情况，本专业课程学生实验时往往是多人一组共同操作，实验也以验证性内容为主，很难在此条件下满足综合创新性实践活动。近年来由于疫情的发生，原本與校外企业和高校开展的产学合作、协同育人项目也受到较大影响。

2 虚拟仿真技术课程教学对学生创新能力培养的作用

虚拟仿真技术是一种借助于多媒体、人机交互等多种计算机技术，构建类似实物的虚拟实验环境和实验对象的新兴技术。该技术最大优势在于能够打破时间与空间的限制[3]，提高设计的直观性和真实性，无须购置实验器材。针对轨道交通类课程，虚拟仿真技术可以在课堂教学、课程实验教学和综合实践环节等完整的培养链中得到循序渐进式的应用。

2.1 融入虚拟仿真提升理论教学

在课堂教学方面，将虚拟仿真技术融入课堂教学可以使理论学习变得生动形象[4]。一方面，针对信号与系统、自动控制原理等诸如此类的课程，教学内容复杂抽象，数学公式较多，通过仿真软件的应用可生动地展示验证原理和结果；另一方面，虚拟仿真可构造出实物模型，让学生学习时有感性的认识。例如转向架是城市轨道交通信号相关基础设备，是车辆最主要的组成部分之一，鉴于转向架结构复杂，通过多媒体制作工具开发出转向架虚拟仿真系统，可给学生清晰地展示转向架的各部分结构，并分析功能。虚拟仿真技术融入课堂教学能够在很大程度上激发学生对专业知识学习的兴趣[5]，提高课堂教学的效果。

2.2 通过虚拟仿真弥补传统实验不足

通过虚拟仿真技术构建了类似真实实验室的虚拟实践环境，可以摆脱真实物理设备的约束，并在实验过程中灵活地进行相应的创新性设计活动。例如，车站信号自动控制是轨道交通信号与控制专业本科生的专业核心必修课程，讲授内容主要包括车站信号控制系统概述、继电器联锁系统、选择组电路、执行组电路和计算机联锁系统等。本课程完全采用计算机联锁仿真系统进行课程实验，能够使得学生详细地进行道岔操作、调车作业、引导进路、引导总锁闭接车、模拟行车以及模拟信号设备故障等各类操作与练习，教师还可灵活地设计课程配套的创新性实验项目，学生也可自主进行实验设计及改进。

2.3 应用虚拟仿真开展创新实践

教师可借助于虚拟仿真平台在专业理论课程、实践类教学环节中应用虚拟仿真技术。在专业理论课程授课过程中，教师可以工程应用系统开发为主线，针对工程项目中的实际问题，布置有一定深度与综合性的课程项目，让学生课后自行设计解决方案，融入创新思维。在实践性教学环节中，布置虚拟仿真类或者虚拟仿真和实物验证相结合课题。学生在仿真设计的过程中由于设计的需要，将主动去自学虚拟仿真软件，拓展专业知识。目前，在常州大学轨道交通信号与控制专业开设的电子工艺实训、信号系统实训、硬件设计实训、软件开发实训、通信电子实训和列车运行控制实训等实践课程中，均不同程度地应用了虚拟仿真技术来开展教学。

3 虚拟仿真技术教学实施案例

笔者在城市轨道交通综合监控系统课程教学的各环节融入虚拟仿真技术，较好地实现了培养学生创新能力的目的。课程讲授内容包括综合监控系统技术基础、环境与设备监控系统、电力监控系统、火灾报警系统、乘客信息系统、屏蔽门系统以及系统集成技术等。通过本课程的学习，使学生能全面系统地掌握城市轨道交通综合监控系统的原理、技术和应用，并紧密结合工程应用，培养学生解决相应实际问题的能力。课程中应用虚拟仿真技术的具体做法为：

3.1 开发虚拟仿真教学资源

城市轨道交通综合监控系统监控对象多、涉及专业面广，课程需要在40个学时内让学生全面系统地掌握城市轨道综合监控系统的原理、技术和应用。本课程虽然以概念性描述为主，但如果课堂上讲授仅仅是照本宣科，学生学起来枯燥乏味，课程内容看似不难理解，但是由于缺少和实物以及实际应用的结合，学生很难深层次理解和掌握，更无法谈创新性应用设计。

课程结合各种虚拟仿真软件平台，针对一些难以理解的监控对象的构造、工作原理，开发相应的三维动画演示应用于课堂，增强了学生的直观认识，提高课堂教学的效果。以下结合屏蔽门系统知识点的教学来详细说明。

屏蔽门安装在地铁站台边缘，将站台公共区与隧道轨行区完全屏蔽。屏蔽门系统用于对屏蔽门进行监控，是地铁车站监控系统的重要组成部分。屏蔽门系统结构复杂，存在多种运行模式，且需要和列车车门的联动。为此通过3ds Max、Unity3D等软件构建屏蔽门与列车三维模型，编程开发综合后备盘仿真界面，最终通过综合后备盘的开关按钮和信号指示灯来控制和显示屏幕门的开、关状态，图1为自行開发的仿真软件效果图。课堂教授中，通过仿真软件的人机交互界面，可直观地设置各种工作方式。学生可清晰地观察列车车门和屏蔽门的开闭情况。且可模拟设置开门故障、关门故障、火灾等多种故障模式，帮助观察每一类故障发生时虚拟场景。

3.2 开展虚实结合的实验

本课程实验室采用了一套针对轨道交通实体监控系统工程开发的专用系统集成与监控平台，该平台底层子系统通过模型模拟和实物相结合的方式，构架了车站级地铁综合监控系统的基本功能，互联集成了环境与设备监控系统、火灾报警系统、乘客信息系统等系统，开设的实物实验包括综合后备盘操作实验、综合监控系统的单控和模式控制操作实验、火灾手动和联动操作类实验、屏蔽门监控系统、乘客信息系统实验等。但现有的实物实验过程中，受实验设备、实验时间等条件约束，多名学生为一组，且实验内容往往是验证性实验，学生训练不足。

为此，结合课程知识点设计了相关虚拟仿真实验，如表1所示。虚拟仿真类实验仅提出实验功能需求，指导学生以计算机仿真软件为基础，自行搭建硬件平台，开发软件功能，灵活性大。

3.3 设计虚拟仿真课程训练项目

虚拟仿真课程训练项目可认为是虚拟仿真课程实验的深化，旨在训练学生实现一个完整小型的城市轨道综合监控系统项目开发全过程。课程项目的设置需要从实用化和工程化的角度出发，参考城市轨道交通行业里采用的真实的综合监控系统平台功能，合理地将课程的知识模块进行系统性和连贯性的分析，并结合学生已有的知识基础。

例如电扶梯系统是环境与设备监控系统中的一个组成部分，且实验设备中一般没有此实物展示。考虑到学生已有PLC技术基础，因此基于PLC和变频器技术，可设计地铁自动扶梯节能控制仿真系统项目。要求学生采用三相异步电机和变频器控制扶梯的运动，并实时检测乘客的状态来改变扶梯的运行模式，整个运行过程中扶梯的运行状态，包括变频器状态、运行模式、运行方向、警铃状态和扶梯速度等，能在触摸屏监视界面中实时显示。图2所示为学生自行设计的项目仿真运行示意图。通过本课程项目，较好地指导训练了学生综合应用多种专业知识，进行创新思维的能力。

设计的虚拟仿真课程训练项目在开课初期提前下达。学生自主选择某个项目并组建项目小组，人员3至5人。教师对项目用到的知识点进行重点学习和研究，并对学生在项目设计过程中遇到的问题给予单独的帮助。课程结束时，对项目进行集中验收，要求每一小组演示项目作品成果，并制作PPT进行汇报答辩。虚拟仿真课程训练项目还可进一步扩展深化作为学生的毕业设计课题。

4 结论

本文以学生创新能力培养为目标，针对常州大学轨道交通信号与控制专业现有课程教学所存在的一般性不足之处，充分发挥虚拟仿真技术的特点，探讨了将虚拟仿真技术引入课程教学的实施方案。虚拟仿真的教学过程使得枯燥抽象的知识讲解变得可视化、趣味化，创新实践训练更便捷和低成本，从而灵活机动地创造了学习平台和环境，有效地培养了学生自主学习和创新实践能力。