虚拟仿真技术在铁道车辆技术专业教学中的应用研究

2023-07-10张皓惟唐可何雷黄志杰师光洲

时代汽车 2023年11期

张皓惟　唐可　何雷　黄志杰　师光洲

摘要：随着科技的不断发展和人工智能技术的日益成熟，虚拟仿真技术得到了广泛关注，并在各个领域中的应用逐渐普及。针对职业院校学生的学习特点、行为习惯和思维模式，积极将虚拟仿真技术引入专业教学中，是职业教育提质培优的重要抓手。笔者结合铁道车辆技术专业的现状特点，分析了当前教学存在的问题，并积极探索虚拟仿真技术在铁道车辆技术专业教学领域的应用，包括基于虚拟仿真技术的“三教”改革研究、虚拟资源和实训平台建设、学科竞赛以及虚拟仿真技术如何助力双师型师资队伍，以期为虚拟仿真技术有效促进铁道车辆技术专业发展提供帮助。

关键词：虚拟仿真技术铁道车辆技术教学改革

Research on the Application of Virtual Simulation Technology in the Teaching of Railway Vehicle Technology

Zhang Haowei，Tang Ke，He Lei，Huang Zhijie，Shi Guangzhou

Abstract：With the continuous development of science and technology and the increasing maturity of artificial intelligence technology， virtual simulation technology has received extensive attention and has gradually been popularized in various fields. According to the learning characteristics， behavior habits and thinking patterns of vocational college students， actively introducing virtual simulation technology into professional teaching is an important starting point for improving the quality and excellence of vocational education. Based on the current situation of railway vehicle technology， the author analyzes the current teaching problems， and actively explores the application of virtual simulation technology in the field of railway vehicle technology teaching， including the "three teachings" reform research based on virtual simulation technology， the construction of virtual resources and training platforms， discipline competitions， and how virtual simulation technology can help the dual-teacher teaching team， in order to provide help for virtual simulation technology to effectively promote the professional development of railway vehicle technology.

Key words：virtual simulation technology， railway vehicle technology， teaching reform

1 研究背景

教育部在《教育信息化十年发展规划》和《职业教育提质培优行动计划2020-2023》中明确指出：“主动适应科技革命和产业革命要求，以‘信息技术+升级传统专业，及时发展数字经济催生的新兴专业。鼓励职业学校利用现代信息技术推动人才培养模式改革，满足学生的多样化学习需求，大力推进‘互联网+‘智能+教育新形态，推动教育教学变革创新”。

虚拟现实（VR）技术，是21世纪兴起的一项革新性实用技术，其主要通过计算机模拟虚拟环境，为人们带来身临其境的感觉[1]。随着后疫情时代的降临，中国各高校纷纷投入開发与应用虚拟仿真教学项目。在2019至2022年间，涉及虚拟仿真教育应用和虚拟实验室网络管理的优质学术论文在国内外期刊的SCI/EI检索数量上，中国遥遥领先于其他国家[2]。

铁道车辆技术专业作为实践性很强的专业，对学生的实践能力要求较高[3]。然而，传统的教学模式往往受限于实验设备、场地等资源，导致学生实践操作的机会有限。因此，将虚拟仿真技术引入铁道车辆技术专业教学具有重要意义。

2 虚拟仿真技术的特点

通过建立虚拟环境，模拟真实世界中的物理现象和过程，使用户能够在虚拟环境中实现与现实世界相似的交互，从而达到模拟、评估、优化和设计等目的。虚拟仿真技术具有以下特点：（1）实时性：虚拟仿真技术可以快速响应用户的操作，实时生成相应的虚拟环境；（2）交互性：用户可以通过各种设备（如鼠标、键盘、触摸屏等）与虚拟环境进行交互，实现对虚拟世界的控制和操作；（3）灵活性：虚拟仿真技术可以根据不同的需求和条件，灵活地修改和调整虚拟环境；（4）可视性：虚拟仿真技术可以将复杂数学模型和抽象概念转化为直观的可视化图像，便于用户理解和掌握。

3 铁道车辆技术专业教学现状与存在的问题

铁道车辆技术专业主要培养具备铁路车辆检修、运用、维护和管理等方面的技能和素质的专门人才。目前，大多数高校的铁道车辆技术专业教学课程体系包括基础理论课程、专业技能课程和实践教学环节。基础理论课程主要涵盖数学、机械基础、电子技术、计算机应用等方面的知识，为学生打下坚实的理论基础。专业技能课程则侧重于铁道车辆技术专业的核心技能和知识，如铁道车辆制动装置检修、铁道车辆制动装置检修、铁道车辆动态检测技术等。实践教学环节旨在提高学生的实践能力和动手操作能力，包括实习实训、毕业设计等。但是铁道车辆技术专业教学面临着以下几个方面的问题。

3.1 教学资源问题

作为培养未来铁道行业检修人员的基础，高质量的教学资源能够为学生提供扎实的专业知识，帮助他们更好地适应职业需求，为铁路事业的发展做出贡献。然而，目前铁道车辆检修专业教学资源在多个方面面临着一些问题。首先，教学资源数量不足。虽然随着信息技术的发展，数字化教学资源的应用在诸多领域取得了显著成果，但在铁道车辆检修专业领域，教学资源仍然相对匮乏。这限制了学生获取知识的途径，也影响了教学效果。其次，教学资源形式单一。目前，铁道车辆检修专业教学资源主要以课本、课件、视频等形式为主，较少涉及实际操作、模拟实验等多元化的教学手段。这使得学生在理论知识的学习上可能没有问题，但在实际操作能力上可能存在较大的差距。再者，教学资源缺乏吸引力。传统的教学资源往往过于注重理论知识的传授，忽略了培养学生兴趣和激发学习动力的重要性。这导致学生对专业知识的学习充满抵触情绪，难以保持学习的积极性。

3.2 实训设备问题

在铁道车辆检修专业中，实训环节是非常关键的，因为它直接影响着学生的实际操作能力和应用水平。然而，当前实训设备的不足已成为制约教学质量的重要因素。首先，实训工位不足。随着专业发展，学生招生人数不断扩大，使得原有的实训工位无法满足日益增长的学生需求。由于工位不足，学生在实训环节中往往无法得到充分的练习机会，导致实际操作技能的培养受到限制。其次，实训设备价格昂贵。铁道车辆检修专业的实训设备往往需要较高的投入，包括先进的检测仪器、模拟实训系统等。部分院校由于经费有限，难以承担高昂的设备费用，从而影响了实训设备的配置和更新。最后，校企合作培训占用实训设备。为了提高学生实际操作能力，许多院校与企业开展合作，安排学生在企业进行实习。然而，这种校企合作的培训模式在一定程度上也占用了实训设备，使得实训资源的紧张进一步加剧。

3.3 实训环境问题

铁道车辆检修专业的教學实训环境对于学生的实际操作能力和专业素质具有至关重要的影响。然而，当前铁道车辆检修专业的实训环境并不理想，这在很大程度上削弱了实训效果。首先，部分院校的实训环境条件较差，可能存在设备陈旧、场地狭小等问题。这些不良条件限制了学生在实训过程中对设备的操作练习，影响了实训质量。同时，不良的实训环境可能导致学生在安全意识、操作规范等方面的培训不足，增加了实际工作中的安全隐患。其次，由于各种原因，部分学生无法前往企业进行实训。这可能是因为地域限制、企业资源紧张等原因导致的。没有企业实训的机会，学生难以在实际工作场景中锻炼自己的专业技能，无法充分了解行业现状和发展趋势，从而导致实训效果不佳。

3.4 师资队伍信息化水平差

铁道车辆检修专业的教学质量在很大程度上取决于师资队伍的素质和能力。然而，目前部分师资队伍在信息化水平和教学能力方面存在一定的不足，这对专业教学造成了一定程度的影响。首先，部分教师的信息化水平较低。在当今信息技术高速发展的时代，信息化已经渗透到各个领域，对教育行业产生了深刻影响。然而，部分铁道车辆检修专业教师在信息技术的应用上存在欠缺，难以跟上时代发展的步伐。这不仅限制了教学方法的创新，还影响了教学质量和效果。其次，部分教师的专业能力有待提高。在铁道车辆检修领域，专业知识和技能的更新速度很快。部分教师可能在专业领域的知识储备和实践经验上存在不足，导致他们难以准确把握行业动态和发展趋势。这种情况可能会使得教师在教学过程中无法为学生提供最新、最具实用性的知识，进而影响学生的专业素质培养。

此外，教学方法和手段的单一也是部分教师存在的问题。优秀的教师应该具备多样化的教学手段和方法，以适应不同学生的学习需求。然而，部分铁道车辆检修专业教师在教学方法上仍然停留在传统的讲授模式，缺乏创新意识和实践精神，这使得学生难以保持学习兴趣和积极性，影响教学效果。

4 虚拟仿真技术在铁道车辆检修专业教学中的应用

4.1 基于虚拟仿真技术的“三教”改革研究

铁道车辆检修专业教学的三教改革，即教师、教材、教法的改革，具有重要意义。这是因为，随着铁道技术的快速发展以及社会对铁道车辆检修人才需求的变化，传统的教学模式已经无法满足培养高素质人才的需求。三教改革有助于提高教育质量，更好地适应行业发展和人才培养的新要求。

虚拟技术在三教改革中发挥着重要作用。利用虚拟技术可以模拟真实的工作场景，提高学生的实践操作能力。同时，它还有助于突破地域、时间等限制，提供更为丰富和多样的教学资源。

通过虚拟技术实现的三教改革，不仅可以提高铁道车辆检修专业教学的趣味性和吸引力，还能够为学生提供更为实际、贴近真实工作环境的学习体验。这将有助于培养学生的动手能力和创新精神，使他们更好地适应行业发展的需求，为铁道车辆检修领域的发展作出更大的贡献。

以铁道车辆专业中的“铁道车辆机械装置检修”课程为例，在三教改革过程中，教师可以运用虚拟技术为学生展示车辆各部件的构造和工作原理。通过虚拟仿真系统，学生可以亲自进行组装、拆卸和检修等操作，对车辆构造有更直观、深入的理解。此外，教师还可以利用虚拟现实技术设计多种故障情景，让学生在模拟环境中进行诊断和维修，提高他们的实际操作能力和故障处理水平。

充分发挥虚拟技术的优势，利用新技术优化教学手段，提高教学效果。实践证明，尽管虚拟仿真技术不可能完全取代实际的教学实验实训操作，但鉴于职业教育教学中实验实训的特点以及其它具有的时空任意性、教学互动性、学习环境真实性等特点，让教师在教学实验和实训中如虎添翼，能弥补传统教学中无法完成或者实现的教学手段，提高教学效果。

4.2 基于虚拟仿真技术的虚拟资源和实训平台建设

鐵道车辆检修专业建设实训室的意义重大。实训室在教学、人才培养和校企合作人才培养方面发挥着关键作用，有助于提高学生的实际操作能力和专业素质，为铁道车辆检修行业输送高素质的技术人才。首先，在教学方面，实训室提供了一个模拟真实工作环境的学习场所，使学生在理论学习的基础上能够进行实际操作，加深对专业知识的理解和掌握。此外，实训室还可以培养学生的团队协作能力和创新意识，为他们未来的职业生涯奠定基础。其次，在人才培养方面，实训室强调实践教学，有助于提高学生的实际操作能力。通过实训室的实践活动，学生能够在实际操作中学习到各种专业技能，提高他们的综合素质，为将来从事铁道车辆检修工作做好充分准备。再次，在校企合作人才培养方面，实训室成为企业与学校共同培养人才的平台。企业可以参与实训室的建设和课程设计，使实训内容更贴近行业需求，提高人才培养的针对性。同时，实训室也有助于加强学校与企业之间的沟通与合作，为人才培养提供有力支持。

例如，通过开展铁道车辆虚拟仿真实训室建设，可以解决实训设备昂贵、实训场地不足等问题。虚拟仿真实训室可以提供多种实训项目，如虚拟组装、拆卸、检修等。学生可以在虚拟环境中进行实训操作，从而在不受时间、空间限制的情况下，提高实际操作能力。同时，虚拟仿真实训室还可以提供各种故障诊断和处理的实训情景，使学生在安全的环境中积累丰富的实践经验。

4.3 基于虚拟仿真技术在学科竞赛中的应用与研究

铁道车辆技术专业是校级重点专业，为了早日成为区级重点专业，必须形成一批标志性成果。虚拟仿真技术可在提升专业标志性成果方面发挥重要作用。首先，虚拟仿真技术在教师比赛中的应用。教师可以利用虚拟仿真技术为学生提供更加生动、直观的教学内容。通过将虚拟仿真技术融入课堂教学，教师能够提高教学质量，从而在教学技能大赛中取得优异成绩。其次，虚拟仿真技术在学生比赛中的应用。在“互联网+大学生创新创业大赛”、“挑战杯中国大学生创业计划竞赛”、“全国仿真创新应用大赛”等学生比赛中，虚拟仿真技术可以帮助学生快速建立模型，进行模拟实验，提高项目的可行性和竞争力。学生可以通过参加这类大赛，充分展示自己在虚拟仿真技术方面的创新成果，提高自己的技能和知识水平。

4.4 助力双师型师资队伍

双师型队伍是指在教育培训中具备专业知识和实践能力的教师团队，既拥有丰富的理论知识，又具备实际操作经验。高素质双师队伍是专业高质量发展的第一保障。虚拟仿真技术作为一种先进的教学手段，能够帮助铁道车辆检修专业建设双师型师资队伍。首先，通过虚拟仿真技术的应用，教师可以模拟真实的铁道车辆检修场景，使教学过程更加直观和生动。其次，虚拟仿真技术可以提供大量的实践操作练习机会，使教师在不受时间和空间限制的情况下，能够随时掌握和更新专业知识和技能。此外，虚拟仿真技术还能为教师提供实时反馈和评估功能，有助于教师更好地了解学生的学习进度和需求，进而优化教学方法。

5 展望与总结

我们也应看到，随着虚拟仿真技术的不断发展，未来将有更多先进技术应用于铁道车辆技术专业教学，如增强现实（AR）、混合现实（MR）等。借助人工智能、大数据等技术，将虚拟仿真与智能化教学相结合，实现个性化教学，提高教学效果。

本文通过对虚拟仿真技术在铁道车辆技术专业教学中的应用进行研究，分析了其在提高学生实践能力、降低教学成本、节省资源等方面的优势。同时，指出了虚拟仿真技术在铁道车辆技术专业教学中的不足，并对其未来发展进行了展望。本文的研究成果对于推动铁道车辆技术专业教学改革具有一定的参考价值。

基金项目：

（1）2022年度柳州铁道职业技术学院课程思政教改项目，“铁道车辆制动装置检修”课程思政教学策略研究与实践探索（2022-KCSZ-JGC08）。

（2）2022 年度柳州铁道职业技术学院校级立项项目，城轨车辆系统动力学性能研究（2022-KJC05）。

（3）2020年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目，“动车组随车电能质量检测装置开发”（2020KY44021）。

（4）2022年度柳州铁道职业技术学院课程思政教改项目，“动车组运用与管理”课程思政教学策略研究与实践探索（2022-KCSZ-JGC11）。

（5）广西教育科学“十四五”规划 2022 年度专项课题，《基于专创融合的动车组检修技术专业改革探索与实践》（2022ZJY2964）。

参考文献：

[1]赵蔚，段红.虚拟现实软件研究[J].计算机技术与发展，2012，22（02）：229-233.

[2]柳洪洁，宋月鹏，马兰婷等.国内外虚拟仿真教学的发展现状[J].教育教学论坛，2020，No.463（17）：124-126.