“动车组检修”课程虚拟仿真实验构建与学习指标评价体系研究
2023-10-17张嘉鹭李晓鹏
张嘉鹭 李晓鹏 张 林
1.江苏师范大学机电工程学院 江苏徐州 221008;2.江苏师范大学实验室与设备管理处 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
高速铁路是国家铁路现代化水平的显著标志,近年来,我国高速铁路建设日新月异。徐州作为淮海经济区中心城市和全国重要的铁路枢纽,高铁行业发展迅速,所需人才与日俱增,加强车辆工程专业人才培养,是江苏师范大学的重要发展战略之一。
车辆工程专业(动车组方向)实验教学资源的建设是提升学生动手能力,提高人才培养质量的重要手段[1]。目前,我校车辆工程课程体系中,“动车组检修”课程实验教学和实践培训存在如下问题:真实平台设备价格高昂,不适合开展多人多任务教学,难以实现多人的标准化实训和考核;对涉及不可及或不可逆的操作,极端的环境,不可控天气条件的检修状况难以进行真实教学和研究[2-3]。因此,针对“动车组检修”课程虚拟仿真实验的开发势在必行。
1 “动车组检修”课程的实验项目体系
车辆工程专业(动车组方向)的课程体系包含“动车组检修”“列车总体与转向架”“动车组传动与控制”“动车组牵引与制动”等6门主要专业课程。其中,“动车组检修”是车辆工程专业的核心课程。该课程着重培养学生检修维护动车组和处理动车组突发故障的能力,以满足铁路行业对动车组检修技术人员的强烈需求。
“动车组检修”课程的实践性很强,以我校为例,该课程的理论学时仅为24学时,而实验学时则达到了36学时。受限于实体设备的昂贵价格,为模拟动车组的检修工艺流程,“动车组检修”课程的实验项目均需通过虚拟仿真教学资源实现。具体实验教学项目见表1所示。
表1 “动车组检修”课程实验教学项目
2 动车组检修实验虚拟仿真的必要性
我校车辆工程专业致力于培养具有较强实践能力的动车组检修应用型人才。依托传统的书本授课、现场观摩等教学方式,学生很难在短时间内掌握动车组复杂的检修工艺流程[4]。
若通过动车组实体教学则存在以下问题:
2.1 动车组实体实验不能模拟异常工况
动车组在实际运行中可能会出现受电弓无法升起、制动异常、轴承烧毁等失效工况,此类工况虽极为少见,但在实际教学中却要求学生牢固掌握,单纯通过动车组实体实验教学难以模拟此类异常工况。而通过虚拟仿真技术,则可以生动再现动车组检修过程中各类失效工况,较之传统教学方法优势明显。
2.2 动车组实体实验成本高昂
动车组实体价格极为高昂,以目前最新车型“复兴号”动车组为例,其长编组车辆价格近4亿元;建立较完善的动车组检修实训室需配备众多的检修辅助设备,如三层检修作业平台、超声波探伤仪、轮对镟修机床、带轨道桥的架空轨道系统、盘型制动装置试验台、专用加载试验台等,这些检修辅助设备的购置费用和维护费用也极为高昂;另外,由于动车组单节车厢重量就已近40吨,若想对其进行拆装检修作业,需提供行车、龙门吊车等大型起重设备,且必须配套专用厂房,而上述条件,在实际教学中是很难满足的。
2.3 动车组实体实验教学效率低
若通过动车组实体进行实验教学,受设备数量限制,单次受训学生仅为4名/台,每次实训时间要超过8学时,实验效率很低;且由于动车组零部件之间配合精度极高,因此难以实现反复拆装训练。而通过对动车组虚拟仿真教学资源的在线共享,可突破时间和空间的限制,实现对学生大批量教学的目的,实验效率大幅提升[5]。
由此可见,借助虚拟仿真技术实现“动车组检修”课程的实验教学,是最佳的教学方式。
3 建设思路与建设内容
3.1 建设思路
在“动车组检修”课程虚拟仿真实验的框架设计,江苏师范大学研发团队拟以建设网络化、信息化实验教学资源为重点,按照“能实不虚、以虚补实”的思路,实现实体实验不具备或难以实现的教学效果,尤其对于那些涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作,以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目,从实验教学体系、模式、内容、方法手段等方面进行系统化设计,形成虚实互促互补、教研深度融合、辐射能力强的现代化虚拟仿真实验平台,使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、经济、安全的实验,解决长期困扰“动车组检修”课程实验的高成本、高消耗、高危险性的难题[6-7]。同时,拟基于互联网技术实现动车组检修虚拟仿真实验项目的在线共享,深度满足多学校和多地区共同开展虚拟仿真实验教学的需要[8]。
3.2 建设内容
3.2.1 研究建立虚拟仿真实验资源开发标准
参照《国家虚拟仿真实验教学项目技术接口规范》等指导性文件,深入对比目前主流的虚拟仿真资源开发引擎(如Unity 3D、Java 3D等),在实现资源在线性、共享性与接口规范性的前提下,确定“动车组检修”课程虚拟仿真实验教学资源的开发技术标准。同时,以我校车辆工程专业两项国家虚拟仿真实验项目为基础,对不同专业虚拟仿真实验教学资源内容体系的共性需求进行归纳总结,揭示其与真实实验三级实验类型(验证型实验、综合设计型实验、创新型实验)内容体系之间的内在联系,构建出满足“互联网+”背景下不同学科实践教学需求、具有普适性的虚拟仿真实验教学项目内容体系标准。
3.2.2 研究建立虚拟仿真实验资源体系
在前文所建立的虚拟仿真实验资源开发标准的指导下,以“动车组检修实验教学”为中心,构建“动车组结构原理实验”“动车组一级检修实验”“动车组二级检修实验”“动车组故障诊断实验”“动车组转向架检修实验”等六个方面的虚拟仿真实验教学资源,形成满足“动车组检修”课程大纲要求的虚拟仿真实验教学体系。
3.2.3 研究建立虚拟仿真实验资源的运管机制
构建科学高效的共建共享运行机制,引入社会资源探索“互联网+实验教学”管理模式,促进“动车组检修”课程实验教学资源优化再生和持续提升,搭建科学的绩效评价体系和完善的服务支撑体系。依托虚拟仿真实验教学平台,对在线开放的“互联网+”虚拟仿真实验教学项目实施星级动态评价制度,并考虑有偿使用原则,最终建立“互补互利、成本均摊、服务有偿、收益共享”的运行模式。
3.3 建设成果
3.3.1 转向架系统检修虚拟仿真实验
转向架系统是高速动车组的核心部件,其上装配有驱动系统、制动系统、悬挂系统等七大部分,承担着动车组牵引、制动、缓冲等重要任务,其性能直接影响列车的安全稳定运行。该项目立足动车组结构原理和检修工艺,校企联合,共同开发,基于Web3D技术开发了转向架系统交互式虚拟检修实验资源,采用B/S架构和IETM技术,实现了动车组转向架系统虚拟拆装检修实验的在线共享。
图1 转向架系统检修虚拟仿真实验界面
3.3.2 高铁列车一级检修虚拟仿真实验
高铁列车一级检修在保障列车安全运行方面发挥着重要作用,《检修规程》规定列车每运行48小时必须进行一级检修,否则,列车运行会存在较大安全隐患。该虚拟仿真实验项目旨在培养学生高铁列车一级检修能力,包括检修操作、检修报告等四个模块和车侧检修、车顶检修等6个检修项目,有152步检修操作。进入项目,即可对列车相应部件进行虚拟检修。
图2 高铁列车一级检修虚拟仿真实验界面
4 学习指标评价体系研究
实验评价是实验教学的重要环节,通过评价可以掌握学生实验水平,激发学生学习的积极性和主动性。因此,“动车组检修”课程虚拟仿真实验的构建不仅需要平台设计与实验内容的紧密联合,更须注重评价反馈机制的设计。因此,我校拟针对虚拟仿真实验环境中学习评价指标体系进行探索,为所建设虚拟仿真实验项目提供一种切实可行的评价方式,主要包括以下三个方面的研究内容。
4.1 虚拟仿真实验学习评价指标体系初建
我校所构建的“动车组检修”课程虚拟仿真实验平台作为一种综合的远程实验教育平台,既包含传统实验教学的实践特点又包含网络教学的远程学习特点,同时兼具虚拟现实技术的自身特色。因此,笔者首先总结出传统实验学习评价体系典型指标项和网络学习评价体系典型指标项,同时分析虚拟仿真实验学习的特征和特殊性,发现虚拟仿真实验环境中学习评价指标与传统学习环境及网络学习环境中的异同点,初步建立虚拟仿真实验环境中学习评价指标体系。
4.2 专家咨询问卷设计及信效度检验
笔者根据初建的学习评价指标体系并结合Likert五级量表编制“虚拟实验环境中学习评价指标体系构建问卷”,依据德尔菲法的特性建立具有代表性的专家小组,咨询专家学者对于各项指标体系合理性的评价意见,利用SPSS工具分析问卷的信度和效度,根据专家意见对各项指标新型增删和修改后形成“虚拟实验环境中学习评价指标体系构建问卷(第二次德尔菲法)”,最终确定虚拟实验环境中学习评价指标体系的各个指标项。
4.3 学习评价指标体系确定及应用思考
利用层次分析法确定各项指标的权重,以形成具有科学性和实用性的“动车组检修”课程虚拟仿真实验学习评价指标体系;针对指标量化问题构建面向学生自评、教师评价、系统评价的评价量表,并思考指标体系在我校“轨道交通信号与控制”国家级虚拟仿真实验教学中心中的应用模式,验证指标体系的可靠性和可操作性。
结语
实验教学资源的建设是提升学生动手能力,提高人才培养质量的重要手段。目前,江苏师范大学“动车组检修”课程实验教学和实践培训存在实验教学成本高、实验效率低、极端检修工况无法模拟等问题。
针对这一现状,本文剖析了“动车组检修”课程的实验项目体系,阐述了对其虚拟仿真的必要性,介绍了“动车组检修”课程虚拟仿真实验的建设思路和现阶段建设成果。同时,本文指出了虚拟仿真实验的构建不仅需要平台设计与实验内容的紧密联合,更需注重评价反馈机制的设计理念。进而本文从虚拟仿真实验学习评价指标体系初建、专家咨询问卷设计及信效度检验、虚拟仿真实验环境中学习评价指标体系确定及应用思考等三个方面,介绍了虚拟仿真实验学习指标评价体系的建设方法,可为相关高校虚拟仿真实验的开发与评价提供参考。
