基于虚拟仿真的人工智能技术在铁道车辆教学方面的应用

摘要：聚焦于将基于虚拟仿真的人工智能技术融入铁道车辆教学领域的应用研究。首先，简要介绍了虚拟仿真技术和人工智能技术的核心概念，并深入探讨了这两项先进技术在铁道车辆专业教育中的应用优势。在此基础上，提出了一套具体的实施路径，旨在通过创新的教学模式来提升铁道车辆专业的教学质量，促进该领域教育的高质量发展。

关键词：虚拟仿真技术；人工智能技术；铁道车辆教学

一、前言

随着铁路交通的迅猛发展，铁道车辆教学的战略重要性日益凸显。然而，在传统教学模式下，铁道车辆教学面临着一系列显著挑战。例如，实验设备成本高昂、实验环境受限以及实际操作难度大等问题逐渐显现，不仅制约了教学质量的提升，也对学生的实践能力培养构成了障碍[1]。在此背景下，学校亟须探索新的教学方法来克服这些局限性。

近年来，现代化数字技术的广泛应用为教育领域带来了革新机遇，尤其是在铁道车辆教学中，教师们开始利用虚拟仿真（Virtual Simulation，VS）技术和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术，构建三维虚拟世界，使学生在沉浸式的环境中学习和实践[2]。通过这种方式，不仅可以增强学生的操作技能，还能激发他们对专业知识的兴趣，提高学习效果。

二、VS技术概述

VS技术是指利用计算机生成一个模拟真实世界的三维环境，该环境能够重现物理特征和行为模式，从而支持实验、训练或演示等活动。根据不同的应用场景和技术特点，VS技术主要可以分为以下几种类型：

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术：VR技术通过佩戴专门设计的头戴式显示器、手柄等交互设备，让用户完全沉浸在由计算机创建的三维环境中。

增强现实（Augmented Reality，AR）技术：AR技术将虚拟元素叠加到用户的现实视图之上，通常借助智能手机、平板电脑或其他配备摄像头的智能设备实现。

混合现实（Mixed Reality，MR）技术：MR技术结合了VR和AR的优点，它允许虚拟物体出现在现实世界中并与现实世界互动，创造出一种全新的视觉体验。

交互式模拟（Interactive Simulation，IS）技术：IS技术依赖于计算机设备来模拟现实世界中的物理过程或行为，并允许用户通过输入装置进行实时互动。

数值仿真（Numerical Simulation，NS）技术：NS技术基于数学模型和计算方法，用于预测和优化复杂系统的性能。通过对实际物理现象建立精确的数学描述，研究人员可以在计算机上运行大量实验以评估不同条件下的系统表现。

三、AI技术概述

AI作为新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量，是指由人类设计并制造的机器或系统，能够模拟、扩展人类的感知、理解、推理、决策、学习及创造等智能行为。根据智能水平的不同，AI可以分为以下几个层次：

弱人工智能（Narrow AI），是指在特定领域或任务中表现出人类智能的机器或系统。

强人工智能（General AI），是指能够在多个不同领域执行各种任务，且其表现可以达到或超过人类智能水平的机器或系统。

超人工智能（Superintelligence），是指在所有认知任务上都远超最聪明的人类大脑的机器智能。

现阶段，AI技术的发展主要集中在弱AI领域，通过不断优化算法模型和技术框架来提高现有系统的性能。例如，在铁道车辆教学中，基于虚拟仿真平台的人工智能技术可以帮助学生更好地理解和掌握复杂的机械结构和操作流程。

四、基于VS的AI技术在铁道车辆教学应用的优势

将VS与AI技术相结合，为铁道车辆教学带来了显著的变革。这种融合不仅克服了传统教学模式中的诸多局限，还通过创新的教学方式提升了学生的参与度和学习效果[3]。以下是基于VS和AI技术在铁道车辆教学中应用的主要优势。

（一）突破时间和空间的限制

利用基于VS的AI技术，教师可以为学生创建一个不受时间、地点约束的学习环境。虚拟实训场地的建立有效解决了铁道车辆教学中设备昂贵、场地受限等问题。此外，该技术可以根据学生的学习特点和作息规律灵活调整，允许学生根据自己的进度选择合适的时间进行学习。

（二）提升安全性和降低风险

在铁道车辆的教学过程中，尤其是涉及电气装置检修等实训环节时，存在着一定的安全隐患。例如，“铁道车辆电气装置检修”课程中存在触电风险，“铁道车辆机械装置检修”课程则可能遇到跌倒或砸伤等情况[4]。通过引入基于VS的AI技术，学生可以在完全虚拟的安全环境中进行模拟操作，无需担心物理伤害的风险。

（三）强化教学内容的可扩展性

借助VS和AI技术支持下的教学平台，教师可以在讲解理论知识的同时进行实时模拟演示，帮助学生更直观地理解复杂的铁道车辆构造及其检修方法。同时，学生还可以自主模拟故障情景并尝试解决，这一过程不仅激发了他们的学习兴趣，也促进了批判性思维的发展。

（四）贴合时代发展的需求

基于VS的AI技术通过互联网+网络和计算机设备对铁道车辆运行状况进行精准模拟，并能适时模拟故障检修情境。这种方式不仅让学生更好地适应未来的工作环境，而且确保他们所学的知识始终紧跟行业最新发展动态[5]。教师也可以借此机会及时更新教材内容，避免信息滞后的问题，满足不同层次学生的学习需求，为他们将来顺利进入职场打下坚实的基础。

五、基于VS的AI技术铁道车辆教学路径

（一）“3层级”实训教学模式

在铁道车辆教学中，学校为学生构建了专门的基于VS的AI技术实训基地，并配备了相关设备和平台，丰富了教学资源。通过对照不同实训项目的特征，将传统的教室教学逐渐转向VS实训场地，按照“以实带虚”“以虚助实”“虚实结合”的“3层级”原则，建立了高仿真、多角度的实训教学环境，实现了实训教学模式的根本转变，如图1所示。

1.以实带虚—辅助认知

在“以实带虚”阶段，针对铁道车辆教学领域中自成体系、相对独立且公共性强的实训课程内容，学校将其转变为线上纯虚拟的VS实训教学资源，并对其进行调整、优化和创新，创建“理论—虚拟—实践”相结合的教学模式，辅助基础教学。例如，在教授“动车组车顶高压电气设备一级修”时，由于涉及复杂问题，如高空作业的安全风险和空间狭窄导致的观察不便，合理利用移动资源确保“以实带虚”实训教学的顺利实施。教师可以亲自示范操作，示范结束后指导学生进行练习，帮助学生更好地理解和掌握操作技能。

2.以虚助实—加深理解

在“以虚助实”阶段，对于铁道车辆教学中的难点问题，借助VS实训模块和软件，遵循虚拟互动教学流程，有针对性地指导学生开展训练，提高他们的实践能力。例如，在“接触网零部件装配实训项目”中，通过VS和AI技术的应用，采用增强现实（AR）引学、仿真训练、技能考核和实物装配等手段，使学生能够更加深入地了解相关知识和技术细节，从而加深对难点的理解和掌握。

3.虚实结合—强化技能

在“虚实结合”阶段，学校与企业合作，共同开发活页式AR实训指导书，添加VS资源二维码，并融入新技术和新工艺，同步更新教学内容，方便学生自主学习，提高学生对未来工作岗位的认知能力和实际操作技能。这种结合不仅增强了学生的动手能力，还为他们提供了真实工作场景的模拟体验，为未来的职业发展打下了坚实的基础。

（二）虚拟资源与实训平台建设

在铁道车辆教学过程中，实训室的建设和优化是至关重要的环节。实训室不仅为学生提供了模拟未来工作环境的学习场地，而且有助于理论知识与实践操作的有效结合。通过引入基于VS的AI技术，可以显著提升实训室的功能性和灵活性，解决传统实训室存在的场地不足、设备成本高昂等问题，从而更好地满足现代教育的需求。

1.提供多元化的实训项目

利用VS和AI技术支持下的虚拟实训平台，学校能够为学生提供更加多样化且富有挑战性的实训项目。例如，虚拟组装、拆卸及检修等项目可以让学生在虚拟环境中完成复杂的机械操作，检验自身对铁道车辆构造和检修技术的理解程度。这些项目不仅可以帮助学生巩固课堂上学到的理论知识，还能培养他们的实际动手能力和解决问题的能力[6]。

2.解决传统实训室的局限性

传统的铁道车辆实训室往往受到空间和预算的限制，难以配备足够的设备供所有学生使用。而基于VS的AI技术则可以通过软件模拟的方式创建无限数量的虚拟设备和场景，彻底解决这一问题。学生不再受限于物理空间或设备数量，可以在任何时间、地点接入系统进行学习和训练。

3.模拟真实的工作环境

为了让学生更好地适应未来的职场需求，基于VS的AI技术构建的虚拟实训平台力求高度还原真实的铁道车辆工作环境。从车体结构到内部组件，从日常维护到紧急抢修，每一个细节都被精心设计，确保学生获得最贴近实际的操作体验。

（三）助力“三教”改革

1.教师：提升教学水平与个性化指导

通过构建双师型师资队伍，基于VS的AI技术为教师提供了先进的辅助工具。教师能够根据现实生活中的铁道车辆检修场景，利用该技术模拟相应的检修情景，使教学内容更加生动、趣味化。同时，这项技术支持下的情境模拟创造了更多的实训机会，不受地域和时间的限制，教师和学生可以随时随地进行实践训练[7]。

2.教材：促进内容创新与资源多元化

基于VS的AI技术，教材得以不断创新，以适应快速发展的铁道技术和行业需求。这些技术帮助教师模拟真实的工作场景，丰富了教材的内容形式，使得学生不仅可以通过传统文本学习理论知识，还能通过虚拟环境进行实践操作，强化学生动手能力和专业知识。

3.教法：增强互动性与优化教学模式

引入基于VS的AI技术优化了教学方法，增强了铁道车辆教学的互动性和趣味性。例如，在“铁道车辆机械装置检修”课程中，教师可以通过大屏幕展示不同类型的车辆内部结构，并使用VS系统指导学生进行组装、拆卸和检修等实践活动。这种沉浸式学习体验不仅提高了学生的动手能力和创新能力，还增强了他们的学习体验感。教师还可以设计不同的故障情境，让学生在模拟环境中开展诊断和维修工作，过程中及时提供反馈和指导，指出错误并给予改正建议，以此提高学生处理实际问题的能力。

（四）在学科竞赛中的应用

铁道车辆教学在学校教育中占据重要地位，将基于VS的AI技术应用于该领域，不仅能够促进教学成果的专业化，还能显著提升教学质量。具体而言，这些技术在教师和学生竞赛中的应用表现出以下优势。

1. 教师技能大赛的应用

技能大赛为教师提供了展示和提升自身能力的平台，极大地调动了他们的积极性和创新性。比赛中，教师利用VS和AI技术为学生设计更加生动有趣的教学内容，尤其是在理论课堂教学中，这种技术的应用吸引了学生的注意力，营造了互动性强的教学氛围，潜移默化地提高了学生的学习能力和效果，进而使教师在教学技能大赛中取得优异成绩。

2.学生竞赛的应用

学校根据学生近期的学习情况，组织各类富有挑战性和创新性的比赛活动，如“互联网+大学生创新创业大赛”“创新创业设计大赛”和“仿真创新应用大赛”等。这些竞赛帮助学生快速构建VS模型，开展模拟实验，确保所设计的项目具备实际操作性。教师积极鼓励学生参与上述比赛活动，让学生在竞赛平台上展示自己的创新成果，进一步提高学生的专业技能。

（五）完善教学评价

教学评价是铁道车辆教学过程中至关重要的环节，通过科学合理的评价机制，教师可以全面了解学生的学习情况和发展需求。为了确保评价体系的公平性和公正性，在实施评价之前，必须制定统一且透明的评价标准，确保全校师生能够清晰理解评价标准及其过程，不仅增强了评价的可信度，也为教师和学生提供了明确的行为导向。

针对教师的评价应与职位晋升和工作绩效紧密挂钩，以此规范教师的教学行为，激励他们不断提升教学质量。通过建立一套完善的教师评价体系，学校可以有效地促进教师的专业成长，推动教学水平的整体提升。

对于学生的评价应采用多元化的评价方法，包括但不限于教师评价、学生互评、课堂表现评价等，不应仅依赖期末考试成绩，还应重视综合评价，包括知识掌握、技能应用和创新能力等方面。这种全面的评价方式有助于促进学生的全面发展，培养学生综合素质。

六、结语

综上所述，基于虚拟仿真的人工智能技术在铁道车辆教学中的应用，不仅革新了传统的教学模式，还显著提升了教学质量与学生的学习体验。通过构建三维虚拟环境，教师能够模拟真实的工作场景，使学生在沉浸式学习中掌握复杂的检修技能，增强了学生的动手能力和创新意识。此外，双师型师资队伍的建设、教材与教学方法的优化以及“3层级”实训教学模式的应用，共同推动了铁道车辆教育的专业化和现代化进程。学科竞赛的应用则进一步激发了师生的积极性与创新能力，促进了教学成果的转化。完善的教学评价体系确保了评价的公平性和透明度，为教师和学生的共同发展提供了有力保障。未来，随着VS和AI技术的不断进步，铁道车辆教学将继续探索更多可能性，培养出更多适应行业需求的高素质专业人才，推动铁道车辆领域实现可持续发展。这一系列改革措施不仅为职业教育注入了新的活力，也为我国交通运输事业的发展奠定了坚实基础。

参考文献

[1]毛翠，姚水洪，甘椿椿，等.智慧康养虚拟仿真实训教学体系的构建与实践研究[J].中华护理教育，2024，21（09）：1059-1065.

[2]曹晔.职业教育“双师型”教师队伍建设：基于治理体系的思考——《深化新时代职业教育“双师型”教师队伍建设改革实施方案》等系列文件解读[J].职教发展研究，2019（03）：33-37.

[3] 张皓惟，唐可，何雷，等. 虚拟仿真技术在铁道车辆技术专业教学中的应用研究[J].时代汽车，2023（11）：77-79.

[4] 王雪琦，何雷，崔志军，等. VR技术在铁道车辆教学中的探索与应用[J].时代汽车，2022（05）：65-66.

[5] 罗敏，程祖国，薛文斌.以可靠性为中心的轨道车辆关键设备虚拟维修仿真教学实验平台设计与开发[J].数字技术与应用，2023，41（05）：153-155.

[6]廖倩.数字化时代“铁道工程BIM技术”课程的教学改革与探索[J].科学咨询（教育科研），2023（09）：117-119.

[7]卫海.机械制图与CAD课程理实一体化教学改革与探索—— 以西安铁路职业技术学院铁道车辆专业群为例[J].造纸装备及材料，2022，51（08）：228-230.

基金项目：1.2023年度柳州市教师队伍建设理论与实践研究课题“虚拟仿真类技能大赛促进教师队伍成长的研究”（项目编号：2023RSA-09）；2.柳州教育科学规划2023年度职业教育课题“虚拟仿真技术赋能职业教育三教改革的研究与实践”（项目编号：2023ZJC070）；3.柳州教育科学规划2023年度职业教育课题“面向轨道交通产业的现场工程师培养探索与实践——以中国-马来西亚铁路工匠学院为例”（项目编号：2023ZJB012）

作者单位：柳州铁道职业技术学院

责任编辑：张津平 尚丹