虛擬仿真技術在鐵道車輛技術專業(yè)教學中的應用研究

張皓惟　唐可　何雷　黃志杰　師光洲

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展和人工智能技術的日益成熟，虛擬仿真技術得到了廣泛關注，并在各個領域中的應用逐漸普及。針對職業(yè)院校學生的學習特點、行為習慣和思維模式，積極將虛擬仿真技術引入專業(yè)教學中，是職業(yè)教育提質培優(yōu)的重要抓手。筆者結合鐵道車輛技術專業(yè)的現狀特點，分析了當前教學存在的問題，并積極探索虛擬仿真技術在鐵道車輛技術專業(yè)教學領域的應用，包括基于虛擬仿真技術的“三教”改革研究、虛擬資源和實訓平臺建設、學科競賽以及虛擬仿真技術如何助力雙師型師資隊伍，以期為虛擬仿真技術有效促進鐵道車輛技術專業(yè)發(fā)展提供幫助。

關鍵詞：虛擬仿真技術 鐵道車輛技術 教學改革

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《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》和《職業(yè)教育提質培優(yōu)行動計劃2020-2023》中明確指出：“主動適應科技革命和產業(yè)革命要求，以‘信息技術+升級傳統(tǒng)專業(yè)，及時發(fā)展數字經濟催生的新興專業(yè)。鼓勵職業(yè)學校利用現代信息技術推動人才培養(yǎng)模式改革，滿足學生的多樣化學習需求，大力推進‘互聯(lián)網+‘智能+教育新形態(tài)，推動教育教學變革創(chuàng)新”。

虛擬現實（VR）技術，是21世紀興起的一項革新性實用技術，其主要通過計算機模擬虛擬環(huán)境，為人們帶來身臨其境的感覺[1]。隨著后疫情時代的降臨，中國各高校紛紛投入開發(fā)與應用虛擬仿真教學項目。在2019至2022年間，涉及虛擬仿真教育應用和虛擬實驗室網絡管理的優(yōu)質學術論文在國內外期刊的SCI/EI檢索數量上，中國遙遙領先于其他國家[2]。

鐵道車輛技術專業(yè)作為實踐性很強的專業(yè)，對學生的實踐能力要求較高[3]。然而，傳統(tǒng)的教學模式往往受限于實驗設備、場地等資源，導致學生實踐操作的機會有限。因此，將虛擬仿真技術引入鐵道車輛技術專業(yè)教學具有重要意義。

2 虛擬仿真技術的特點

通過建立虛擬環(huán)境，模擬真實世界中的物理現象和過程，使用戶能夠在虛擬環(huán)境中實現與現實世界相似的交互，從而達到模擬、評估、優(yōu)化和設計等目的。虛擬仿真技術具有以下特點：（1）實時性：虛擬仿真技術可以快速響應用戶的操作，實時生成相應的虛擬環(huán)境；（2）交互性：用戶可以通過各種設備（如鼠標、鍵盤、觸摸屏等）與虛擬環(huán)境進行交互，實現對虛擬世界的控制和操作；（3）靈活性：虛擬仿真技術可以根據不同的需求和條件，靈活地修改和調整虛擬環(huán)境；（4）可視性：虛擬仿真技術可以將復雜數學模型和抽象概念轉化為直觀的可視化圖像，便于用戶理解和掌握。

3 鐵道車輛技術專業(yè)教學現狀與存在的問題

鐵道車輛技術專業(yè)主要培養(yǎng)具備鐵路車輛檢修、運用、維護和管理等方面的技能和素質的專門人才。目前，大多數高校的鐵道車輛技術專業(yè)教學課程體系包括基礎理論課程、專業(yè)技能課程和實踐教學環(huán)節(jié)?；A理論課程主要涵蓋數學、機械基礎、電子技術、計算機應用等方面的知識，為學生打下堅實的理論基礎。專業(yè)技能課程則側重于鐵道車輛技術專業(yè)的核心技能和知識，如鐵道車輛制動裝置檢修、鐵道車輛制動裝置檢修、鐵道車輛動態(tài)檢測技術等。實踐教學環(huán)節(jié)旨在提高學生的實踐能力和動手操作能力，包括實習實訓、畢業(yè)設計等。但是鐵道車輛技術專業(yè)教學面臨著以下幾個方面的問題。

3.1 教學資源問題

作為培養(yǎng)未來鐵道行業(yè)檢修人員的基礎，高質量的教學資源能夠為學生提供扎實的專業(yè)知識，幫助他們更好地適應職業(yè)需求，為鐵路事業(yè)的發(fā)展做出貢獻。然而，目前鐵道車輛檢修專業(yè)教學資源在多個方面面臨著一些問題。首先，教學資源數量不足。雖然隨著信息技術的發(fā)展，數字化教學資源的應用在諸多領域取得了顯著成果，但在鐵道車輛檢修專業(yè)領域，教學資源仍然相對匱乏。這限制了學生獲取知識的途徑，也影響了教學效果。其次，教學資源形式單一。目前，鐵道車輛檢修專業(yè)教學資源主要以課本、課件、視頻等形式為主，較少涉及實際操作、模擬實驗等多元化的教學手段。這使得學生在理論知識的學習上可能沒有問題，但在實際操作能力上可能存在較大的差距。再者，教學資源缺乏吸引力。傳統(tǒng)的教學資源往往過于注重理論知識的傳授，忽略了培養(yǎng)學生興趣和激發(fā)學習動力的重要性。這導致學生對專業(yè)知識的學習充滿抵觸情緒，難以保持學習的積極性。

3.2 實訓設備問題

在鐵道車輛檢修專業(yè)中，實訓環(huán)節(jié)是非常關鍵的，因為它直接影響著學生的實際操作能力和應用水平。然而，當前實訓設備的不足已成為制約教學質量的重要因素。首先，實訓工位不足。隨著專業(yè)發(fā)展，學生招生人數不斷擴大，使得原有的實訓工位無法滿足日益增長的學生需求。由于工位不足，學生在實訓環(huán)節(jié)中往往無法得到充分的練習機會，導致實際操作技能的培養(yǎng)受到限制。其次，實訓設備價格昂貴。鐵道車輛檢修專業(yè)的實訓設備往往需要較高的投入，包括先進的檢測儀器、模擬實訓系統(tǒng)等。部分院校由于經費有限，難以承擔高昂的設備費用，從而影響了實訓設備的配置和更新。最后，校企合作培訓占用實訓設備。為了提高學生實際操作能力，許多院校與企業(yè)開展合作，安排學生在企業(yè)進行實習。然而，這種校企合作的培訓模式在一定程度上也占用了實訓設備，使得實訓資源的緊張進一步加劇。

3.3 實訓環(huán)境問題

鐵道車輛檢修專業(yè)的教學實訓環(huán)境對于學生的實際操作能力和專業(yè)素質具有至關重要的影響。然而，當前鐵道車輛檢修專業(yè)的實訓環(huán)境并不理想，這在很大程度上削弱了實訓效果。首先，部分院校的實訓環(huán)境條件較差，可能存在設備陳舊、場地狹小等問題。這些不良條件限制了學生在實訓過程中對設備的操作練習，影響了實訓質量。同時，不良的實訓環(huán)境可能導致學生在安全意識、操作規(guī)范等方面的培訓不足，增加了實際工作中的安全隱患。其次，由于各種原因，部分學生無法前往企業(yè)進行實訓。這可能是因為地域限制、企業(yè)資源緊張等原因導致的。沒有企業(yè)實訓的機會，學生難以在實際工作場景中鍛煉自己的專業(yè)技能，無法充分了解行業(yè)現狀和發(fā)展趨勢，從而導致實訓效果不佳。

3.4 師資隊伍信息化水平差

鐵道車輛檢修專業(yè)的教學質量在很大程度上取決于師資隊伍的素質和能力。然而，目前部分師資隊伍在信息化水平和教學能力方面存在一定的不足，這對專業(yè)教學造成了一定程度的影響。首先，部分教師的信息化水平較低。在當今信息技術高速發(fā)展的時代，信息化已經滲透到各個領域，對教育行業(yè)產生了深刻影響。然而，部分鐵道車輛檢修專業(yè)教師在信息技術的應用上存在欠缺，難以跟上時代發(fā)展的步伐。這不僅限制了教學方法的創(chuàng)新，還影響了教學質量和效果。其次，部分教師的專業(yè)能力有待提高。在鐵道車輛檢修領域，專業(yè)知識和技能的更新速度很快。部分教師可能在專業(yè)領域的知識儲備和實踐經驗上存在不足，導致他們難以準確把握行業(yè)動態(tài)和發(fā)展趨勢。這種情況可能會使得教師在教學過程中無法為學生提供最新、最具實用性的知識，進而影響學生的專業(yè)素質培養(yǎng)。

此外，教學方法和手段的單一也是部分教師存在的問題。優(yōu)秀的教師應該具備多樣化的教學手段和方法，以適應不同學生的學習需求。然而，部分鐵道車輛檢修專業(yè)教師在教學方法上仍然停留在傳統(tǒng)的講授模式，缺乏創(chuàng)新意識和實踐精神，這使得學生難以保持學習興趣和積極性，影響教學效果。

4 虛擬仿真技術在鐵道車輛檢修專業(yè)教學中的應用

4.1 基于虛擬仿真技術的“三教”改革研究

鐵道車輛檢修專業(yè)教學的三教改革，即教師、教材、教法的改革，具有重要意義。這是因為，隨著鐵道技術的快速發(fā)展以及社會對鐵道車輛檢修人才需求的變化，傳統(tǒng)的教學模式已經無法滿足培養(yǎng)高素質人才的需求。三教改革有助于提高教育質量，更好地適應行業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)的新要求。

虛擬技術在三教改革中發(fā)揮著重要作用。利用虛擬技術可以模擬真實的工作場景，提高學生的實踐操作能力。同時，它還有助于突破地域、時間等限制，提供更為豐富和多樣的教學資源。

通過虛擬技術實現的三教改革，不僅可以提高鐵道車輛檢修專業(yè)教學的趣味性和吸引力，還能夠為學生提供更為實際、貼近真實工作環(huán)境的學習體驗。這將有助于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新精神，使他們更好地適應行業(yè)發(fā)展的需求，為鐵道車輛檢修領域的發(fā)展作出更大的貢獻。

以鐵道車輛專業(yè)中的“鐵道車輛機械裝置檢修”課程為例，在三教改革過程中，教師可以運用虛擬技術為學生展示車輛各部件的構造和工作原理。通過虛擬仿真系統(tǒng)，學生可以親自進行組裝、拆卸和檢修等操作，對車輛構造有更直觀、深入的理解。此外，教師還可以利用虛擬現實技術設計多種故障情景，讓學生在模擬環(huán)境中進行診斷和維修，提高他們的實際操作能力和故障處理水平。

充分發(fā)揮虛擬技術的優(yōu)勢，利用新技術優(yōu)化教學手段，提高教學效果。實踐證明，盡管虛擬仿真技術不可能完全取代實際的教學實驗實訓操作，但鑒于職業(yè)教育教學中實驗實訓的特點以及其它具有的時空任意性、教學互動性、學習環(huán)境真實性等特點，讓教師在教學實驗和實訓中如虎添翼，能彌補傳統(tǒng)教學中無法完成或者實現的教學手段，提高教學效果。

4.2 基于虛擬仿真技術的虛擬資源和實訓平臺建設

鐵道車輛檢修專業(yè)建設實訓室的意義重大。實訓室在教學、人才培養(yǎng)和校企合作人才培養(yǎng)方面發(fā)揮著關鍵作用，有助于提高學生的實際操作能力和專業(yè)素質，為鐵道車輛檢修行業(yè)輸送高素質的技術人才。首先，在教學方面，實訓室提供了一個模擬真實工作環(huán)境的學習場所，使學生在理論學習的基礎上能夠進行實際操作，加深對專業(yè)知識的理解和掌握。此外，實訓室還可以培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新意識，為他們未來的職業(yè)生涯奠定基礎。其次，在人才培養(yǎng)方面，實訓室強調實踐教學，有助于提高學生的實際操作能力。通過實訓室的實踐活動，學生能夠在實際操作中學習到各種專業(yè)技能，提高他們的綜合素質，為將來從事鐵道車輛檢修工作做好充分準備。再次，在校企合作人才培養(yǎng)方面，實訓室成為企業(yè)與學校共同培養(yǎng)人才的平臺。企業(yè)可以參與實訓室的建設和課程設計，使實訓內容更貼近行業(yè)需求，提高人才培養(yǎng)的針對性。同時，實訓室也有助于加強學校與企業(yè)之間的溝通與合作，為人才培養(yǎng)提供有力支持。

例如，通過開展鐵道車輛虛擬仿真實訓室建設，可以解決實訓設備昂貴、實訓場地不足等問題。虛擬仿真實訓室可以提供多種實訓項目，如虛擬組裝、拆卸、檢修等。學生可以在虛擬環(huán)境中進行實訓操作，從而在不受時間、空間限制的情況下，提高實際操作能力。同時，虛擬仿真實訓室還可以提供各種故障診斷和處理的實訓情景，使學生在安全的環(huán)境中積累豐富的實踐經驗。

4.3 基于虛擬仿真技術在學科競賽中的應用與研究

鐵道車輛技術專業(yè)是校級重點專業(yè)，為了早日成為區(qū)級重點專業(yè)，必須形成一批標志性成果。虛擬仿真技術可在提升專業(yè)標志性成果方面發(fā)揮重要作用。首先，虛擬仿真技術在教師比賽中的應用。教師可以利用虛擬仿真技術為學生提供更加生動、直觀的教學內容。通過將虛擬仿真技術融入課堂教學，教師能夠提高教學質量，從而在教學技能大賽中取得優(yōu)異成績。其次，虛擬仿真技術在學生比賽中的應用。在“互聯(lián)網+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”、“挑戰(zhàn)杯中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽”、“全國仿真創(chuàng)新應用大賽”等學生比賽中，虛擬仿真技術可以幫助學生快速建立模型，進行模擬實驗，提高項目的可行性和競爭力。學生可以通過參加這類大賽，充分展示自己在虛擬仿真技術方面的創(chuàng)新成果，提高自己的技能和知識水平。

4.4 助力雙師型師資隊伍

雙師型隊伍是指在教育培訓中具備專業(yè)知識和實踐能力的教師團隊，既擁有豐富的理論知識，又具備實際操作經驗。高素質雙師隊伍是專業(yè)高質量發(fā)展的第一保障。虛擬仿真技術作為一種先進的教學手段，能夠幫助鐵道車輛檢修專業(yè)建設雙師型師資隊伍。首先，通過虛擬仿真技術的應用，教師可以模擬真實的鐵道車輛檢修場景，使教學過程更加直觀和生動。其次，虛擬仿真技術可以提供大量的實踐操作練習機會，使教師在不受時間和空間限制的情況下，能夠隨時掌握和更新專業(yè)知識和技能。此外，虛擬仿真技術還能為教師提供實時反饋和評估功能，有助于教師更好地了解學生的學習進度和需求，進而優(yōu)化教學方法。

5 展望與總結

我們也應看到，隨著虛擬仿真技術的不斷發(fā)展，未來將有更多先進技術應用于鐵道車輛技術專業(yè)教學，如增強現實（AR）、混合現實（MR）等。借助人工智能、大數據等技術，將虛擬仿真與智能化教學相結合，實現個性化教學，提高教學效果。

本文通過對虛擬仿真技術在鐵道車輛技術專業(yè)教學中的應用進行研究，分析了其在提高學生實踐能力、降低教學成本、節(jié)省資源等方面的優(yōu)勢。同時，指出了虛擬仿真技術在鐵道車輛技術專業(yè)教學中的不足，并對其未來發(fā)展進行了展望。本文的研究成果對于推動鐵道車輛技術專業(yè)教學改革具有一定的參考價值。

基金項目：

（1）2022年度柳州鐵道職業(yè)技術學院課程思政教改項目，“鐵道車輛制動裝置檢修”課程思政教學策略研究與實踐探索（2022-KCSZ-JGC08）。

（2）2022 年度柳州鐵道職業(yè)技術學院校級立項項目，城軌車輛系統(tǒng)動力學性能研究（2022-KJC05）。

（3）2020年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目，“動車組隨車電能質量檢測裝置開發(fā)”（2020KY44021）。

（4）2022年度柳州鐵道職業(yè)技術學院課程思政教改項目，“動車組運用與管理”課程思政教學策略研究與實踐探索（2022-KCSZ-JGC11）。

（5）廣西教育科學“十四五”規(guī)劃 2022 年度專項課題，《基于專創(chuàng)融合的動車組檢修技術專業(yè)改革探索與實踐》（2022ZJY2964）。

參考文獻：

[1]趙蔚，段紅.虛擬現實軟件研究[J].計算機技術與發(fā)展，2012，22（02）：229-233.

[2]柳洪潔，宋月鵬，馬蘭婷等.國內外虛擬仿真教學的發(fā)展現狀[J].教育教學論壇，2020，No.463（17）：124-126.

[3]馬成祿.高職鐵道車輛專業(yè)鉤緩實訓室建設研究[J].遼寧高職學報，2016，18（07）：52-53.