■胡定玉 方宇 廖愛華 袁天辰 （上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院）

一 引言

上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院是全國(guó)第一所由校企聯(lián)合創(chuàng)辦的專門培養(yǎng)城市軌道交通專業(yè)人才的學(xué)院。學(xué)院以上海申通地鐵集團(tuán)有限公司為依托，在學(xué)校與行業(yè)、企業(yè)協(xié)同辦學(xué)、協(xié)同育人、協(xié)同創(chuàng)新的“三協(xié)同”發(fā)展模式指導(dǎo)下，主動(dòng)對(duì)接行業(yè)，培養(yǎng)具有較強(qiáng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的優(yōu)秀工程師和工程服務(wù)人才。2010年，城市軌道交通學(xué)院車輛工程專業(yè)入選首批教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)。學(xué)生畢業(yè)后大都進(jìn)入城市軌道交通車輛維保行業(yè)。

在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的背景下，培養(yǎng)具有較強(qiáng)動(dòng)手能力和崗位適應(yīng)能力的工程技術(shù)型人才是專業(yè)發(fā)展的根本。這就要求在培養(yǎng)過程中加大實(shí)踐教學(xué)的比重。雖然專業(yè)課程中設(shè)置了大量的課程實(shí)驗(yàn)，但大都是以演示實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生動(dòng)手操作機(jī)會(huì)不多。另外，由于軌道交通行業(yè)特殊性，出于車輛運(yùn)營(yíng)安全的考慮，學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中也不能進(jìn)行大量的上車實(shí)踐，這對(duì)培養(yǎng)具有較強(qiáng)動(dòng)手能力的應(yīng)用型人才顯然是不利的。而VR技術(shù)能夠在虛擬的環(huán)境中引入真實(shí)的場(chǎng)景，能夠提供良好的用戶環(huán)境交互感受。將VR技術(shù)引入城市軌道交通車輛工程專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)中可以為學(xué)生提供良好的實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)，提升教學(xué)效果[1]。

本文以城市軌道車輛故障診斷技術(shù)為例，深入分析課程定位及實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，從實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)效果評(píng)價(jià)和分析幾個(gè)方面入手，探討了采用VR技術(shù)的新型實(shí)踐教學(xué)手段和方法，為提升專業(yè)課程的教學(xué)效果提供新的思路。

二 本課程在課程體系中的定位

城市軌道車輛故障診斷技術(shù)是面向城市軌道交通車輛工程專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)特色選修課。其任務(wù)是使學(xué)生較全面、系統(tǒng)地了解故障診斷的方法和基本原理以及城市軌道交通車輛的常見故障的分析和處理方法。具體來說，了解車輛機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)故障診斷技術(shù)基本理論、了解溫度檢測(cè)技術(shù)、液壓檢測(cè)技術(shù)、油液檢測(cè)技術(shù)以及無損檢測(cè)技術(shù)等常用檢測(cè)技術(shù)的原理和方法，熟悉軌道車輛轉(zhuǎn)向架、車輪以及車門等基本結(jié)構(gòu)的故障原因和基本維修保養(yǎng)策略，了解車輛運(yùn)營(yíng)故障的基本處理方法和思路，了解城市軌道交通車輛維修策略和維修手段。通過本課程的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)本專業(yè)的濃厚興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，使學(xué)生具有對(duì)于車輛工程故障診斷問題進(jìn)行系統(tǒng)表達(dá)、建立模型、分析求解和論證的能力，為學(xué)生今后從事軌道車輛應(yīng)用工作奠定良好的基礎(chǔ)。課程內(nèi)容充分對(duì)接工程實(shí)際，課程案例均來自學(xué)院相關(guān)研究課題和城市軌道交通行業(yè)實(shí)際案例，具有較強(qiáng)的理論性和工程實(shí)用價(jià)值。課程內(nèi)容與學(xué)生未來實(shí)際工作高度相關(guān)，在學(xué)生修完《城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)與原理》《檢測(cè)與傳感》等課程后開始講授。

三 實(shí)踐課程設(shè)置及教學(xué)現(xiàn)狀

1 實(shí)踐課程設(shè)置現(xiàn)狀

目前本課程主要通過課內(nèi)實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。實(shí)驗(yàn)課程是對(duì)車輛故障檢測(cè)中常用無損檢測(cè)方法的應(yīng)用，目的是幫助廣大學(xué)生加強(qiáng)對(duì)書本知識(shí)中的理解和掌握，并在實(shí)驗(yàn)過程中，深入認(rèn)識(shí)無損檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用范圍，理解無損檢測(cè)在軌道車輛上的用途。當(dāng)前課內(nèi)實(shí)驗(yàn)包括滲透檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和磁粉檢測(cè)試驗(yàn)，內(nèi)容包括檢測(cè)原理介紹，檢測(cè)過程中使用的試劑、材料、設(shè)備等介紹以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示。要求學(xué)生了解這兩種檢測(cè)技術(shù)的特征、適用范圍、技術(shù)要點(diǎn)。

2 實(shí)踐教學(xué)分析

滲透和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置主要是對(duì)接軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中并不會(huì)采用真實(shí)的構(gòu)架模型，而只是采用專用的故障演示器材，嚴(yán)重偏離實(shí)際，這就導(dǎo)致學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)感不強(qiáng)，對(duì)學(xué)生掌握真實(shí)的車輛故障診斷技術(shù)產(chǎn)生較大限制。同時(shí)，在無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，還有大量耗材的使用，成本較高。實(shí)踐教學(xué)過程中學(xué)生很少由實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，不利于培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才[2]。

四 基于VR技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)方案

1 VR技術(shù)簡(jiǎn)介

VR技術(shù)是一種綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)中各種接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成可交互的沉浸式環(huán)境的技術(shù)。該技術(shù)借助計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)的場(chǎng)景進(jìn)行建模，讓使用者可以在一種虛擬環(huán)境中產(chǎn)生在真實(shí)的客觀世界中的感覺，同時(shí)，使用者能夠利用接口設(shè)備進(jìn)行場(chǎng)景交互，在虛擬的場(chǎng)景中感受到真實(shí)世界。將VR技術(shù)與教學(xué)手段結(jié)合，可以極大地降低實(shí)踐成本，同時(shí)能夠很大程度上保留在真實(shí)場(chǎng)景中的實(shí)踐效果，因此該技術(shù)越來越受到國(guó)內(nèi)外高校的重視，是未來智能化教學(xué)的方向[3]。

2 基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（1）牽引控制系統(tǒng)虛擬檢修

牽引控制系統(tǒng)是城軌列車的核心系統(tǒng)之一，對(duì)牽引控制系統(tǒng)的檢修包括牽引逆變器、受電弓、牽引電機(jī)等的檢修內(nèi)容。利用VR技術(shù)，展示出這些零部件在地鐵車輛的位置，通過動(dòng)畫拆解以及虛化無關(guān)項(xiàng)的形式，把需要檢修的零部件展示在顯示設(shè)備上。將牽引控制系統(tǒng)設(shè)置成可虛化模式，假設(shè)液壓減震器故障，可以將其表現(xiàn)為紅色，檢修過后再表現(xiàn)為正常顏色，受電弓其他完好的零部件正常顯示并且稍微虛化，然后將牽引控制系統(tǒng)中其他部件虛化程度更高一些，以此類推，還可以制作虛擬動(dòng)畫展示拆裝檢修過程。

（2）車門控制系統(tǒng)虛擬檢修

車門控制系統(tǒng)為電控氣動(dòng)門，主要包括門扇、驅(qū)動(dòng)裝置、門控器等，驅(qū)動(dòng)裝置又包括絲杠、導(dǎo)軌、連接器等。主要故障表現(xiàn)為電控制部件失效、氣動(dòng)控制部件損壞及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械疲勞等，其中車門控制繼電器、短行程風(fēng)缸、中央控制閥及行程開關(guān)故障占電控氣動(dòng)門故障的主要部分，這些零部件是檢修的重中之重。在VR技術(shù)中檢修其中一種部件的時(shí)候，出現(xiàn)故障的零部件以有特殊的形式表現(xiàn)，例如鮮亮的顏色，特殊的文字標(biāo)注等，也可以把故障部件的故障模型在VR中展現(xiàn)。

（3）軌道電路虛擬檢修實(shí)驗(yàn)

軌道電路虛擬檢修主要是根據(jù)輸入的電路圖的連接關(guān)系生成邏輯文件，再利用邏輯文件生成邏輯回路；當(dāng)電路虛擬仿真+.運(yùn)行時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)人員或培訓(xùn)人員設(shè)置的各種工況或故障狀態(tài),用顏色、位置、形狀等信息動(dòng)態(tài)地刷新顯示列車電路中各種器件的得電及動(dòng)作、導(dǎo)線的電信號(hào)流向,并配之以聲音、文字等說明,使列車電路原理形象、直觀地顯示出來。

3 教學(xué)效果分析

利用VR虛擬技術(shù)進(jìn)行教學(xué)仿真，擺脫了現(xiàn)階段那種眾多學(xué)生圍在一起看教師操作的模式，也擺脫了固定時(shí)間固定地點(diǎn)聽老師侃侃而談的模式，借助于相關(guān)的電子設(shè)備，將教學(xué)內(nèi)容詳細(xì)直觀地展示給學(xué)員，學(xué)員隨時(shí)隨地可以自主學(xué)習(xí)。借助操作設(shè)備，學(xué)員隨時(shí)可以手動(dòng)模擬現(xiàn)場(chǎng)故障診斷實(shí)踐操作，鞏固所學(xué)內(nèi)容，迅速地掌握故障診斷技巧。同時(shí)可以借助于教師的科研項(xiàng)目，以“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”實(shí)踐教學(xué)模式[4]，開闊學(xué)生視野。

五 結(jié)語(yǔ)

本文以城市軌道交通車輛故障診斷診斷技術(shù)課程為例，探討了VR技術(shù)在專業(yè)課教學(xué)中的實(shí)踐教學(xué)方案。通過分析現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及方案。采用VR技術(shù)可以極大地降低教學(xué)成本，同時(shí)通過虛擬環(huán)境和接近真實(shí)的代入感，使學(xué)生充分感受到現(xiàn)場(chǎng)故障診斷的操作模式，有效地提升教學(xué)效果。