摘要：隨著科技的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和仿真技術(shù)已成為教學(xué)的重要工具。該文探討了虛擬仿真平臺(tái)在鐵路信號(hào)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，分析了其優(yōu)勢(shì)與不足，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略。虛擬仿真平臺(tái)通過構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，能夠使學(xué)生在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，深入理解信號(hào)系統(tǒng)的工作原理，從而提高學(xué)習(xí)效果和興趣。該研究不僅為鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路，也為其他領(lǐng)域的教學(xué)提供了參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真平臺(tái)；鐵路信號(hào)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；虛擬現(xiàn)實(shí)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.051

中圖分類號(hào)：G 642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）09-0-03

Application of Virtual Simulation Platform in Railway Signal Comprehensive Experimental Teaching

HAO Juxiang

（Xi'an Jiaotong University， Xi'an 710000， China）

Abstract： With the rapid development of technology， virtual reality （VR） and simulation technology have become important tools for teaching. The article explores the application of virtual simulation platform in railway signal comprehensive experimental teaching， analyzes its advantages and disadvantages， and proposes corresponding improvement strategies. The virtual simulation platform enables students to conduct experimental operations in a risk-free manner by constructing a virtual simulation environment， gaining a deeper understanding of the working principles of signal systems， thereby improving learning effectiveness and interest. This study not only provides new ideas for railway signal experimental teaching， but also provides references for teaching in other fields.

Keywords： virtual simulation platform; railway signal; experimental teaching; reform in education; virtual reality

鐵路信號(hào)系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸安全的重要保障，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)合格的鐵路信號(hào)技術(shù)人才具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在設(shè)備成本高、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限等問題，限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。虛擬仿真平臺(tái)作為一種新興的教學(xué)工具，以其真實(shí)感強(qiáng)、互動(dòng)性高、可視化等特點(diǎn)，為鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的解決方案。

1 虛擬仿真平臺(tái)的基本原理與特點(diǎn)

虛擬仿真平臺(tái)通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)，模擬生成三維圖像和聲音，使用戶能夠沉浸式地體驗(yàn)不同的場(chǎng)景[1]。在鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬仿真平臺(tái)可以模擬真實(shí)的信號(hào)系統(tǒng)環(huán)境，提供與實(shí)際系統(tǒng)相似的操作界面和交互方式，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。虛擬仿真平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

（1）真實(shí)感強(qiáng)：通過高度逼真的模擬，使學(xué)生仿佛置身于真實(shí)的信號(hào)系統(tǒng)環(huán)境中，提高學(xué)習(xí)的沉浸感和真實(shí)感。

（2）互動(dòng)性高：支持學(xué)生與虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，模擬各種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和操作過程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。

（3）可視化：通過三維圖像和聲音等多媒體手段，將復(fù)雜的信號(hào)系統(tǒng)知識(shí)以直觀、形象的方式呈現(xiàn)出來(lái)，便于學(xué)生理解和掌握。

2 虛擬仿真平臺(tái)在鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

（1）信號(hào)機(jī)虛擬仿真平臺(tái)。學(xué)生可對(duì)信號(hào)機(jī)與設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置信號(hào)機(jī)的時(shí)序、綠燈時(shí)間、黃燈時(shí)間、紅燈時(shí)間等，并進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，確保信號(hào)機(jī)正常工作；可以通過模擬實(shí)際運(yùn)行情況，觀察信號(hào)機(jī)在不同條件下的工作表現(xiàn)，并進(jìn)行性能指標(biāo)的測(cè)量和分析；可以優(yōu)化信號(hào)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，通過調(diào)整信號(hào)機(jī)的工作模式、靈敏度設(shè)置和控制策略等，評(píng)估不同方案對(duì)列車運(yùn)行的影響，并找到最佳的優(yōu)化方案；可以模擬信號(hào)機(jī)可能出現(xiàn)的故障情況，如信號(hào)燈故障、電源故障等，以及列車與信號(hào)機(jī)之間的通信故障，通過實(shí)驗(yàn)分析故障的原因和影響，為故障診斷和修復(fù)提供依據(jù)。

（2）轉(zhuǎn)轍機(jī)虛擬仿真平臺(tái)。學(xué)生可以進(jìn)行轉(zhuǎn)轍機(jī)組裝實(shí)驗(yàn)。可點(diǎn)擊不同部位，拆分底殼蓋、電動(dòng)機(jī)、減速器、摩擦連接器、滾珠絲杠、動(dòng)作桿、左右鎖閉桿、接點(diǎn)組、安全開關(guān)組、擠脫器、接線端子等，通過切換視角觀察各部件組成。同時(shí)，學(xué)生可通過切換視角觀察動(dòng)作過程，如電動(dòng)機(jī)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)通過齒輪帶動(dòng)減速器旋轉(zhuǎn)，摩擦聯(lián)接器通過滾珠絲杠上的絲母帶動(dòng)推板套做直線運(yùn)動(dòng)，在鎖閉鐵的作用下，完成機(jī)械解鎖、轉(zhuǎn)換、鎖閉等一系列動(dòng)作。

（3）軌道電路虛擬仿真平臺(tái)。學(xué)生可以進(jìn)行軌道電路的安裝和調(diào)試，包括電纜的布線、接頭的連接、絕緣節(jié)的安裝，確保軌道電路的正常工作；測(cè)試軌道電路靈敏度，檢測(cè)軌道存在的最小電流和電壓；調(diào)整軌道電路的參數(shù)，確定其在不同條件下的靈敏度；模擬軌道電路可能出現(xiàn)的故障情況（紅光帶、分路不良），進(jìn)行故障診斷和維修實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)常見故障的分析和處理能力。

利用虛擬仿真平臺(tái)開展鐵路信號(hào)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備動(dòng)作原理的深入剖析、機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維可視化展示、故障診斷的精確模擬，以及拆裝布置的全方位學(xué)習(xí)[2]。這一舉措不僅極大地增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的可操作性和互動(dòng)性，而且為學(xué)生提供了更多親自動(dòng)手、實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)。充分發(fā)揮其不受時(shí)空限制的優(yōu)勢(shì)，極大地拓展了實(shí)踐教學(xué)的廣度和深度。這一創(chuàng)新性的教學(xué)模式有助于學(xué)生獲得更多的自主權(quán)和靈活性，能夠在自由的時(shí)間里根據(jù)個(gè)人興趣和需求進(jìn)行深入的探索和學(xué)習(xí)。因此，借助虛擬仿真平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，無(wú)疑是軌道交通專業(yè)發(fā)展中的一個(gè)重要且前瞻性的方向。

3 虛擬仿真平臺(tái)在鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)與不足

虛擬仿真平臺(tái)在鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有以下顯著的優(yōu)勢(shì)。

（1）安全性高。傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要在實(shí)際的軌道交通場(chǎng)景中進(jìn)行，存在一定的安全隱患。而虛擬仿真平臺(tái)能夠提供一個(gè)安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，避免學(xué)生因操作失誤而導(dǎo)致的事故，保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全。

（2）節(jié)省時(shí)間和成本。虛擬仿真平臺(tái)可以模擬多種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，無(wú)須準(zhǔn)備大量的實(shí)驗(yàn)器材和材料，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的時(shí)間和成本。同時(shí)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，無(wú)須擔(dān)心器材的損耗和實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)。

（3）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景多樣性。虛擬仿真平臺(tái)可以模擬多種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，如運(yùn)營(yíng)管理、通信信號(hào)、牽引供電、機(jī)車控制等，覆蓋軌道交通的各個(gè)方面。這使得學(xué)生可以在更廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步拓展他們的學(xué)習(xí)視野[3]。

（4）交互性強(qiáng)。虛擬仿真平臺(tái)為學(xué)生提供了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的機(jī)會(huì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的操作和實(shí)驗(yàn)過程，并給予及時(shí)的反饋和糾錯(cuò)。這種交互性不僅增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還有助于提高他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

（5）靈活性、個(gè)性化。虛擬仿真平臺(tái)可以隨時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行各種參數(shù)調(diào)節(jié)，以滿足學(xué)生的不同需求。這使得學(xué)生的學(xué)習(xí)更加靈活，可以根據(jù)自己的興趣和需要進(jìn)行個(gè)性化的學(xué)習(xí)規(guī)劃。

然而，虛擬仿真平臺(tái)也存在以下一些不足之處。

（1）模型的準(zhǔn)確性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果取決于模型的準(zhǔn)確性。如果模型不準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)不準(zhǔn)確，可能會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（2）數(shù)據(jù)的缺乏。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要大量數(shù)據(jù)來(lái)支持模型的運(yùn)行。如果數(shù)據(jù)缺乏，模型就會(huì)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

（3）無(wú)法完全替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)。雖然虛擬仿真平臺(tái)具有很多優(yōu)勢(shì)，但它仍然無(wú)法完全替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的某些細(xì)節(jié)和感受是虛擬仿真平臺(tái)無(wú)法模擬的，因此學(xué)生還需要結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

（4）技術(shù)更新迭代快。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真平臺(tái)也需要不斷更新迭代以保持其先進(jìn)性和實(shí)用性。這可能會(huì)給學(xué)校和教師帶來(lái)一定的技術(shù)更新壓力。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮各種因素，充分發(fā)揮虛擬仿真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

4 改進(jìn)策略與建議

為了充分發(fā)揮虛擬仿真平臺(tái)在鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，本文提出以下改進(jìn)策略與建議：

（1）整合教學(xué)資源。將虛擬仿真平臺(tái)與現(xiàn)有的教學(xué)資源進(jìn)行有機(jī)整合，如在線課程、教材、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等，形成完整的教學(xué)體系。鼓勵(lì)教師利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新，開發(fā)新的教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4]。

（2）完善教學(xué)內(nèi)容。需要根據(jù)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的最新發(fā)展，不斷更新和完善虛擬仿真平臺(tái)中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)案例。要引入更多的實(shí)際工程案例和故障處理案例，幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。

（3）加強(qiáng)師生互動(dòng)。要利用虛擬仿真平臺(tái)的在線功能，加強(qiáng)師生之間的交流和互動(dòng)，及時(shí)解答學(xué)生的問題和疑惑。鼓勵(lì)學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行小組協(xié)作和團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和實(shí)踐能力。

（4）完善評(píng)價(jià)體系。建立完善的評(píng)價(jià)體系，對(duì)學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行客觀、公正的評(píng)估。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)納入課程考核體系，激勵(lì)學(xué)生積極參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真平臺(tái)在鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。通過本文的探討和分析，我們可以看到虛擬仿真平臺(tái)在提高實(shí)驗(yàn)效率、降低實(shí)驗(yàn)成本、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到虛擬仿真平臺(tái)存在的不足之處，并采取相應(yīng)的改進(jìn)策略來(lái)完善其應(yīng)用。相信在不久的將來(lái)，虛擬仿真平臺(tái)將成為鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要工具之一，為培養(yǎng)合格的鐵路信號(hào)技術(shù)人才做出更大的貢獻(xiàn)。

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