摘要：隨著科技的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（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在鐵路信號綜合實驗教學(xué)中的應(yīng)用，分析了其優(yōu)勢與不足，并提出了相應(yīng)的改進策略。虛擬仿真平臺通過構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，能夠使學(xué)生在無風(fēng)險的情況下進行實驗操作，深入理解信號系統(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實驗教學(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；鐵路信號；實驗教學(xué)；教學(xué)改革；虛擬現(xiàn)實

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.051

中圖分類號：G 642 文獻標(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

鐵路信號系統(tǒng)是鐵路運輸安全的重要保障，其實驗教學(xué)對于培養(yǎng)合格的鐵路信號技術(shù)人才具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)存在設(shè)備成本高、實驗風(fēng)險大、實驗場地有限等問題，限制了實驗教學(xué)的效果。虛擬仿真平臺作為一種新興的教學(xué)工具，以其真實感強、互動性高、可視化等特點，為鐵路信號實驗教學(xué)提供了新的解決方案。

1 虛擬仿真平臺的基本原理與特點

虛擬仿真平臺通過計算機技術(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不同的場景[1]。在鐵路信號實驗教學(xué)中，虛擬仿真平臺可以模擬真實的信號系統(tǒng)環(huán)境，提供與實際系統(tǒng)相似的操作界面和交互方式，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中進行實驗操作。虛擬仿真平臺具有以下特點：

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

（2）互動性高：支持學(xué)生與虛擬環(huán)境進行實時交互，模擬各種實驗場景和操作過程，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)雜的信號系統(tǒng)知識以直觀、形象的方式呈現(xiàn)出來，便于學(xué)生理解和掌握。

2 虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學(xué)中的應(yīng)用

（1）信號機虛擬仿真平臺。學(xué)生可對信號機與設(shè)備進行測試，設(shè)置信號機的時序、綠燈時間、黃燈時間、紅燈時間等，并進行調(diào)試驗證，確保信號機正常工作；可以通過模擬實際運行情況，觀察信號機在不同條件下的工作表現(xiàn)，并進行性能指標(biāo)的測量和分析；可以優(yōu)化信號機系統(tǒng)的設(shè)計和參數(shù)設(shè)置，通過調(diào)整信號機的工作模式、靈敏度設(shè)置和控制策略等，評估不同方案對列車運行的影響，并找到最佳的優(yōu)化方案；可以模擬信號機可能出現(xiàn)的故障情況，如信號燈故障、電源故障等，以及列車與信號機之間的通信故障，通過實驗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)轍機虛擬仿真平臺。學(xué)生可以進行轉(zhuǎn)轍機組裝實驗?？牲c擊不同部位，拆分底殼蓋、電動機、減速器、摩擦連接器、滾珠絲杠、動作桿、左右鎖閉桿、接點組、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，學(xué)生可通過切換視角觀察動作過程，如電動機按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，電動機通過齒輪帶動減速器旋轉(zhuǎn)，摩擦聯(lián)接器通過滾珠絲杠上的絲母帶動推板套做直線運動，在鎖閉鐵的作用下，完成機械解鎖、轉(zhuǎn)換、鎖閉等一系列動作。

（3）軌道電路虛擬仿真平臺。學(xué)生可以進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；測試軌道電路靈敏度，檢測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），進行故障診斷和維修實驗，培養(yǎng)學(xué)生對常見故障的分析和處理能力。

利用虛擬仿真平臺開展鐵路信號綜合實驗教學(xué)活動，可以實現(xiàn)信號基礎(chǔ)設(shè)備動作原理的深入剖析、機械結(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了學(xué)習(xí)的可操作性和互動性，而且為學(xué)生提供了更多親自動手、實踐操作的機會。充分發(fā)揮其不受時空限制的優(yōu)勢，極大地拓展了實踐教學(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，能夠在自由的時間里根據(jù)個人興趣和需求進行深入的探索和學(xué)習(xí)。因此，借助虛擬仿真平臺開展實驗教學(xué)活動，無疑是軌道交通專業(yè)發(fā)展中的一個重要且前瞻性的方向。

3 虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學(xué)中的優(yōu)勢與不足

虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學(xué)中具有以下顯著的優(yōu)勢。

（1）安全性高。傳統(tǒng)的鐵路信號實驗教學(xué)需要在實際的軌道交通場景中進行，存在一定的安全隱患。而虛擬仿真平臺能夠提供一個安全的實驗環(huán)境，避免學(xué)生因操作失誤而導(dǎo)致的事故，保證學(xué)生的實驗安全。

（2）節(jié)省時間和成本。虛擬仿真平臺可以模擬多種實驗場景，無須準(zhǔn)備大量的實驗器材和材料，大大節(jié)省了實驗準(zhǔn)備的時間和成本。同時，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中多次重復(fù)實驗，無須擔(dān)心器材的損耗和實驗材料的浪費。

（3）實驗場景多樣性。虛擬仿真平臺可以模擬多種實驗場景，如運營管理、通信信號、牽引供電、機車控制等，覆蓋軌道交通的各個方面。這使得學(xué)生可以在更廣闊的范圍內(nèi)進行實驗，進一步拓展他們的學(xué)習(xí)視野[3]。

（4）交互性強。虛擬仿真平臺為學(xué)生提供了與計算機進行交互的機會，可以實時監(jiān)測學(xué)生的操作和實驗過程，并給予及時的反饋和糾錯。這種交互性不僅增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，還有助于提高他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

（5）靈活性、個性化。虛擬仿真平臺可以隨時調(diào)整實驗條件，進行各種參數(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行個性化的學(xué)習(xí)規(guī)劃。

然而，虛擬仿真平臺也存在以下一些不足之處。

（1）模型的準(zhǔn)確性。虛擬仿真實驗的結(jié)果取決于模型的準(zhǔn)確性。如果模型不準(zhǔn)確，實驗結(jié)果也會不準(zhǔn)確，可能會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（2）數(shù)據(jù)的缺乏。虛擬仿真實驗需要大量數(shù)據(jù)來支持模型的運行。如果數(shù)據(jù)缺乏，模型就會不準(zhǔn)確，導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確。

（3）無法完全替代實際實驗。雖然虛擬仿真平臺具有很多優(yōu)勢，但它仍然無法完全替代實際實驗。實際實驗中的某些細節(jié)和感受是虛擬仿真平臺無法模擬的，因此學(xué)生還需要結(jié)合實際實驗來加深對知識的理解和掌握。

（4）技術(shù)更新迭代快。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真平臺也需要不斷更新迭代以保持其先進性和實用性。這可能會給學(xué)校和教師帶來一定的技術(shù)更新壓力。

因此，在實際應(yīng)用中需要綜合考慮各種因素，充分發(fā)揮虛擬仿真平臺的優(yōu)勢，同時結(jié)合實際實驗來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

4 改進策略與建議

為了充分發(fā)揮虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學(xué)中的作用，本文提出以下改進策略與建議：

（1）整合教學(xué)資源。將虛擬仿真平臺與現(xiàn)有的教學(xué)資源進行有機整合，如在線課程、教材、實驗指導(dǎo)書等，形成完整的教學(xué)體系。鼓勵教師利用虛擬仿真平臺進行教學(xué)創(chuàng)新，開發(fā)新的教學(xué)方法和實驗項目[4]。

（2）完善教學(xué)內(nèi)容。需要根據(jù)鐵路信號系統(tǒng)的最新發(fā)展，不斷更新和完善虛擬仿真平臺中的實驗內(nèi)容和教學(xué)案例。要引入更多的實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。

（3）加強師生互動。要利用虛擬仿真平臺的在線功能，加強師生之間的交流和互動，及時解答學(xué)生的問題和疑惑。鼓勵學(xué)生在虛擬仿真平臺上進行小組協(xié)作和團隊實驗，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神和實踐能力。

（4）完善評價體系。建立完善的評價體系，對學(xué)生在虛擬仿真平臺上的學(xué)習(xí)成果進行客觀、公正的評估。將虛擬仿真實驗成績納入課程考核體系，激勵學(xué)生積極參與虛擬仿真實驗教學(xué)活動。

5 結(jié)束語

虛擬仿真平臺在鐵路信號實驗教學(xué)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應(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在提高實驗效率、降低實驗成本、增強學(xué)習(xí)體驗等方面具有顯著的優(yōu)勢。同時，我們也應(yīng)該認識到虛擬仿真平臺存在的不足之處，并采取相應(yīng)的改進策略來完善其應(yīng)用。相信在不久的將來，虛擬仿真平臺將成為鐵路信號實驗教學(xué)的重要工具之一，為培養(yǎng)合格的鐵路信號技術(shù)人才做出更大的貢獻。

參考文獻

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[2] 黃濤，胡佳恒，付佩．虛擬仿真實驗在材料力學(xué)課程教學(xué)改革中的應(yīng)用研究[J]．實驗科學(xué)與技術(shù)，2022（1）：34-38．

[3] 張紅濤，陳露露，譚聯(lián)，等．虛擬仿真類實驗教學(xué)資源省際高校共建共享的研究[J]．實驗技術(shù)與管理，2021（5）：26-28．

[4] 向亦斌．虛擬仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)信息安全實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]．辦公自動化，2024（5）：28-30．