虚拟现实技术在《动车组故障诊断》教学中的应用
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摘要：虚拟现实技术能够模拟环境，建立多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为，具有沉浸性、交互性、想象性的特点。传统的动车组故障诊断教学多基于课本，缺乏生动形象场景，学生难以把握整体专业知识框架；教学资源匮乏，课堂多以教师枯燥无味讲授为主，无法交给学生，调动学生学习积极性。基于虚拟现实技术的动车组故障诊断教学可以提供动车组构造的虚拟仿真系统，三维构建动车组网络控制和故障诊断动态过程，使学生对故障部位、故障传输以及形成机理有身临其境般的认识，充分激发学生的好奇心和求知欲，活跃课堂气氛，课堂教学重心也会向学生倾斜，以产出为导向的课堂教学才能逐渐形成，最终改进教学方法，提高课程教学质量。
关键词：虚拟现实；动车组故障诊断；教学方法
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0191-02
轨道交通车辆故障诊断是轨道交通车辆工程专业的一门核心专业课，该课程内容繁多，涉及知识多，实践性强。考虑到铁路运输安全性，铁路院校学生缺乏实车运输诊断的实践经验，对车体结构以及故障诊断的基本流程没有感性认识。因此，传统教学难以把课堂交给学生，无法使学生和教师形成对接，虽然教师付出了很大的努力进行教学，学生仍然无法把握重点，模棱两可。在后期从事故障诊断检修工作过程中，很难顺利轻松完成整个作业过程，基于OBE理念以产出为导向的教学目的无法实现。
一、动车组故障诊断教学中存在的问题
1.学生缺乏整体专业知识框架的直观接触。虽然该课程是在学生掌握了基础理论知识以及专业知识后开设的，学校最大程度地提供了整车的实物模型以及转向架的拆装课程，但课堂缺乏趣味性，学生缺乏直观的认识，仅仅面对枯燥无味密密麻麻的文字，无法提高兴趣，专业知识掌握不够。在故障诊断教学中，对车辆容易产生故障的部件了解就已经产生很大障碍，再进一步地掌握部件工作原理以及故障产生形式，就显得力不从心，久而久之，课堂气氛沉闷，学生积极性愈发受到挫伤，教师满头大汗反反复复地讲解，并没有达到良好的教学效果。
2.教学资源匮乏。教学设备以及教学资源匮乏导致教学无法联系实际，学生不能直观获取知识。轨道交通车辆故障诊断课程所有的事实点都是围绕对车辆各个部件动态过程产生的故障特征量进行处理分析，得到可能导致故障的原因，动态过程的模拟需要特定的教学设备完成，比如对走形部轴承的振动诊断以及轴箱的温度监测等，需要采集动态振动数据以及车辆工作状态下的温度变化测量。而实际教学过程中，仅仅是依据教材中几幅图像以及相关结论，就完成整个教学内容，学生无法探索其源，只是被动接受，完全没有积极主动性。在后期从事相关方面工作时，往往不能灵活处理故障问题。
3.课堂无法交给学生。课堂教学以理论为主，对于一些生疏理论，学生只能被动接受，则课堂教学仍然以传统的知识导向为主，教学主轴依旧以教师为中心。真正做到把课堂交给学生需要学生能够切身体会到故障诊断这门课程中涉及的故障产生机理，能够真实观察故障产生的现象，充分理解课本阐述的基本原理，这样才能够结合理论联系实际，学生才能深刻理解故障诊断的意义和作用，提高学习积极性。
二、虚拟现实技术应用于教学的三方面优势
虚拟现实技术具有三方面的优势，能极大调动学生的积极性：（1）虚拟现实技术是一种新型的教学辅助技术，广大学生在生活中接触机会较少，因此能够激发好奇心，从而积极参与；（2）虚拟现实技术具有强烈的沉浸感，带来真实体验，能辅助学生获得真实的触感，加深对理论知识的认识从而为掌握技能打下良好的基础；（3）虚拟现实实训平台具有良好的人机交互界面，构筑了亲切的学习环境，促进了人机交流，从而使学生在亲切的学习环境中获得良好的教学效果。
三、虚拟现实技术在故障诊断教学中的应用
1.动车组构造的虚拟仿真系统。动车组构造是以三维互动方式更加直观地展现动车组基本结构和工作原理，且可进行虚拟拆装，拆装主要包括两种类型，即总成拆装和零部件拆装，课程中常用到的拆装为走形部拆装、牵引传动拆装、车体拆装等。动车组构造的虚拟仿真系统能够以三维方式构造动车组的各个零部件以及装配结构，通过虚拟鼠标的点击选取以及移动可以对任何一个小的零部件进行放大，展现清晰三维图像，同时还配备三维功能介绍模块，对于各个零部件的结构功能、尺寸都能展示给学生，学生也会以一种好奇积极的态度沉浸在虚拟现实课堂带来的乐趣和知识中。课堂教学重心也会向学生倾斜，课堂气氛也会更加活跃，学生更加容易理解掌握知识，在实际工作中会更加容易上手，以产出为导向的教学理念才能够真正发挥到实处。
2.动车组网络控制虚拟仿真。网络控制关系到动车组故障诊断的信息传送，是动车组故障诊断课程一个薄弱环节，对于非电类专业学生，网络控制理解障碍较大，课堂教学更是难以入手，动车组网络控制虚拟仿真一方面以三维模型展示动车组网络系统，能够展示每一根网络的名称、功能，还可以根据动车组网络模式，逐层构建三维网络系统，给予学生直观形象的展示；另一方面，网络控制虚拟仿真系统能够有效模拟故障信号的传输路径，让学生掌握动态三维网络，尤其掌握动车组故障诊断信息如何通过网络传输到中心处理单元。
3.动车组故障诊断虚拟仿真。以动车组走行部滚动轴承故障诊断和牵引传动系统受电弓故障诊断为例进行说明。首先，在滚动轴承的故障诊断过程中，课堂教学难点在于滚动轴承振动信号的理解及故障形式，并且对轴承振动信号的形成也是一知半解，无法追其源，在实际工作过程中，无法深刻理解振动信号的形成原理。虚拟现实技术能够以动态形式展示滚动轴承的振动过程，同时虚拟振动信号，能够使学生形成一个整体的振动信号产生及分析的思路，同时可以改变故障参数，分析不同情况下的振动信号，了解滚动轴承振动产生的本质。受电弓故障诊断教学难点于，由于接触网的高压特性，很难实际模拟及观看受电弓的工作过程，受电弓离线过程的各种现象无法模拟。虚拟现实技术首先能够三维动态模拟弓网接触、受电弓离线、动车组运行等各个过程，充分激发学生的好奇心和求知欲。受电弓离线故障过程造成的阻抗增大、电压减小、电流减小、火花、紫外光等现象也可以通过虚拟现实技术展示给学生，学生、老师之间可以更多互动交流，枯燥无味的课堂就会变得积极活跃。
四、结论
随着计算机技术和视觉技术的飞速发展，能够展示三维真实场景的虚拟现实技术必将成为轨道交通车辆专业教学的重要手段。课堂多媒体教学与虚拟仿真结合，《动车组故障诊断》课程的教学将会变得多元化和立体化，教学效果将大大改善，课堂重心将向学生偏移。学生可以完全沉浸在虚拟现实课堂带来的真实感和视觉享受，将会更加直观、感性地掌握知识。目前，盡管虚拟现实系统的软硬件设备成本较高，价格昂贵，虚拟现实课堂教学尚不能普及。但随着各类芯片的国产化、VR技术的不断发展和完善，虚拟现实技术在轨道交通领域中将得到越来越广泛的应用。
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