虚拟仿真平台在铁路信号综合实验教学中的应用

摘要：随着科技的快速发展，虚拟现实（VR）和仿真技术已成为教学的重要工具。该文探讨了虚拟仿真平台在铁路信号综合实验教学中的应用，分析了其优势与不足，并提出了相应的改进策略。虚拟仿真平台通过构建虚拟仿真环境，能够使学生在无风险的情况下进行实验操作，深入理解信号系统的工作原理，从而提高学习效果和兴趣。该研究不仅为铁路信号实验教学提供了新的思路，也为其他领域的教学提供了参考。

关键词：虚拟仿真平台；铁路信号；实验教学；教学改革；虚拟现实

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.051

中图分类号：G 642 文献标志码：B 文章编码：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

铁路信号系统是铁路运输安全的重要保障，其实验教学对于培养合格的铁路信号技术人才具有重要意义。然而，传统的实验教学存在设备成本高、实验风险大、实验场地有限等问题，限制了实验教学的效果。虚拟仿真平台作为一种新兴的教学工具，以其真实感强、互动性高、可视化等特点，为铁路信号实验教学提供了新的解决方案。

1 虚拟仿真平台的基本原理与特点

虚拟仿真平台通过计算机技术和传感器技术，模拟生成三维图像和声音，使用户能够沉浸式地体验不同的场景[1]。在铁路信号实验教学中，虚拟仿真平台可以模拟真实的信号系统环境，提供与实际系统相似的操作界面和交互方式，使学生能够在虚拟环境中进行实验操作。虚拟仿真平台具有以下特点：

（1）真实感强：通过高度逼真的模拟，使学生仿佛置身于真实的信号系统环境中，提高学习的沉浸感和真实感。

（2）互动性高：支持学生与虚拟环境进行实时交互，模拟各种实验场景和操作过程，提高学生的学习兴趣和参与度。

（3）可视化：通过三维图像和声音等多媒体手段，将复杂的信号系统知识以直观、形象的方式呈现出来，便于学生理解和掌握。

2 虚拟仿真平台在铁路信号实验教学中的应用

（1）信号机虚拟仿真平台。学生可对信号机与设备进行测试，设置信号机的时序、绿灯时间、黄灯时间、红灯时间等，并进行调试验证，确保信号机正常工作；可以通过模拟实际运行情况，观察信号机在不同条件下的工作表现，并进行性能指标的测量和分析；可以优化信号机系统的设计和参数设置，通过调整信号机的工作模式、灵敏度设置和控制策略等，评估不同方案对列车运行的影响，并找到最佳的优化方案；可以模拟信号机可能出现的故障情况，如信号灯故障、电源故障等，以及列车与信号机之间的通信故障，通过实验分析故障的原因和影响，为故障诊断和修复提供依据。

（2）转辙机虚拟仿真平台。学生可以进行转辙机组装实验。可点击不同部位，拆分底壳盖、电动机、减速器、摩擦连接器、滚珠丝杠、动作杆、左右锁闭杆、接点组、安全开关组、挤脱器、接线端子等，通过切换视角观察各部件组成。同时，学生可通过切换视角观察动作过程，如电动机按逆时针方向旋转，电动机通过齿轮带动减速器旋转，摩擦联接器通过滚珠丝杠上的丝母带动推板套做直线运动，在锁闭铁的作用下，完成机械解锁、转换、锁闭等一系列动作。

（3）轨道电路虚拟仿真平台。学生可以进行轨道电路的安装和调试，包括电缆的布线、接头的连接、绝缘节的安装，确保轨道电路的正常工作；测试轨道电路灵敏度，检测轨道存在的最小电流和电压；调整轨道电路的参数，确定其在不同条件下的灵敏度；模拟轨道电路可能出现的故障情况（红光带、分路不良），进行故障诊断和维修实验，培养学生对常见故障的分析和处理能力。

利用虚拟仿真平台开展铁路信号综合实验教学活动，可以实现信号基础设备动作原理的深入剖析、机械结构的三维可视化展示、故障诊断的精确模拟，以及拆装布置的全方位学习[2]。这一举措不仅极大地增强了学习的可操作性和互动性，而且为学生提供了更多亲自动手、实践操作的机会。充分发挥其不受时空限制的优势，极大地拓展了实践教学的广度和深度。这一创新性的教学模式有助于学生获得更多的自主权和灵活性，能够在自由的时间里根据个人兴趣和需求进行深入的探索和学习。因此，借助虚拟仿真平台开展实验教学活动，无疑是轨道交通专业发展中的一个重要且前瞻性的方向。

3 虚拟仿真平台在铁路信号实验教学中的优势与不足

虚拟仿真平台在铁路信号实验教学中具有以下显著的优势。

（1）安全性高。传统的铁路信号实验教学需要在实际的轨道交通场景中进行，存在一定的安全隐患。而虚拟仿真平台能够提供一个安全的实验环境，避免学生因操作失误而导致的事故，保证学生的实验安全。

（2）节省时间和成本。虚拟仿真平台可以模拟多种实验场景，无须准备大量的实验器材和材料，大大节省了实验准备的时间和成本。同时，学生可以在虚拟环境中多次重复实验，无须担心器材的损耗和实验材料的浪费。

（3）实验场景多样性。虚拟仿真平台可以模拟多种实验场景，如运营管理、通信信号、牵引供电、机车控制等，覆盖轨道交通的各个方面。这使得学生可以在更广阔的范围内进行实验，进一步拓展他们的学习视野[3]。

（4）交互性强。虚拟仿真平台为学生提供了与计算机进行交互的机会，可以实时监测学生的操作和实验过程，并给予及时的反馈和纠错。这种交互性不仅增强了学生的学习体验，还有助于提高他们的学习兴趣和积极性。

（5）灵活性、个性化。虚拟仿真平台可以随时调整实验条件，进行各种参数调节，以满足学生的不同需求。这使得学生的学习更加灵活，可以根据自己的兴趣和需要进行个性化的学习规划。

然而，虚拟仿真平台也存在以下一些不足之处。

（1）模型的准确性。虚拟仿真实验的结果取决于模型的准确性。如果模型不准确，实验结果也会不准确，可能会影响学生的学习效果。

（2）数据的缺乏。虚拟仿真实验需要大量数据来支持模型的运行。如果数据缺乏，模型就会不准确，导致实验结果不准确。

（3）无法完全替代实际实验。虽然虚拟仿真平台具有很多优势，但它仍然无法完全替代实际实验。实际实验中的某些细节和感受是虚拟仿真平台无法模拟的，因此学生还需要结合实际实验来加深对知识的理解和掌握。

（4）技术更新迭代快。随着技术的不断发展，虚拟仿真平台也需要不断更新迭代以保持其先进性和实用性。这可能会给学校和教师带来一定的技术更新压力。

因此，在实际应用中需要综合考虑各种因素，充分发挥虚拟仿真平台的优势，同时结合实际实验来提高学生的学习效果。

4 改进策略与建议

为了充分发挥虚拟仿真平台在铁路信号实验教学中的作用，本文提出以下改进策略与建议：

（1）整合教学资源。将虚拟仿真平台与现有的教学资源进行有机整合，如在线课程、教材、实验指导书等，形成完整的教学体系。鼓励教师利用虚拟仿真平台进行教学创新，开发新的教学方法和实验项目[4]。

（2）完善教学内容。需要根据铁路信号系统的最新发展，不断更新和完善虚拟仿真平台中的实验内容和教学案例。要引入更多的实际工程案例和故障处理案例，帮助学生更好地理解和应用所学知识。

（3）加强师生互动。要利用虚拟仿真平台的在线功能，加强师生之间的交流和互动，及时解答学生的问题和疑惑。鼓励学生在虚拟仿真平台上进行小组协作和团队实验，培养学生的团队合作精神和实践能力。

（4）完善评价体系。建立完善的评价体系，对学生在虚拟仿真平台上的学习成果进行客观、公正的评估。将虚拟仿真实验成绩纳入课程考核体系，激励学生积极参与虚拟仿真实验教学活动。

5 结束语

虚拟仿真平台在铁路信号实验教学中的应用具有重要的现实意义和广阔的应用前景。通过本文的探讨和分析，我们可以看到虚拟仿真平台在提高实验效率、降低实验成本、增强学习体验等方面具有显著的优势。同时，我们也应该认识到虚拟仿真平台存在的不足之处，并采取相应的改进策略来完善其应用。相信在不久的将来，虚拟仿真平台将成为铁路信号实验教学的重要工具之一，为培养合格的铁路信号技术人才做出更大的贡献。

参考文献

[1] 程英鸽，贺园园，刘石，等．虚拟仿真技术在交通工程专业人才培养中的应用探索[J]．时代汽车，2021（22）：55-56．

[2] 黄涛，胡佳恒，付佩．虚拟仿真实验在材料力学课程教学改革中的应用研究[J]．实验科学与技术，2022（1）：34-38．

[3] 张红涛，陈露露，谭联，等．虚拟仿真类实验教学资源省际高校共建共享的研究[J]．实验技术与管理，2021（5）：26-28．

[4] 向亦斌．虚拟仿真技术在网络信息安全实验教学中的应用研究[J]．办公自动化，2024（5）：28-30．