制动夹钳单元教学仿真实验台的开发

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:结合有关车辆专业与动车组检修专业在目前理论与实践教学过程中的现实背景及现有条件,对制动夹钳教学仿真模型的研究进行可行性分析,具体阐述了制动夹钳教学仿真系统的开发过程及其使用过程中的教学评价方法,并给出了该教学仿真实验台研究的必要性。

  关键词:制动夹钳;仿真;实验台;开发;

  仿真技术自20世纪五六十年代问世以来,已在国内外各个领域得到了长足发展与应用。随着信息技术发展,虚拟仿真教学已经得到教育部主管部门和教育机构的关注,并在2008年成立了“中国教育仿真技术专业委员会”。委员会成立后,国内部分高校陆续开设了虚拟仿真相关专业和课程,同时各高校陆续应用虚拟仿真平台进行教学和实训、实验室建设,并取得了一定成绩。但目前国内并没有现成的制动夹钳单元教学仿真模拟实验台,为了提高教师的实训教学和学生专业技能的训练,需要通过自行开发,完成教学需要。本次开发的实验台借助SolidWorks、3ds Max、Unity3D等软件建设制动夹钳单元教学仿真模型,并将其应用到已建成的虚拟仿真教学实训中,丰富教学内容,进一步体现虚实结合的教学模式。

2 制动夹钳教学仿真模型研究的可行性分析

  2.1 制动仿真实训室的现实背景

  铁路客、货车制动系统检修以及动车组检修虚拟仿真实训室是铁道车辆专业和动车组检修专业适应信息化技术发展,实现虚实结合、理实一体化教学模式,促进专业建设可持续发展,响应学校“双一流”建设及“双高”建设号召的重要举措。而目前在本校铁道车辆专业虚拟仿真实验台上仅有104分配阀、120控制阀以及单车试验等仿真模型,没有制动夹钳单元的相关仿真模型,而基础实训室内仅有能演示制动夹钳整体结构及仅能实现制动缓解两个作用的简易实验台1部,没有能够进行制动夹钳单元拆装的实训设备,因此铁道车辆专业开设的《车辆制动检修》、《车辆钳工》、动车组检修专业开设的《动车组制动检修》等课程,关于制动夹钳单元整体及各零部件认识方面的内容也只能进行理论教学。而每届铁道车辆、动车组检修、铁道车辆国际班三个专业的授课学生约500人以上,涉及专业及学生较多,因此为了增强学生对制动夹钳单元知识的理解和提高学生的专业技能水平,制动夹钳单元仿真模拟实验台开发是必要且迫切的。

  2.2 现有条件分析

  校内现有车辆制动检修实训室、客货车练功车、盘型制动制动缓解实验台等专业实训室及专业设备,可完成大部分铁道车辆制动、少部分动车组制动等课程教学的训练及能力的培养,使学生紧贴就业岗位的要求并具备持续发展能力。

  依托高等职业教育创新发展行动计划骨干专业建设项目,学院已购置运行虚拟仿真软件计算机50台,后期不需购买硬件设备,节约了开发成本。有条件在现有实训室及教学内容的基础上,完成制动夹钳单元教学仿真实验台开发实践。制动夹钳单元仿真模拟实验台开发完成后还可借此培养专业教师队伍,提高教师综合能力。

  2.3 可行性分析

  制动夹钳单元是铁道车辆及动车组盘型基础制动的末端执行机构,是保障列车运行安全的关键部件[1]。SolidWorks软件具有智能化、协同化、虚拟仿真的功能特点,在进行具体设计时,首先利用CAD软件绘制制动夹钳单元所包含的一个个二维零件图、工程图,再运用SolidWorks软件建立三维模型并形成制动夹钳单元三维仿真爆炸图[2],然后利用3ds Max对模型进行渲染和制作需要的三维动画片段,用C#和JavaScript编写脚本实现场景中的交互,从而建立适用教学的制动夹钳单元仿真模型实验台,可见该研究过程是一个切实可行的方案,如图1-3。最后将制动夹钳教学仿真系统安装到仿真实训室的50台计算机上,完成制动夹钳单元仿真实验台开发。而制动夹钳教学仿真实验台的制作有利于实现盘型基础制动方面的理实一体、虚实结合的教学模式,增加学生学习兴趣,提供教学质量。

3 制动夹钳教学仿真实验台的开发

  3.1 实验台开发

  结合铁道车辆及动车组检修两个专业的学科设置,开发的仿真实验台是对其专业课知识及专业技能的教学及实践的综合应用,具体开发步骤如下:(1)根据制动实训室展示的“制动夹钳制动与缓解”的实训设备,参照实物,测量各零部件尺寸,然后利用CAD软件建立制动夹钳单元的各个零部件及整体的二维模型,如图1所示。(2)将CAD二维模型导入SolidWorks软件后,对各二维零件图进行拉伸、旋转、倒角、槽孔等操作后形成制动夹钳各零件三维模型,然后利用装配功能将分散的零件模型装配成整体的制动夹钳单元如图2所示,同时在SolidWorks软件中也可将装配图进行分解,得到制动夹钳单元的分解爆炸图如图3所示,这一步是实现制动夹钳单元理实一体化教学的基础。(3)将零件图、装配图、分解爆炸图等三维模型导入3ds Max中进行渲染、美化(如图4所示),使得模型各部分零件更易于区分,方便学生对制动夹钳结构的辨识,更能激发学生的学习兴趣。(4)在Unity3D软件上,利用C#和JavaScript语言编写脚本,实现场景交互,建立如图5所示的制动夹钳单元教学仿真实验台系统。该仿真系统除了介绍系统功能、制动夹钳结构、制动夹钳单元装配与分解等内容外,还插入了制动夹钳作用原理理论知识、制动夹钳现场作业指导书、制动夹钳制动、缓解与检查等现场操作过程,涉及内容丰富全面,至此已完全具备了实施制动夹钳单元理实一体化教学的条件了。(5)利用红蜘蛛等多媒体网络教室软件,将教学仿真系统安装在车辆、动车组专业虚拟仿真实训室的计算机上,实现教师机控制学生机,老师和学生全方位互动教学、分发和提交作业、屏幕监视、电脑的集中控制与管理等诸多功能,从而实现一对多、一对一教学。

  3.2 实验台评价方法

  实验台开发完成后,要将其运用到理论与实践教学当中,在运用过程中,收集老师与学生在操作制动夹钳单元教学仿真实验台后的反馈意见,并认真统计分析意见内容,最后根据反馈意见对仿真实验台进行修正、完善及优化。

  仿真实验台的开发增加了教学评价方式。在信息化教学的催动下,传统的单一试卷的理论考试早已无法满足多种教学手段的教学评价方式。目前学校已经要求混合式教学的多门课程采取传统理论考试与线上网络考试结合的方式进行教学评价,在此基础上,该仿真实验台的开发在制动实践内容的考核方面,可结合教学仿真系统上学生的操作成绩对学生最后成绩进行综合评价。

4 结语

  制动夹钳单元仿真模型实验台是一个开放式的实验台,能够为铁道车辆和动车组检修两个专业使用,贴近该两个专业的就业岗位,还能根据课程或者就业及行业的发展变化加以扩展,是检验学生对所学专业课程的专业技能水平的一个重要手段。此实验台的开发在教学过程中具有重要的作用:一是在盘型基础制动教学中利用虚拟仿真,结合理论教学课件和实训教学设施,改革技能考核模式,能够有效地提高教学效率和教学质量。二是此实验台是在信息化教学模式的推进下应运而生的,能够进行自由搭建扩展,不存在淘汰更新的问题。因此,制动夹钳单元教学仿真实验台的开发是一项必要且非常有教学意义的研究。

参考文献

  [1]胡维,刘鹏,邬钱涌.制动夹钳单元可视化装配应用研究[J].铁道机车车辆,2015 (08).

  [2]动车组机械师[M].中国铁道出版社,2015.

作者:郝磊 单位:西安铁路职业技术学院

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