軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心建設

王柏華，馬秀飛，馬 軍，張彩榮

(江蘇師范大學 國家級軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗中心，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

江蘇師范大學自2013年至2018年分別獲批了江蘇省“信息與控制工程實踐教育中心”、教育部“軌道信息與控制”國家級虛擬仿真實驗教育中心、江蘇省“軌道與控制虛擬仿真實驗教學共享平臺”和教育部首批“動車組轉向架檢修實驗”國家級虛擬仿真實驗教學項目建設點。5年來，課題組秉持新工科教育需要走上數字化轉型之路的理念，堅持問題和需求為導向，依據虛實結合，能實不虛，開放共享的建設思路，以提高大學生工程素養、實踐能力和創新精神為目標，緊密結合工程教學和工程訓練環節，體現多維度、系統化和自主式等特點，拓展實驗教學內容的廣度和深度，建立了“實驗—實踐—實訓”、“虛實結合”的實踐教學體系，教學模式持續優化，教學體系不斷完善，延伸了實驗教學時間和空間，調動了學生學習與創新的主動性和積極性[1-2]。

1 建設體系

1.1 教學資源建設

(1)開發“三層六型”實驗項目。課題組緊密融合專業建設和行業發展最新成果，根據經濟社會發展對高校軌道交通信息與控制人才培養的需求，依托教育信息化服務企業提供專業技術和運營管理服務，與教育信息化服務企業合作，在行車控制、運行車輛、牽引供電、運輸組織等，開發了具有展示、編輯和共建共享等功能的“三層六型”虛擬仿真實驗教學項目50余個。包括車站聯鎖、信號基礎設備、區間列控、信號機和轉轍機拆裝、繼電接口電路、計算機聯鎖系統故障、列車限制速度曲線繪制、車輛部件拆裝、車輛檢修、牽引變電所供電系統設備操作、接觸網分區供電方式、列車編組、運行圖編制、運輸能力計算、運行計劃編制等虛擬仿真實驗教學資源。基礎層包括驗證型、演示型仿真實驗項目，應用層包括綜合型、設計型仿真實訓項目，提高層包括科研型、創新型仿真實驗項目[3-4]。其中，自主研制的“基于沙盤的計算機聯鎖半實物仿真系統”“牽引供電動態模擬與故障分析系統”“動車模擬駕駛系統”“動車虛擬檢修系統”“動車虛擬故障處理系統”“高鐵綜合調度仿真系統”等得到較好使用。

(2)搭建“三位一體”實驗平臺。課題組堅持以工程應用型人才培養為宗旨，提高學生的工程實踐和創新能力，以“產學研”相結合為目標，提升教師的工程應用能力，以深化校企合作為出發點，培養軌道交通行業職工的職業技術能力和應急處理能力，搭建如圖1所示的集“實驗教學虛擬仿真”“實踐培訓虛擬仿真”“科研創新虛擬仿真”三大功能為一體的智能型虛擬實驗共享平臺。3個平臺集虛擬資源、創新設計、智能指導和教學管理于一體，功能聯動，形成一體化相互推動關系。實現“實驗教學、實踐培訓、科研服務”的有機融合[3-4]。

圖1 “實驗教學、實踐培訓、科研服務”實驗平臺

(3)構筑“一縱四橫”實驗教學體系。依托學校學科專業優勢，借助我校與俄羅斯圣彼得堡國立交通大學合作舉辦“3+2”本科教育項目的優質實驗課程體系，按照虛實結合，能實不虛，以虛助實，虛實互補的基本路線，以軌道交通信息與控制主干課程知識點和能力要求為依據，以安全運行控制為準則，將“運輸組織”“行車控制”“運行車輛”“牽引供電”虛擬仿真實驗教學資源統籌建設，以滿足多學校、多企業、多地區的虛擬仿真實踐教學需求，形成如圖2所示的“一縱四橫”多分支的實驗教學體系[5-8]。

圖2 “一縱四橫”實驗教學體系

1.2 師資團隊建設

強化實踐教學隊伍建設，激勵教師積極從事實踐教學工作，采取專兼職相結合、國內外培養與引進并舉、建立實驗教學隊伍專業發展計劃、終身教育與職稱晉升改革等措施，提升實驗隊伍水平。目前形成了理論教學與實驗教學互通，科學研究與工程開發結合，校內校外和國外相結合的高素質實驗教學隊伍。師資類別、來源、職稱和學歷結構如圖3所示。

圖3 師資類別、來源、職稱和學歷結構

(1)校內師資。中心利用學校師資隊伍建設“153工程”和“331國際化工程”戰略，加快高水平學科帶頭人和具有國際化背景的高層次專業人才引進。以教學促進科研，以科研反哺教學，特色突出，成果顯著。目前專兼職教師68人，其中，中科院百人計劃1人、江蘇省雙創人才1人，江蘇省“333高層次人才培養工程”首批中青年學科帶頭人及“六大人才高峰”高層次人才和“青藍工程”中青年學術帶頭人等15人，江蘇省“青藍工程”優秀青年骨干教師10人[1]。

(2)國外師資。2014年經教育部批準，我校與俄羅斯圣彼得堡國立交通大學合作舉辦“3+2”本科教育項目，成立了全國第一所中俄合作辦學機構。以此為平臺深化國際教育合作，聘用國外16名軌道交通專業優質師資，進一步強化了專業師資建設。

(3)企業師資。2008年，我校與上海鐵路局簽定協議，共同培養軌道交通類專業人才。學校與企業共同參與實驗中心建設與實驗教學改革，并聘請了一批高級工程師和業務骨干兼任中心教師，指導學生進行生產實習、畢業設計等，建立了校企共建課程建設、教學資源建設、實習實踐基地建設的良好合作機制。

1.3 保障體系建設

(1)管理體系。為確保虛擬仿真教學中心建設高效、管理科學、運行規范，學校建立如圖4所示的管理體系。中心下設 “教學培訓部”“科研服務部”“技術研發部”“企業協調部”，教學培訓部負責基礎實驗虛擬仿真教學、學生實訓、企業職工培訓；科研服務部負責向校內外師生和研究開發人員提供平臺服務；技術研發部負責虛擬仿真實驗項目開發與完善，科研成果轉化為實驗實訓教學項目，系統維護；企業協調部提供工程技術標準和技術資料，參與中心規劃建設、確定培訓項目和科研服務平臺功能。

圖4 中心組織管理體系

(2)資金保障。以學校為主體，與合作單位共同建設，共享建設成果。經費投入以學校為主，企業資助為輔。目前學校已投入4 000余萬元，人才引進專項經費已投入200余萬元，中心運行管理與維護經費50萬元/年以上。

(3)評價體系。建立了績效、用戶和服務“三位一體”的評價體系。見圖5所示。

圖5 評價體系

1.4 共享體系建設

(1)信息化平臺。針對虛擬實驗過程的智能指導和實驗結果自動批改關鍵技術，開發了如圖6所示的信息化平臺。實現了實驗預約、審批、執行、評價和統計分析全方位的虛擬實驗教學輔助功能，達到了整個實驗過程的全程管理[9-11]。

圖6 信息化平臺

(2)共享架構。以優質實驗資源開放共享為目標，建立了如圖7所示的虛擬實驗教學開放共享基本架構。可支持單片機、移動終端、局域網環境下使用，提供課程虛擬實驗庫，支持實驗的選配和素材的選用，強化了虛擬仿真實驗教學共享的技術支撐、系統服務和用戶管理，實現了用戶注冊、登錄、預約、查詢實驗狀態信息及個人信息功能，滿足實驗教學的開放共享，激勵了學生學習的積極性和提高學生創新能力[12-14]。

圖7 虛擬實驗教學共享基本架構

(3)開放共享。實現了校內共享、校際共享、企業共享和國際共享。校內服務相關專業，支持學科建設、支撐科學研究，滿足仿真實驗課程要求，為學生科技活動、學科競賽、畢業設計、教師科研等提供服務。實驗學生每年3 200人，12.8萬人時數；校外服務相關高校本科和研究生教學，8 000人時/年以上；為上海鐵路局徐州電務段、供電段、徐州高鐵客運站、徐州城市軌道交通有限責任公司提供動車模擬駕駛、運用檢修、高速列車運行控制、綜合調度、牽引供電等方面的虛擬仿真訓練和技術演練，每年提供300人以上的服務，同時服務企業科技創新，目前已完成項目5項，實現項目成果轉化8項；我校與俄羅斯圣彼得堡國立交通大學和彼得大帝理工大學聯合舉辦本、碩一體軌道交通信號與控制等專業，學生在國外學習期間可通過網絡在線實驗，目前學生人數已達300人，提高了資源利用率和使用效益。

2 特色創新

(1)國際化課程嵌入的實驗教學模式。創建中俄合作辦學、雙方互惠、協同發展機制。嵌入俄羅斯圣彼得堡國立交通大學實驗課程，利用其優質教學資源，借鑒其實驗教學模式和方法開展共同培養國際化人才。

(2)相輔相成的功能聯體平臺。搭建實驗教學、實踐培訓和科研服務“三位一體”的功能平臺。依托企業先進技術力量，利用我校優勢學科資源，使實驗教學與工程應用緊密結合，校企深度融合。

(3)工程引領的虛擬仿真實驗體系。構建“行車控制、運輸組織、運行車輛、牽引供電”為核心軌道交通虛擬仿真實驗教學資源。形成以工程引領的“四體交融”實驗教學體系，使學生在虛擬環境中客觀的實現真實的實驗，并具有身臨其境的感受，提高了學生的工程應用能力。

3 結 語

虛擬仿真實驗教學中心通過幾年的建設實踐，將實驗設備、儀器、操作過程及實驗結果數字化和虛擬化，開發了“功能完備、界面友好”的虛擬仿真實驗教學資源，打造在線實驗平臺，助力資源共建共享。采用“虛實結合+自主學習”的虛擬仿真實驗教學方法，構建了與企業、院所“開放共享、產教融合”的教學模式，拓展了實驗內容的深度和廣度，大幅提升學生學習興趣，提高了學生學習成績和創新能力。加強了師生互動，使指導和學習模式得以變革，減少了教師傳統指導工作量，教師工作得以優化，從而達到對課程體系的重塑和實驗方法的變革。真正體現了以人為本，重在人才培養的高等教育核心內涵，取得了令人滿意的效果[15-16]。