新工科背景下軌道交通信號與控制專業實踐教學模式的改革與探索

張振海， 陳永剛， 武曉春， 林俊亭， 張雁鵬

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

0 引 言

“新工科”的提出，標志著以“新工科”建設為主題的工程專業教育改革進入一個嶄新的階段。新工科的內涵具有戰略型、綜合性、創新性、實用性的特征，使高校在提升創新型人才的工程實踐能力方面面臨新的挑戰。近年來，隨著軌道交通事業建設在我國迅猛發展，以電子信息、自動化、計算機為代表的信息技術對軌道交通的運營產生了巨大的影響。軌道交通與信息技術的密切結合，新技術、新設備的不斷應用，為實現軌道交通運營的安全性和可靠性提供了重要的技術支撐，但同時也給軌道交通的運營維護帶來諸多新挑戰，給軌道交通信號與控制領域的工程技術人才的培養提出了更高的要求。

“新工科”建設需要打破學科壁壘、構建多方協同的辦學體系，著重應用實踐訓練和實際操作能力培養，培養符合經濟發展需要、多學科融合、創新應用能力強、多元化發展的新工科人才。實踐教學作為提升學生工程應用與實踐創新能力的關鍵步驟,加強實踐教學的改革與創新，不斷創造新的人才培養模式，以滿足新工科人才培養的需求。軌道交通信號與控制專業人才培養如何主動適應軌道交通發展的新需求，強化學生工程實踐創新能力培養是亟待解決的關鍵問題[1-5]。

1 現階段實踐教學中存在的問題

軌道交通具有“領域多、專業強、技術高”的行業特點，所以在人才培養方面必須突出以“綜合型、應用型、專門型”為特色。但由于學校地理位置不具備優勢，教學資源相對匱乏，當前的專業教育仍然沿用原有鐵路專業人才培養模式，學科交叉與融合不夠，學生工程實踐創新能力培養與快速發展的軌道交通新技術銜接不緊，難以及時勝任工作崗位。現階段的實踐教學問題主要表現在以下幾個方面：

(1) 原實踐教學體系涉及的知識面較窄，內容相對陳舊，演示型實驗較多，學生深度參與對課程知識學習的程度不夠，不能適應軌道交通新技術應用和發展的需要。

(2) 傳統實踐課程以知識講授為主，在實踐教學過程中存在現場實踐風險大、費用高，涉及安全性高的設備及系統無法進行實踐操作等問題，學生缺乏對創新興趣和創新思想的啟發。

(3) 受實踐教學資源制約，實踐教學環境與設備單一，仿真軟件與現場工程實際需求脫節嚴重，限制了實踐過程中學生的自主創新能力的培養，缺乏將實踐平臺服務于學生自主學習與創新的有效途徑，不能滿足自主創新的需要。

2 提升人才培養理念

針對軌道交通電氣及自動化領域的人才培養外延性需求，從實踐課程體系、實踐訓練實施的過程控制以及工程實踐與應用等方面進行了改革，制定了一系列制度與規范，從工程應用的角度滿足行業需求，為學生工程應用能力的提升打下基礎。

(1) 以制度建設為保障，規范實踐教學環節。根據軌道交通信號與控制專業培養目標和人才培養方案的要求，充分聽取相關領域的技術專家的建議，結合用人單位對畢業生的工程實踐創新能力培養的反饋意見，對實踐課程重新修訂了教學大綱，全面、系統地考慮與安排實踐教學過程。在制定制度規范的同時，加大對實踐教學計劃執行情況的檢查力度，確保實踐教學大綱和教學計劃的嚴格執行，使學生的工程實踐創新能力得到全面的培養和訓練。

(2) 以行業需求為導向，拓展專業外延需求。通過對通號集團、中車集團、中國中鐵、蘭州鐵路局、蘭新鐵路公司、成都鐵路局、成都地鐵等相關單位進行實地座談調研，獲悉目前高速鐵路、軌道交通行業對人才培養的外延性需求主要有：系統研發與設計能力、設備維護與管理能力、產品工藝設計與開發能力、生產管理與技術服務能力、設備檢測與質量管理能力、產品營銷與服務能力等。通過對人才需求的認真分析，面向軌道交通工程，提出了“規范引導促進內涵發展，實踐強化拓展外延需求”的人才培養理念，如圖1所示。

圖1 人才培養理念

在具體實施過程中，調整教學計劃，在畢業設計、課程設計、電子元器件調研、設備組裝與實訓、認識實習和生產實習等實踐環節實施過程中，增加了面向高速鐵路和城市軌道交通工程領域的知識內容，例如：在軌道交通信號與控制專業實踐環節中，畢業設計選題增加了200～250 km/h高速鐵路ZPW-2000A自動閉塞工程設計、城市軌道交通車站信號控制系統工程設計等題目；同時，根據培養方向，面向高速鐵路方向增開GSM-R技術及應用、高速列車運行控制系統等實踐性較強的課程，面向城市軌道交通方向開設 基于通信的列車運行控制、城市軌道交通車輛段控制系統等課程。為培養符合鐵路運營單位需求的專業人才，建設高速鐵路信號綜合實驗室和高速鐵路信號與控制虛擬仿真實驗室，實驗室開設的實驗緊密結合現場外延性需求，將為學生提供完備的實踐操作環境[6-7]。

3 構建軌道交通特色場景式實踐教學體系

軌道交通具有起點高、發展快、技術更新快等特點。通過整合現有教學資源，構建工程場景案例，通過對場景案例的分析、探究與反思，深入的學習該場景下工程建設與運營的知識與技術，為工程實踐創新提供新的思路與方法，為建設工程創新實踐基地提供有利的條件，如圖2所示。

(1) 整合有效資源，構建工程場景案例。根據學生能力形成的不同階段和認識發展的基本規律，將突出“場景-探究-反思-創新”的能力培養貫穿于“實驗-實訓-實習-設計”與“競賽-認證考試”課內外實踐環節，統籌組織和實施，通過構建工程場景案例，激發學生的學習熱情，培養實踐能力，也為能力展示提供了舞臺，即能力形成于實踐、展示于實踐、升華于實踐。例如，畢業設計中的蘭州地鐵一號線CBTC系統工程設計(奧體中心站、迎門灘站、西客站、雁北路站、世紀大道、營門灘站、馬灘站等)等案例，應用性強，密切聯系工程實際。學生對該類型的設計題目興趣度高，調動了學生研究學習的積極性。通過開展這些源于工程實際的教學實踐，極大提升了學生的工程實踐創新能力。

圖2 軌道交通特色場景式案例實踐教學

另外，實踐教學注重企業課堂，采取“請進來”的辦法，讓參與協同培養的企業一線工程師走進課堂，為學生開設專題工程案例講座和指導，使理論緊密聯系實際，并設立可操作性強的實踐項目，配合項目案例分解訓練，讓學生邊學邊練，在“學中做、做中學”的過程中有效實現工程實踐現實化。

(2) 參與學科競賽，充實教學案例資源。信息與控制類專業的學科競賽種類豐富，為學生提供了良好的展示平臺。通過組織學生參與電子設計、數學建模、交通科技、物聯網、互聯網+等專業學科競賽，激發學生的實踐創新活力同時提升學生的獨立思考能力。通過實踐來發現問題、解決問題，培養學生學習興趣，增強學生學習自信心。教師在指導過程中，緊密結合競賽過程，總結經驗，構建工程案例，充實教學案例資源。例如，在電子設計大賽中，制作的頻譜分析儀，可用于移頻自動閉塞系統的信號檢測，可作為工程案例用于課堂教學；在交通科技競賽中制作的城市軌道交通列車控制仿真模擬系統，可用于列控課程教學的實際案例給學生進行講解，課程講授更加生動，激發學生自主學習的興趣。

(3) 加強科教融合，促進教學案例優化。注重科教融合，在教學和科研方面才能始終保持著較強的可持續發展潛力。踴躍將科研成果用到實際教學中，真正做到了以教學為中心、以科研為根基、以育人為目的，教學帶動科研、科研促進教學。將實踐教學平臺的設備資源作用最大化，積極開展科研項目研究。通過對教師完成的鐵路電務巡檢卡控系統、高速鐵路建設運營可視化技術平臺研發、城市軌道交通列車運行控制仿真系統等課題研究成果進行總結凝練，形成了諸多實際工程教學案例，進一步充實了教學案例資源，促進了教學案例的優化。從科研成果中提取出案例供教學使用，將科研成果和工程案例滲透到實踐教學，讓學生了解本領域的新理論、新技術和新方法，拓寬了學生的知識面，取得了顯著的效果和成績[8-10]。

4 采用信息化的工程實踐教學模式

軌道交通信號與控制是一個多學科交織的綜合領域，完成現場工程項目需要將多學科知識協調運用。本成果基于線上線下相結合的方式，提出開放式互聯網+工程實踐的教學模式，融課堂教學、網絡課程、實踐教學等多種形式為一體，滿足了學生廣泛學習的需求問題，如圖3所示。

圖3 “互聯網+”工程實踐教學模式

(1) 建設網絡課程和微課資源，支撐廣泛學習需求。為加強課程教學目標指導下的一體化教學，實現課程線上線下教學途徑和方法的整合。依據現代教育思想，積極響應并建設基于網教平臺的網絡課程和微課資源，先后建設完成了鐵道信號遠程控制、列車運行控制技術等10余門課程的網絡課程，使得課程學習不再是以往被動接受的過程，而是通過網絡平臺進行實時互動，使師生之間、學生之間就目標、疑惑和任務進行交流和學習，使教學模式發生改變，使學生由被動接受轉變為主動學習，從而更加有效地完成教學任務。

(2) 開發虛擬仿真實驗，豐富實踐教學手段。虛擬仿真技術是為了滿足專業人才培養需求，通過教師自主研發、大量引進先進資源、科研成果轉化等方式，設計完成了虛實結合的實驗教學資源板塊，內容涵蓋軌道交通信號基礎設備、車站計算機聯鎖半實物仿真、高鐵列車控制系統虛擬仿真和機車控制半實物仿真等，并開發了列控系統維護模擬仿真、信號設備BIM模型的可視化仿真等實驗系統。采用虛擬仿真、半實物仿真、遠程控制和網絡化仿真等多種實驗方式結合，對培養學生對專業服務對象和知識的系統性認識與思維方式、開拓視野、提升知識結構、增強工程實踐能力和創新精神具有重要意義[11-13]。

5 實踐教學模式改革的成效

(1) 實踐教學的創新點。① “規范引導促進內涵發展，實踐強化拓展外延需求”的人才培養理念。以制度建設為保障，規范實踐教學環節, 深入實施過程監控；以行業需求為導向，拓展專業外延需求，強化工程實踐訓練。② “場景-探究-反思-創新”的軌道交通特色場景式實踐教學體系。整合有效資源，構建工程場景案例, 通過對場景案例的分析、探究與反思，深入學習該場景下工程建設與運營的知識與技術；通過參與學科競賽和加強科教融合，充實和優化教學案例資源。③ 以課程教學平臺為依托，加強課程資源建設，開發虛擬仿真實驗，優化網絡課程、微課等資源建設，支撐泛在學習需求,豐富實踐教學手段,進一步深化教學改革[14-16]。

(2) 實踐教學成效。通過該實踐教學模式的應用與實施，學生的學習興趣、自主學習能力、工程實踐能力和創新意識得到全面提升，取得了良好的人才培養效果。軌道交通信號與控制專業畢業生整體上基礎扎實，專業素養強，綜合素質高，表現出較強的學科知識運用和創新能力，用人單位普遍給予高度評價。相關領域的多家公司與我院簽署長期的就業合作協議。學生就業率始終保持在95%以上。學生競賽獲獎率和獲獎等級逐年提升，近2年，榮獲大學生各類學科競賽國家級獎勵18項，省部級獎勵64項。學校獲批建設國家級軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗中心。研究成果轉化的實驗設備與技術已推廣應用到國內多所鐵路院校，如計算機聯鎖仿真培訓系統、機器視覺檢測實驗平臺、軌道模擬檢測車等科研成果成功轉化為本科生教學平臺。近年來先后有20余家省內外企事業單位到實驗室參觀學習和交流，對軌道交通領域的實踐教學產生重要的影響，對西部高校和鐵路院校起到了很好的示范輻射作用。

6 結 語

新工科背景下軌道交通信號與控制專業實踐教學模式的改革以提高人才培養質量為宗旨，以綜合應用能力和實踐創新能力培養為核心，以知識、能力、素質協調發展為主線，以實踐平臺建設和制度建設為保障，提出了“規范引導促進內涵發展，實踐強化拓展外延需求”的人才培養理念，構建了“場景-探究-反思-創新”的軌道交通特色場景式實踐教學體系，以多形式教學、多樣化訓練、多渠道實踐為手段形成了線上線下相結合的開放式“互聯網+”工程實踐的教學模式，強化了學生的創新精神、創業意識和個性化發展，取得了顯著的成效，人才培養質量明顯提高。