虛實結合的城市軌道交通車輛實踐課程體系探討*

胡定玉 師蔚 廖愛華 鄭樹彬 （上海工程技術大學城市軌道交通學院）

一、概述

上海工程技術大學成為教育部第一批61所“卓越工程師教育培養計劃”實施高校，城市軌道交通車輛專業方向成為試點專業方向之一。[1-2]該專業在上海高校校級校外實習基地建設項目-城市軌道交通“卓越工程師教育”校外實習基地建設的項目支持下，通過不斷努力，已成為國內城市軌道交通行業的重要應用型人才培養基地以及地鐵行業高層次人才培訓基地。[3]

為適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發生革命性變化的要求，教育部發布了《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，指出“虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措”。[4]尤其是在新冠病毒疫情特殊情況下，傳統的實踐教學模式受到了極大的沖擊。在這種背景下，利用虛擬仿真技術對現有的實踐教學模式進行改進，研究準確適宜的實驗教學內容，是促進實踐教學方式適應時代發展、助推高等教育教學質量變軌超車的必然選擇。

在此基礎上，結合先進的信息化技術，建立相關虛擬仿真實踐平臺，對于提升城市軌道車輛特色專業學生實踐水平具有重要意義。但如何根據專業培養定位、專業實踐特點結合虛擬仿真技術，充分發揮虛擬仿真教學的優勢，提升實踐教學水平是專業建設過程中面臨的巨大挑戰。

二、虛擬實踐課程目標分析

目前我校城市軌道交通車輛專業特點是機械工程、電子電氣工程、材料科學等多學科知識的交叉貫通，強調基礎理論與現代城市軌道車輛技術特點的結合和應用，著力培養面向城市軌道交通車輛運行保障及維護、故障診斷及維修等方面工作，并可延伸至整個軌道交通領域方面工作的高級工程應用型人才。[5，6]因此，在專業人才培養中注重實踐教學平臺建設，從而提升學生在專業方面的實踐應用能力。

因此，在我校該專業的課程體系中，實踐課程體系通常由校內實驗、校外實習、校企雙方共同指導課程設計三大主要模塊構成。[7]校內實驗中的專業實驗平臺針對其培養計劃，實物實驗平臺能夠涵蓋城市軌道交通車輛結構、電氣、故障診斷三大方向，滿足相關專業實驗的實驗需求。校外實習通常由專業基礎實習、認識實習及生產實習構成，學生會進入軌道交通企業進行實習學習。課程設計則是由校企雙方共同指導，企業方提供實際課題及數據，學校教師進行相關設計內容的輔導。

但目前建成的實踐教學平臺在支撐以上實踐教學體系的過程中也存在一定瓶頸。首先，隨著軌道交通的發展，不論在結構、電氣系統還是在故障診斷、維護保障的設施設備等方面都產生了一定的變化及更新，這給實驗室設備的更新提出了挑戰。同時軌道交通車輛形式的日趨多樣性也給實驗室平臺建設帶來了新需求。但是，如果通過不斷增加硬件實訓設備來滿足不斷發展的車輛工程技術及多樣性的實踐需求，實踐平臺投入場地及經費都會受到極大制約。同時在企業進行的各種實習，受車輛帶電操作等危險情況的影響，能夠進行實習的項目也非常有限，特別是難以演練特殊情況下的設備故障查找、設備維修、故障搶險等特殊工作狀態。

傳統的實踐教學平臺這些問題日益突出的背景下，虛擬現實技術為解決這些問題提供了新的思路。虛擬平臺下的實踐平臺可以搭載不同虛擬內容，占用實訓場地有限，可進行反復使用，培訓效果逼真，無高電壓、帶電操作等危險情況，不浪費耗材，可反復演練等優點，可極大地提高教學及培訓效率。因此專業建立了相關虛擬實踐硬件平臺搭建，在硬件平臺的基礎上，搭建結構與原理、電氣原理、檢修實訓等軟件平臺用來彌補專業在實踐教學過程中存在的以上問題。

三、虛擬實踐教學存在的主要問題分析

虛擬實踐教學通過一段時間的實踐后，也提出了新的挑戰，比如，如何從專業層面，統一規劃車輛專業的實踐教學，為相關課內實驗、專業實驗以及實習實踐課程提供全面的支撐，并且保障學生能夠在課程學習的過程中轉變思想，由被動學習轉為主動學習，需要進行大量的探索實踐。目前主要有以下幾個瓶頸問題亟待解決：

（一）虛實把握不準確，過于重視虛擬展示

在目前的虛擬仿真教學中，過于重視虛擬技術展示而輕視了實踐過程中存在的問題。比如在車輛電氣仿真中，現有的虛擬仿真平臺能夠展示主要主回路及控制回路的動態流程，為學生了解城市軌道交通車輛控制邏輯和控制過程起到了重要的作用。但結合車輛工程專業學生在實際維護保障的應用中會遇到各種各樣的問題，尤其是線路出現斷點、繼電器偶發性故障等，在理論分析的基礎上還需要實際測量以判定故障點，如果完全依賴虛擬仿真平臺很難保證對實際的工況的模擬。如何通過和實際地鐵運營企業聯合，增加如判斷故障，排除故障等實際操作，把握好虛實之間的平衡點，是提升虛擬仿真教學效果必須解決的問題。

（二）教學模式僵化，不能發揮虛擬仿真技術優勢

在傳統實踐環節教學模式中，出于實驗安全等考慮，實驗的目的大都是為驗證所學的理論。通常是教師做出完整的實驗指導書，而學生則嚴格按照實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗步驟等，執行實驗驗證。而虛擬仿真教學避免了傳統實踐教學環節過程中可能出現的這種問題，但虛擬仿真的這一優勢尚未被開發出來。在現有的虛擬仿真實踐教學過程中，教師往往延續著傳統實驗教學過程中采用的教學模式，從而導致了學生依然在重復著沒有任何自主創造性的模仿操作，不利于想象力和創造力的培養，同時也導致學生缺乏學習主動性。因此，探索虛擬仿真教學過程中的新型教學模式，充分發揮虛擬仿真技術優勢，提升傳統實踐培養效果，培養學生創新能力，是當前虛擬仿真實踐教學必須解決的問題。

（三）資源共享不充分，自主研發不夠

現在高校的虛擬仿真平臺大都從幾個國內知名的虛擬仿真技術公司購置，通常是由高校提出需求，由公司進行全面開發。問題在于不同的專業有不同專業的特色，而公司往往沒有行業背景，在一些環節顯然是違背行業常識的。另外，這也導致公司無法根據行業特點和發展對虛擬仿真平臺進行創新升級。同時各個高校之間的平臺并不能共享，造成了資源的浪費。如何建立實踐教學體系，設置專門的實踐教學老師，并且使專業課教師深度參與研發甚至是自主研發，是目前虛擬仿真實踐教學必須解決的問題。

綜上可知，目前虛擬仿真技術雖然處于建設的高峰期，也取得了一定的成果，但是其教學模式和教學體系無法適應硬件平臺技術的高速發展。尤其是對于如城市軌道交通車輛專業這類具有鮮明行業特色的專業，現有的教學模式只是單純地延續傳統的教學模式，無法充分發揮虛擬仿真技術的優勢，同時不利于培養學生的自主創新性和學習主動性。并且由于現有的虛擬仿真平臺自主研發內容較少，無法體現專業的特色，教師在教學過程中也受限于教學資源，不能真正地根據教學需求安排教學任務。因此，探索新型教學模式，把握虛實之間的平衡點，在實踐環節中充分挖掘學生的創新能力和主觀能動性，是現有城市軌道交通車輛專業虛擬仿真實踐教學必須解決的問題。

四、虛實結合的實踐課程平臺構建

針對軌道交通車輛專業虛擬仿真實踐教學存在的以上瓶頸問題，可從三個方面入手：

（一）把握“虛實結合、相互補充、能實不虛”原則，構建虛實平衡的實踐教學體系

梳理城市軌道交通車輛專業實踐教學課程，深入調研地鐵行業對于車輛專業應用型人才的需求，通盤考慮，將現有課程按照車輛結構與原理類、電氣結構與原理類、氣路結構與原理類三大類進行分類，明確各類課程的虛擬仿真教學特點和需求；分析相關課程的特點、重復率等，結合現有的實物類實踐平臺，確立虛擬仿真和實物類實踐教學之間的相互支撐以及可替代關系，構建虛實平衡的實踐教學體系。

（二）在常規實踐教學環節融入自主創新環節，提升實踐環節對學生創新能力的培養

在現有的虛擬仿真展示基礎上，重點開發具有實踐操作、自主創新改進的實驗項目。將實踐教學與大學生創新項目、創新性試驗等充分結合起來，引導學生進行相關的創新，培養學生的創新意識。通過驗證實驗與創新實驗的相互交叉，提高學生的動手能力，調動學生創新思考的積極性。采用教師導學與學生自學并行，學生自主學習為根本的教學策略，將實驗時間返還學生，同時減輕教師的實踐教學工作量，激發學生主動動手參與的熱情，形成一個教學自學的良性循環。

（三）研發購置并舉，以研發為重心，凸顯城市軌道交通車輛特色

高校作為高等人才培養的重要基地，擔當著學生專業基礎知識與創新能力培養的重大任務。我院在虛擬仿真實驗平臺的使用上存在著很大的局限性與依賴性，缺乏自主性，只是一味地接受，嚴重地依賴于外界。針對這一問題，倡導一種以研發平臺為重心，同時在購置平臺的基礎上進行二次創新研發的舉措，試圖研發出更適合城市軌道車輛專業的個性化平臺，提高課堂的教學質量與學生的學習效率。并通過網絡將各個高校間的虛擬仿真平臺連接起來，實現實驗教育資源共享，提升資源利用率。各個高校之間可以通過這種方式實現資源共享，學習其他高校優秀的教學方式，取長補短，優化自己的教學體系與教學模式，形成改進—實踐—再改進這樣的一個正反饋。

五、總結

本文根據城市軌道交通車輛專業實踐教學課程目標進行分析入手，深入探討了本專業在發展過程中從實踐平臺到實踐體系等方面遇到的瓶頸問題，針對以上問題提出了虛實結合的實踐課程教學體系的建設方案。同時建議在實踐教學過程中增加創新環節，提升自主研發虛擬仿真內容，凸顯城市軌道交通車輛特色，使虛擬實踐教學在本專業的實踐教學過程中發揮更大的作用。