面向軌道交通的電氣信息類專業實踐課程建設及形成性評價體系構建

摘"要：本文以培養服務軌道交通領域電氣信息類應用創新型人才為目標，構建了“重思想—強技術—善創新”的三層雙融式實踐教學體系，面向軌道交通領域，建立了數字化實驗教學資源，創新了新時代軌道交通人才培養實踐教學模式。針對以虛擬現實技術構建的實踐課程，對每個學生在虛擬和真實任務情境中解決問題的操作序列建模，利用知識圖譜和深度知識追蹤技術，完成學生的過程性創新評價，形成了可復制、可推廣的服務軌道交通行業特色的實踐教學體系教學范式。

關鍵詞：軌道交通；實踐體系；形成性評價

一、概述

根據《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，到2035年，全國鐵路網達到20萬千米左右，其中高鐵7萬千米左右。到2050年，全面建成更高水平的現代化鐵路強國。現代化鐵路強國迫切需要大量具有國際水平的卓越工程人才，具有交叉學科背景的復合型人才等，然而，軌道交通行業也面臨著一些挑戰，例如人才結構不合理、專業技能不足等問題。因此，面向軌道交通行業的高校在人才培養方面面臨著巨大挑戰，主要存在以下問題：（1）青年教師和學生的實踐創新能力不足，軌道交通行業背景弱，教學內容與工程實際相脫節；（2）面向軌道交通的實踐教學環節把控不嚴、學生整體受益不夠、系統有效的管理和監督機制不完善、行業企業專家參與度不高。因此，面向軌道交通的電氣信息類專業實踐課程體系改革成為軌道交通行業院校改革的重點。

鐵路行業院校人才培養的關鍵是真正建立面向產出的評價機制，并基于評價結果持續改進。如何保證課程目標達成情況評價的有效性和可信度成為急需解決的關鍵問題之一。針對這一個問題，工程教育認證標準指出，應“對學生在整個學習過程中的表現進行跟蹤與評價，并通過形成性評價保證學生畢業時達到畢業要求”。形成性評價與反饋有助于提升學習績效，在高等教育中的作用越來越重要，但是目前開展課程形成性評價存在以下問題：一是形成性評價仍多集中于理論課程知識掌握程度的評價，缺少對學生實踐創新能力的綜合評價；二是形成性評價僅局限于單一課程的評價，缺乏對本科生四年實踐體系的綜合評價。因此，面向軌道交通行業人才需求，構建電氣信息類專業實踐課程形成性評價體系，有利于培養學生綜合運用所學知識和原理，獨立分析和解決復雜工程問題的能力，有效地提升實踐教學環節課程目標達成情況評價的有效性和可信度，進而通過形成性評價保證學生畢業時達到畢業要求。

二、面向軌道交通的數字化實驗教學資源建設

近年來，以人工智能和虛擬現實為代表的新一代信息技術與教育教學深度融合成為“新常態”，為教育現代化裝上了“智慧引擎”，數字化和智能化的教學改革已成為我國高等教育的重要發展方向。利用新一代信息技術，基于知識圖譜，面向軌道交通領域，探索數字化的專業思政途徑，建設產教融合特色案例庫，創新新時代軌道交通人才培養實驗教學模式，構建基于深度知識追蹤技術的創新性實驗評價體系。

（一）智慧賦能，探索面向軌道交通的專業思政數字化途徑

在虛擬空間中進行專業思政，將專業思政數字化。結合我校鐵路行業特色，選取京張鐵路作為專業思政典型案例，利用虛擬現實技術還原京張鐵路的前世今生，在虛擬空間中，通過時空對比，再現“老京張”鐵路到智慧京張高鐵的變遷，探索虛擬環境下的專業課程思政數字化。

（二）產教融合，建設面向軌道交通的特色實驗教學案例庫

依托省級實驗中心和協同創新中心等平臺，深入軌道交通企業，加速企業先進技術成果向綜合性、創新性實驗項目轉化，結合國家級虛擬仿真實驗教學一流課程，將企業科研成果、教學資源，進行數字化資源整合、優化，探索特色實驗教學案例庫的建設方法和應用策略，開發具有軌道交通特色的實驗案例庫。

（三）工程育人，創新新時代軌道交通人才培養實驗教學模式

利用知識圖譜改造現有的實驗課程和教學資源，打造“科研引領、校企聯動、項目管理”開放式數字化實驗教學模式，將科研成果、產業需求、實驗內容和學生競賽信息分類梳理，開展項目式管理，實現創新型應用人才培養的實驗課程目標，提高學生的實踐創新素養。

（四）面向產出，構建基于知識圖譜的創新性實驗評價體系

針對以虛擬現實技術和互聯網為代表的虛實融合數字化實驗教學過程，無感式采集學生的過程性學習數據，利用知識圖譜為每個學生提供精細的“數字畫像”；研究深度知識追蹤技術等人工智能技術，對每個學生在虛擬和真實任務情境中解決問題的操作序列建模，認證學生的多樣化學習成果，完成學生的過程性創新評價。

三、“三層雙融式”實踐教學體系

我校電氣信息類專業面向軌道交通行業構建了“重思想、強技術、善創新”的“三層雙融式”實踐教學體系，貫穿大學四年的實踐教學中。

（一）重思想——樹立交通強國的新時代思維

2024年12月23日，中共中央辦公廳、國務院辦公廳發布關于加快建設統一開放的交通運輸市場的意見，是繼《交通強國建設綱要》《國家綜合立體交通網規劃綱要》之后，黨中央、國務院對加快建設交通強國作出的又一重大部署。我校作為一所軌道交通特色鮮明的學校，始終肩負著為我國交通行業培養優秀人才的重任。我校電氣信息類專業積極探索課程思政，逐步形成了理論與實際相結合、學校與企業相融合的實踐教學思政體系。

以“認識實習”課程為例進行介紹。“認識實習”是電氣信息類專業夏Ⅰ學期的集中實踐環節，是向專業核心課程過渡的首要環節，起到承前啟后的重要作用，是加強素質教育、按照培養方案對學生進行工程訓練和能力培養的重要教學環節。以立德樹人為根本，堅持知識傳授、能力培養和德育教育三者并舉，并將思想政治教育融入課程全過程。該課程的思政目標為培養學生樹立交通強國的新時代思維，利用虛擬現實技術，自主研發了以京張鐵路為背景的虛擬仿真實訓系統，通過時空對比，再現“老京張”鐵路到智慧京張高鐵的變遷，探索虛擬環境下的實踐類課程思政。

（二）強技術——奠定交通強國的基礎

面向軌道交通領域，依托學院城市軌道交通通信與行車控制實驗室等省級實踐教學平臺，建立了能力遞進實踐教學體系。該實踐教學體系將大學生的實踐能力培養分為兩個階段，即認知能力培養階段和操作能力培養階段。該實踐教學體系結構圖如圖1所示。

圖1"實踐教學體系結構圖

專業構建了虛實雙場景的實踐平臺，虛擬場景主要是利用虛擬現實技術建立的虛擬仿真系統和利用視頻技術建立的視頻教學場景，真實場景主要是半實物仿真實習場地和校外企業實習場景。

（三）善創新——助力交通強國的建設

學院具備了進行創新的基本條件。在學生創新能力培養階段，我院每年舉辦校級電子電路設計大賽，通過該項賽事，對學生加以選拔培養，讓優秀的學生進入學院第二課堂創新基地，指導教師以自己的科研項目為平臺，促進學生的軟硬件開發能力，然后經過進一步培訓而參加各類學科競賽或申報大學生創新創業項目。

創新性實踐教學鼓勵具有一定科研素質的學生參加教師的科研項目，培養和訓練學生的綜合應用能力、初步科研能力和創新能力等。

四、面向產出構建基于知識圖譜和知識追蹤的創新性實踐評價體系

創新和實踐能力培養是軌道交通行業電氣信息類人才培養的主要目標，但是從目前來看，學生在大學期間的實踐課程分數相比于理論課偏高，但是實踐和創新能力弱一直是高校人才培養的主要問題。經過多年的探索，我院電氣信息類專業全面梳理了實踐課程知識體系及實驗教學內容，構建了專業實踐課知識圖譜，幫助學生形成專業的知識框架，通過知識圖譜對學生的學習過程進行記錄。在實踐環節中，對學生開發步驟、階段數據、最終結果等數據進行采集，形成實驗過程“數字畫像”，采取知識跟蹤等技術實現學生學習成果的準確評價。軌道交通類實驗教學過程中形成異構的知識結構化、關聯化，同時采集了實驗實施過程中的特征向量，并對能力達成進行了可解釋性分析，從而對學生精準教學、個性化輔導提供支撐，有效地提高了學生的實踐創新能力。

以電氣信息類學生“鐵路牽引變電所綜合實踐”課程為例，討論面向產出的實踐類課程評價。該課程主要依托國家級虛擬仿真實驗教學一流課程“鐵路牽引變電所虛擬仿真實驗”開展，主要分為學生虛擬操作和知識檢測模塊，如圖2所示。

圖2"鐵路牽引變電所課程知識檢測環節

現場的牽引變電所全天候處于帶電工作的高電壓狀態，不允許學生長時間滯留學習，更不可能給學生實際操作的機會。因此，學生可以先通過虛擬仿真系統學習牽引變電所，熟悉后再到現場參觀學習。該課程真實再現了牽引變電所的真實場景，包括戶外設備、戶內設備和控制設備的仿真。在虛擬場景中，完成常見的倒閘操作的訓練等，操作結束后，學生利用知識檢測模塊對自己進行測試。

引入知識追蹤技術對學生的操作和檢測進行評價。傳統的知識追蹤主要依賴于貝葉斯模型，其處理海量數據的能力受限。深度學習由于出色的特征提取能力，更適合從海量的學生操作和測試數據中捕獲學生的知識狀態。

課程評價使用的課程知識圖譜包含了與實踐教學課程目標相關聯的知識點前驅、后繼、并行關系，本文根據課程的教學大綱，以課程目標為層級進行劃分，將實踐教學的教學內容與課程目標進行關聯，為后續輔助學生打下基礎。

深度知識追蹤模型，采用基于循環神經網絡的深度知識追蹤模型，利用循環神經網絡模擬學生學習并預測其表現，實時掌握學生的學習狀態。

本課程的課程目標有兩個，分別為：（1）通過虛擬仿真實驗操作，掌握牽引變電所現場操作基本技能，通過實操訓練，了解職業規范、技規、安規的重要性，增強學生自身的職業責任感。（2）理解電氣工程師的職業性質和責任，并能在電氣工程實踐活動中自覺遵守職業規范。

學生在操作過程中，對牽引變電所的操作主要包括虛擬漫游、標準化倒閘作業、標準化交接班、高壓變電所更換作業、高壓開關柜拆解認知、高壓隔離開關拆解認知等內容，操作占總分的50%，具體分值見下表。

以2019級學生的課程目標達成情況為例，其課程目標達成情況如圖3所示。由圖3可知，學生對該課程的課程目標達成情況良好。

目前，基于深度知識追蹤的實踐課程評價體系在電氣信息類實踐課程中進行應用，能輔助教師在實踐教學中實時掌握學生的動態，對學生在整個學習過程中的表現進行跟蹤與評價，并通過形成性評價，保證學生課程目標的達成。

結語

我校以軌道交通行業為特色，充分利用虛擬現實和知識圖譜技術。面向軌道交通領域，積極探索了數字化專業思政途徑，建設了產教融合特色案例庫，創新了新時代軌道交通人才培養實驗教學模式，構建了基于深度知識追蹤技術的創新性實驗評價體系，形成了可復制、可推廣的服務軌道交通行業特色的實踐教學體系教學范式。

參考文獻：

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［4］王明明，孫曉云，胡曉娟，等.“雙場景、三平臺”能力遞進實踐教學體系的探索與實踐［J］.電氣電子教學學報，2021，43（1）：159163.

基金項目：2022年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“基于OBE的電氣信息類實踐教學環節形成性評價機制探索與實踐”（2022GJJG235）

作者簡介：王明明（1982—"），男，漢族，河北石家莊人，工學博士，副教授，主要從事實踐教學改革研究。

*通信作者：孫曉云（1971—"），女，漢族，河北石家莊人，工學博士，教授，主要從事實踐教學改革研究。