“双场景、三平台”能力递进实践教学体系的探索与实践

2021-04-02王明明孙晓云胡晓娟蔡承才

电气电子教学学报 2021年1期

王明明，孙晓云, 胡晓娟，蔡承才

(石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北石家庄 050043)

0 引言

根据国家《铁路“十三五”发展规划》和《城市轨道交通2018年度统计和分析报告》显示：到 2020 年，铁路网规模达到 15 万公里，其中高速铁路 3 万公里；城市轨道交通规模将要达到 7395公里。铁路行业和城市轨道交通行业每年对技术型人才需求分别为9.46万和2.57万人。

国家铁路和城市轨道交通的快速建设，对具备理论扎实、实践能力突出、创新意识鲜明的应用型创新性人才的需求越来越多。这对电气信息类专业培养体系，尤其是实践教学体系提出了更高的要求。一方面，青年教师和学生的工程能力弱化、实践教学与工程实际脱节、学生进入行业后动手能力、适应能力和创新能力不足。另一方面，由于轨道交通行业的特殊性，在面向轨道交通行业开展实践教学过程中，因为高校不断扩招，学生数量增多，轨道交通企业很难长期或一次性安排学生进厂顶岗实习，大部分企业也只能提供短期参观、见习等，实践教学质量难以保障；轨道交通类部分实验无法在现场开展，如轨道信号故障再现与分析等。

因此，我们以培养服务轨道交通电气信息类应用型创新性人才为目标，依托虚拟仿真中心和校内外实训基地两个虚实结合的“双场景”建立了基础性认知实验平台、专业性实作实践平台和创新性迭代开放平台“三平台”能力递进实践教学大平台，对实践教学体系进行了探索[1]。

1 实践教学平台建立

虚拟仿真中心和校内外实训基地两个虚实结合的“双场景”建立了基础性认知实验平台、专业性实作实践平台和创新性迭代开放平台“三平台”能力递进实践教学大平台。如图1所示，虚拟仿真中心包括利用虚拟现实技术开发的三维虚拟仿真系统，主要有地铁施工动态仿真系统、地铁站虚拟仿真系统、铁路牵引变电所虚拟仿真系统和与中国中铁电气化局、中国铁建电气化局、中铁武汉电气化局等联合制作的铁路“四电”工程线上学习系统。校内外实训基地包括校内实训基地和校外实训基地，其中电子工程实验中心(首批河北省高校实验教学示范中心)和城市轨道交通通信与行车控制实验室(央企共建重点实验室)可提供学生校内实训场地；中铁武汉电气化局、北京铁路局石家庄供电段、北京铁路局衡水供电段、天津凯发电气股份有限公司、衡水铁路信号有限公司等12个与我校合作的具有轨道交通特色的企业可提供学生的校外实习场地[2]。

1.1 基础性认知实验平台

基础性认知实验平台主要用于满足大学生第1-4学期的实践教学，实现对学生认知能力的培养。实验平台包括：

(1)地铁施工动态仿真系统和地铁站虚拟仿真系统的地铁认知实验。学生通过该实验，可掌握地铁土木施工所包含的环节、各环节间的相互关系、重点工序的施工工艺等；完成地铁站入口认知、站厅结构认知、站厅设备认知、站台结构认知站台结构认知、变压室设备认知和各层机电设备认知等认知实验。

图1 “双场景、三平台”能力递进实践教学平台

(2)地铁牵引变电所虚拟仿真系统认知实验。学生通过该实验，可掌握牵引变电所工作原理、整体布局，掌握牵引变电所一次、二次系统构成、工作原理和作用，掌握牵引变电所一次主接线实际构成，掌握牵引变电所主要设备工作原理、外观及作用。

(3)安排学生到地铁施工单位和铁路牵引变电所进行参观学习。有了漫游学习的基础，学生们可以带着问题对企业进行参观，提高参观学习的质量。

(4)城市轨道交通通信与行车控制认知实验。包括城市轨道交通控制系统的认识实验、车站屏蔽门门体认识实验、大站台车站模型的认识实验和ISCS综合监控系统的认识实验。

通过基础性认知实验，学生可以对地铁和铁路牵引变电所有直观印象，通过三维虚拟仿真系统的认知漫游、企业参观、半实物仿真平台的理论与实践学习，逐步提升学生的认知能力。图2为基础性认知实验环节样例。

1.2 专业性实作实践平台

专业性实作实践平台主要用于满足大学生第5-7学期的实践教学，实现对学生实作能力的培养。本实践平台包括：

(1)依托电子工程实验中心的铁路信号实训实验室、铁路牵引供电与运行监控实验室、地铁牵引动力实验室等5个专业性实验室，开展铁路信号实作实践、铁路牵引供电实作实践、地铁牵引电机实践等。以铁路信号实作实践为例，学生通过此操作，可以掌握电动转辙机的分解和组装的过程；利用继电控制电路搭建转辙机控制电路，实现道岔的进路式控制和单独控制。

图2 基础性认知实验现场

(2)铁路“四电”工程在线学习。铁路“四电”工程是确保铁路安全可靠运行的核心系统，是电气信息类学生必须掌握的一项实践技能。由于此部分内容知识点繁多，教材中涉及的内容无法与工程实际保持同步。与中国中铁电气化局、中国铁建电气化局、中铁武汉电气化局等单位开展深入合作，联合制作了铁路“四电”工程在线教学系统。该教学系统结合现场及教学对铁路“四电”工程专业人才培养需要，梳理出62个知识点和261个分项知识点，由一线工作人员录制，手把手教学生如何操作每一个步骤。图3为铁路“四电”工程部分教学视频内容。

(3)地铁牵引变电所虚拟仿真系统操作考核实验。由学生进行操作，并对学生的操作结果进行评分，通过对学生成绩分析，了解学生掌握的程度。

(4)城市轨道交通通信与行车控制操作实验，由学生现场操作设备，由指导教师评分，掌握学生实际操作的程度。

通过专业性实作实践平台的实际操作，学生不仅可以对虚拟设备进行操作，还接触到实物系统的操作，尤其是铁路“四电”工程的学习，使学生操作能力得到极大提高[3]。

图3 铁路“四电”工程视频内容(部分)

1.3 创新性迭代开放平台

创新性迭代开放平台主要用于满足大学生第6-8学期学生创新能力培养。本创新平台包括：

(1)我院每年举办校级电子电路设计大赛，通过该项赛事，对学生加以选拔培养，让优秀的学生进入学院第二课堂创新基地，由指导教师将自己的科研项目为平台，促进学生的软硬件开发能力，然后再经过进一步培训而参加各类学科竞赛或申报大学生创新创业项目。

(2)创新性实践教学鼓励具有一定科研素质的学生参加教师的科研项目，培养和训练学生的综合应用能力、初步科研能力和创新能力等，具体实现形式包括：科技创新活动，工程实践活动，科研训练计划，综合性、设计性实验等。通过参加教师的科研项目，学生的科研创新能力得到极大提高[4]。

通过创新性迭代开放平台的实践教学，学生取得了丰富的成果。

2 实践教学课程体系重构

重构了电气信息类专业实践教学课程体系，包括基础性实践课程、专业性实践课程和创新性实践课程三个主模块。如图4所示。

图4 实践教学课程体系

2.1 基础性实践课程

对应的集中实践环节主要为认识实习，以提高学生的认知能力为目标。依托城市轨道交通虚拟仿真系统和城市轨道交通行车与控制实验室，开设了具有地铁特色的认知类实验，包括地铁站入口认知实验、地铁站站厅结构认知实验、地铁站站台结构认知实验、变压室设备认知实验、地铁控制系统认知实验、车站屏蔽门门体认知实验、大站台车台模型认知实验和综合监控系统认知实验；依托省级牵引变电所虚拟仿真实验项目，开设了具有铁路特色的认知类实验，包括变电所构成原理认知实验、高压进线侧设备认知实验、室内高压室设备认知实验、馈线侧设备认知实验、控制室设备认知实验和高压开关柜认知实验。

2.2 专业性实践课程

对应的集中实践环节主要为生产实习，以提高学生的操作能力为目标。依托城市轨道交通行车与控制实验室，开设了具有地铁特色的操作类实验，包括ATS控制系统操作实验、票务控制系统操作实验、车站屏蔽门操作实验和就地控制柜操作实验等；依托校内铁路信号实验室和省级牵引变电所虚拟仿真项目，开设了具有铁路特色的操作类实验，包括电动转辙机分解与拆装实验、转辙机控制电路设计实验、道岔进路式控制实验、继电器故障分析实验和牵引供电设备操作实验。专业性实践课程，均有考核，由任课教师对学生操作进行评分[5]。

2.3 创新性实践课程

主要针对创新性能力培养，包括创新创业项目、各类竞赛和第二课堂。由于创新性课程不是电气信息类学生的必修内容，目前并不计入学分，但是在大学生选拔项目中作为主要考核点，比如大学生保送研究生推荐时，当涉及到不同专业学生竞争时，不参考课程分，而是以创新类成果作为评分标准。该项措施也极大的调动了学生参加创新性课程的积极性。

3 教师工程实践能力培养

针对青年教师工程能力弱化问题，探索了“进企业-进项目-进岗位”教师工程实践能力培养长效机制。

3.1 进企业

与天津凯发电气股份有限公司、北京局石家庄供电段等12个企业建立校外基地。每学期组织教师到企业参观学习。学生实习期间，要求教师必须跟随学生一起学习、与企业工程师进行交流，提升自己的实践教学水平。

我院多名教师深入到企业一线，与中国中铁电气化局、中国铁建电气化局、中铁武汉电气化局等单位开展深入合作，制作铁路“四电”工程教学视频，实践教学能力得到了极大的提高。

3.2 进项目

让教师组建团队参与轨道交通领域的横向课题或面向轨道交通行业进行教学改革立项。通过项目的实施，形成以科研促教学、以改革促教学的模式，强化教师工程能力。

目前，我院面向轨道交通行业，形成4个稳定的科研团队，研究方向分别为铁路基础设施检测与信息技术、高铁及城轨供电系统关键技术、电力机车运行安全监测技术和电力变压器状态检修与全寿命周期管理。教师的科研能力逐步提高，“以研促教”效果逐渐体现。

3.3 进岗位

为了进一步强化教师的实践教学能力，学院制定了《专业教师参加企业顶岗实践实施办法》，鼓励教师到企业顶岗实习，进一步提升教师工程实践能力。

随着“三进”长效机制的实施，我院教师的实践教学能力和工程应用能力得到了极大提高，为实践教学改革目标的实现，提供了保障。

4 实践教学质量保障体系

实践教学质量保障体系是实践教学改革中非常重要的内容之一，直接关系到人才培养目标实现与否。本项目形成了“学生互评-教师讲评-企业点评”三位一体实践教学质量保障体系，结构如图5所示。

图5 实践教学质量评价体系结构图

在项目实施初期，组织学院专任教师和在校生进行了座谈，并对已毕业学生进行问卷调查。根据人才培养目标和调研结果，确定了本次实践教学改革的目标，确定实践教学计划、实施、检查、处理等各阶段的任务、内容、特点及要求。

项目实施过程中，每一次实践环节做到学生互评、教师对项目的实施进行讲评、企业培训人员对项目进行点评。每学期实践环节结束后，对实习学生进行问卷调查和座谈，了解学生在实习中对实践环节的评价；与任课教师进行座谈，了解实习中存在的问题，并对本次实践环节进行总结剖析；与用人单位进行座谈，了解毕业生存在的问题，并对实习效果进行分析，动态修改实习项目。

通过学生、教师和企业三方面的分析总结，找到实习中存在的问题，进一步修订实践环节教学内容。以轨道交通信号与控制专业问卷调查为例，结果表明：在校内生产实习中，学生学习时长大于5小时的学生数占比75%，对实习指导教师满意度达到98.8%，认为校内实习基础设施好的占比达69%，认为实践项目合理充实的学生占比84.5%，认为实验项目与所学专业联系紧密的学生占比100%。

通过“学生互评-教师讲评-企业点评”三位一体实践教学质量保障体系，师生实践能力得到提升，实现对“双场景、三平台”能力递进实践教学体系的有力保障。