虚实结合的城市轨道交通车辆实践课程体系探讨

胡定玉　师蔚　廖爱华　郑树彬

[摘 要]目前虚拟仿真实践教学设备在教学领域广泛应用。本文详细分析了目前城市轨道交通车辆工程专业虚拟实践教学的现状，针对性地提出目前该专业在利用虚拟仿真实践教学设备、课程资源过程中存在的主要问题，并根据本专业校内外实践基地的现状及虚拟设备等具体条件，提出虚实结合的城市轨道交通车辆实践课程体系及平台构建建议，为目前城市轨道交通车辆工程专业相关院校虚拟实践教学环节设计及实践基地建设提供借鉴。

[关键词]虚拟仿真;城市轨道车辆工程;实践课程平台

[中图分类号] G642            [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2022） 08-0071-03

一、概述

上海工程技术大学成为教育部第一批61所“卓越工程师教育培养计划”实施高校，城市轨道交通车辆专业方向成为试点专业方向之一。[1-2]该专业在上海高校校级校外实习基地建设项目-城市轨道交通“卓越工程师教育”校外实习基地建设的项目支持下，通过不断努力，已成为国内城市轨道交通行业的重要应用型人才培养基地以及地铁行业高层次人才培训基地。[3]

为适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系等发生革命性变化的要求，教育部发布了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》，指出“虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措”。[4]尤其是在新冠病毒疫情特殊情况下，传统的实践教学模式受到了极大的冲击。在这种背景下，利用虚拟仿真技术对现有的实践教学模式进行改进，研究准确适宜的实验教学内容，是促进实践教学方式适应时代发展、助推高等教育教学质量变轨超车的必然选择。

在此基础上，结合先进的信息化技术，建立相关虚拟仿真实践平台，对于提升城市轨道车辆特色专业学生实践水平具有重要意义。但如何根据专业培养定位、专业实践特点结合虚拟仿真技术，充分發挥虚拟仿真教学的优势，提升实践教学水平是专业建设过程中面临的巨大挑战。

二、虚拟实践课程目标分析

目前我校城市轨道交通车辆专业特点是机械工程、电子电气工程、材料科学等多学科知识的交叉贯通，强调基础理论与现代城市轨道车辆技术特点的结合和应用，着力培养面向城市轨道交通车辆运行保障及维护、故障诊断及维修等方面工作，并可延伸至整个轨道交通领域方面工作的高级工程应用型人才。[5，6]因此，在专业人才培养中注重实践教学平台建设，从而提升学生在专业方面的实践应用能力。

因此，在我校该专业的课程体系中，实践课程体系通常由校内实验、校外实习、校企双方共同指导课程设计三大主要模块构成。[7]校内实验中的专业实验平台针对其培养计划，实物实验平台能够涵盖城市轨道交通车辆结构、电气、故障诊断三大方向，满足相关专业实验的实验需求。校外实习通常由专业基础实习、认识实习及生产实习构成，学生会进入轨道交通企业进行实习学习。课程设计则是由校企双方共同指导，企业方提供实际课题及数据，学校教师进行相关设计内容的辅导。

但目前建成的实践教学平台在支撑以上实践教学体系的过程中也存在一定瓶颈。首先，随着轨道交通的发展，不论在结构、电气系统还是在故障诊断、维护保障的设施设备等方面都产生了一定的变化及更新，这给实验室设备的更新提出了挑战。同时轨道交通车辆形式的日趋多样性也给实验室平台建设带来了新需求。但是，如果通过不断增加硬件实训设备来满足不断发展的车辆工程技术及多样性的实践需求，实践平台投入场地及经费都会受到极大制约。同时在企业进行的各种实习，受车辆带电操作等危险情况的影响，能够进行实习的项目也非常有限，特别是难以演练特殊情况下的设备故障查找、设备维修、故障抢险等特殊工作状态。

传统的实践教学平台这些问题日益突出的背景下，虚拟现实技术为解决这些问题提供了新的思路。虚拟平台下的实践平台可以搭载不同虚拟内容，占用实训场地有限，可进行反复使用，培训效果逼真，无高电压、带电操作等危险情况，不浪费耗材，可反复演练等优点，可极大地提高教学及培训效率。因此专业建立了相关虚拟实践硬件平台搭建，在硬件平台的基础上，搭建结构与原理、电气原理、检修实训等软件平台用来弥补专业在实践教学过程中存在的以上问题。

三、虚拟实践教学存在的主要问题分析

虚拟实践教学通过一段时间的实践后，也提出了新的挑战，比如，如何从专业层面，统一规划车辆专业的实践教学，为相关课内实验、专业实验以及实习实践课程提供全面的支撑，并且保障学生能够在课程学习的过程中转变思想，由被动学习转为主动学习，需要进行大量的探索实践。目前主要有以下几个瓶颈问题亟待解决：

（一）虚实把握不准确，过于重视虚拟展示

在目前的虚拟仿真教学中，过于重视虚拟技术展示而轻视了实践过程中存在的问题。比如在车辆电气仿真中，现有的虚拟仿真平台能够展示主要主回路及控制回路的动态流程，为学生了解城市轨道交通车辆控制逻辑和控制过程起到了重要的作用。但结合车辆工程专业学生在实际维护保障的应用中会遇到各种各样的问题，尤其是线路出现断点、继电器偶发性故障等，在理论分析的基础上还需要实际测量以判定故障点，如果完全依赖虚拟仿真平台很难保证对实际的工况的模拟。如何通过和实际地铁运营企业联合，增加如判断故障，排除故障等实际操作，把握好虚实之间的平衡点，是提升虚拟仿真教学效果必须解决的问题。

（二）教学模式僵化，不能发挥虚拟仿真技术优势

在传统实践环节教学模式中，出于实验安全等考虑，实验的目的大都是为验证所学的理论。通常是教师做出完整的实验指导书，而学生则严格按照实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤等，执行实验验证。而虚拟仿真教学避免了传统实践教学环节过程中可能出现的这种问题，但虚拟仿真的这一优势尚未被开发出来。在现有的虚拟仿真实践教学过程中，教师往往延续着传统实验教学过程中采用的教学模式，从而导致了学生依然在重复着没有任何自主创造性的模仿操作，不利于想象力和创造力的培养，同时也导致学生缺乏学习主动性。因此，探索虚拟仿真教学过程中的新型教学模式，充分发挥虚拟仿真技术优势，提升传统实践培养效果，培养学生创新能力，是当前虚拟仿真实践教学必须解决的问题。

（三）資源共享不充分，自主研发不够

现在高校的虚拟仿真平台大都从几个国内知名的虚拟仿真技术公司购置，通常是由高校提出需求，由公司进行全面开发。问题在于不同的专业有不同专业的特色，而公司往往没有行业背景，在一些环节显然是违背行业常识的。另外，这也导致公司无法根据行业特点和发展对虚拟仿真平台进行创新升级。同时各个高校之间的平台并不能共享，造成了资源的浪费。如何建立实践教学体系，设置专门的实践教学老师，并且使专业课教师深度参与研发甚至是自主研发，是目前虚拟仿真实践教学必须解决的问题。

综上可知，目前虚拟仿真技术虽然处于建设的高峰期，也取得了一定的成果，但是其教学模式和教学体系无法适应硬件平台技术的高速发展。尤其是对于如城市轨道交通车辆专业这类具有鲜明行业特色的专业，现有的教学模式只是单纯地延续传统的教学模式，无法充分发挥虚拟仿真技术的优势，同时不利于培养学生的自主创新性和学习主动性。并且由于现有的虚拟仿真平台自主研发内容较少，无法体现专业的特色，教师在教学过程中也受限于教学资源，不能真正地根据教学需求安排教学任务。因此，探索新型教学模式，把握虚实之间的平衡点，在实践环节中充分挖掘学生的创新能力和主观能动性，是现有城市轨道交通车辆专业虚拟仿真实践教学必须解决的问题。

四、虚实结合的实践课程平台构建

针对轨道交通车辆专业虚拟仿真实践教学存在的以上瓶颈问题，可从三个方面入手：

（一）把握“虚实结合、相互补充、能实不虚”原则，构建虚实平衡的实践教学体系

梳理城市轨道交通车辆专业实践教学课程，深入调研地铁行业对于车辆专业应用型人才的需求，通盘考虑，将现有课程按照车辆结构与原理类、电气结构与原理类、气路结构与原理类三大类进行分类，明确各类课程的虚拟仿真教学特点和需求;分析相关课程的特点、重复率等，结合现有的实物类实践平台，确立虚拟仿真和实物类实践教学之间的相互支撑以及可替代关系，构建虚实平衡的实践教学体系。

（二）在常规实践教学环节融入自主创新环节，提升实践环节对学生创新能力的培养

在现有的虚拟仿真展示基础上，重点开发具有实践操作、自主创新改进的实验项目。将实践教学与大学生创新项目、创新性试验等充分结合起来，引导学生进行相关的创新，培养学生的创新意识。通过验证实验与创新实验的相互交叉，提高学生的动手能力，调动学生创新思考的积极性。采用教师导学与学生自学并行，学生自主学习为根本的教学策略，将实验时间返还学生，同时减轻教师的实践教学工作量，激发学生主动动手参与的热情，形成一个教学自学的良性循环。

（三）研发购置并举，以研发为重心，凸显城市轨道交通车辆特色

高校作为高等人才培养的重要基地，担当着学生专业基础知识与创新能力培养的重大任务。我院在虚拟仿真实验平台的使用上存在着很大的局限性与依赖性，缺乏自主性，只是一味地接受，严重地依赖于外界。针对这一问题，倡导一种以研发平台为重心，同时在购置平台的基础上进行二次创新研发的举措，试图研发出更适合城市轨道车辆专业的个性化平台，提高课堂的教学质量与学生的学习效率。并通过网络将各个高校间的虚拟仿真平台连接起来，实现实验教育资源共享，提升资源利用率。各个高校之间可以通过这种方式实现资源共享，学习其他高校优秀的教学方式，取长补短，优化自己的教学体系与教学模式，形成改进—实践—再改进这样的一个正反馈。

五、总结

本文根据城市轨道交通车辆专业实践教学课程目标进行分析入手，深入探讨了本专业在发展过程中从实践平台到实践体系等方面遇到的瓶颈问题，针对以上问题提出了虚实结合的实践课程教学体系的建设方案。同时建议在实践教学过程中增加创新环节，提升自主研发虚拟仿真内容，凸显城市轨道交通车辆特色，使虚拟实践教学在本专业的实践教学过程中发挥更大的作用。

参考文献：

[1]郑树彬，朱文良，方宇，等. “卓越计划”下的城轨车辆专业工程教育课程体系创新设计[J]. 大学教育，2013（2）：5-7.

[2]郑树彬，朱文良，方宇，等. 基于驱动创新能力培养的城市轨道交通车辆工程专业课程体系研究[J].教育教学论坛，2013（38）：136-138.

[3]柴晓冬，郑树彬. 新工科特征的城轨交通运维保障人才模式探索与实践[J].教育现代化，2020，7（21）：1-5.

[4]熊宏齐. 国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征[J]. 实验技术与管理，2019，36（9）：1-4.

[5]鲁嘉华，郑树彬，王娟. 城市轨道交通专业交叉融合的人才培养模式探索[J]. 高等工程教育研究，2018（5）：24-29.

[6]胡定玉， 方宇， 廖爱华，等. 基于VR技术的城市轨道车辆故障诊断技术实践教学探讨[J]. 教书育人：高教论坛， 2018， 655（33）：110-111.

[7]师蔚，廖爱华，宋瑞刚. 城市轨道车辆工程专业校外实习问题及解决方案探讨[J]. 大学教育，2015（10）：163-165.

（责任编辑：张宏玉）

Discussion on the practical curriculum system of urban rail transit vehicles with the combination of virtual and reality

Dingyu Hu  Wei Shi  AiHua Liao  ShuBin Zheng

（School of Urban Rail Transportation， Shanghai University of Engineering Science）

Abstract： Currently， virtual simulation practice teaching equipment is widespread use in the field of teaching， especially， this paper makes a detailed analysis of the developing status of virtual practice teaching in urban rail transit vehicles engineering major， and pointedly presents the main issues in the use of virtual simulation practice teaching equipment and course resources. Then the practical curriculum system of urban rail transit vehicles combining the virtual and the reality and a proposal for platform construction are proposed according to the current situation of the internal and external practice base of the profession and specific conditions such as virtual devices， particularly， which serves a reference for the virtual practice teaching session design and practice base construction of the relevant professional colleges.

Key words： Virtual simulation， Urban rail transit vehicles engineering， Practical curriculum platform.