虛實(shí)結(jié)合的城市軌道交通車輛實(shí)踐課程體系探討

胡定玉　師蔚　廖愛華　鄭樹彬

[摘 要]目前虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)設(shè)備在教學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)分析了目前城市軌道交通車輛工程專業(yè)虛擬實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，針對(duì)性地提出目前該專業(yè)在利用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)設(shè)備、課程資源過程中存在的主要問題，并根據(jù)本專業(yè)校內(nèi)外實(shí)踐基地的現(xiàn)狀及虛擬設(shè)備等具體條件，提出虛實(shí)結(jié)合的城市軌道交通車輛實(shí)踐課程體系及平臺(tái)構(gòu)建建議，為目前城市軌道交通車輛工程專業(yè)相關(guān)院校虛擬實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)及實(shí)踐基地建設(shè)提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真;城市軌道車輛工程;實(shí)踐課程平臺(tái)

[中圖分類號(hào)] G642? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1008-2549（2022） 08-0071-03

一、概述

上海工程技術(shù)大學(xué)成為教育部第一批61所“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”實(shí)施高校，城市軌道交通車輛專業(yè)方向成為試點(diǎn)專業(yè)方向之一。[1-2]該專業(yè)在上海高校校級(jí)校外實(shí)習(xí)基地建設(shè)項(xiàng)目-城市軌道交通“卓越工程師教育”校外實(shí)習(xí)基地建設(shè)的項(xiàng)目支持下，通過不斷努力，已成為國(guó)內(nèi)城市軌道交通行業(yè)的重要應(yīng)用型人才培養(yǎng)基地以及地鐵行業(yè)高層次人才培訓(xùn)基地。[3]

為適應(yīng)信息化條件下知識(shí)獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》，指出“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)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(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式受到了極大的沖擊。在這種背景下，利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，研究準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，是促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方式適應(yīng)時(shí)代發(fā)展、助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車的必然選擇。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)的信息化技術(shù)，建立相關(guān)虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)，對(duì)于提升城市軌道車輛特色專業(yè)學(xué)生實(shí)踐水平具有重要意義。但如何根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)定位、專業(yè)實(shí)踐特點(diǎn)結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，提升實(shí)踐教學(xué)水平是專業(yè)建設(shè)過程中面臨的巨大挑戰(zhàn)。

二、虛擬實(shí)踐課程目標(biāo)分析

目前我校城市軌道交通車輛專業(yè)特點(diǎn)是機(jī)械工程、電子電氣工程、材料科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的交叉貫通，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代城市軌道車輛技術(shù)特點(diǎn)的結(jié)合和應(yīng)用，著力培養(yǎng)面向城市軌道交通車輛運(yùn)行保障及維護(hù)、故障診斷及維修等方面工作，并可延伸至整個(gè)軌道交通領(lǐng)域方面工作的高級(jí)工程應(yīng)用型人才。[5，6]因此，在專業(yè)人才培養(yǎng)中注重實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，從而提升學(xué)生在專業(yè)方面的實(shí)踐應(yīng)用能力。

因此，在我校該專業(yè)的課程體系中，實(shí)踐課程體系通常由校內(nèi)實(shí)驗(yàn)、校外實(shí)習(xí)、校企雙方共同指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)三大主要模塊構(gòu)成。[7]校內(nèi)實(shí)驗(yàn)中的專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)其培養(yǎng)計(jì)劃，實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠涵蓋城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)、電氣、故障診斷三大方向，滿足相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)需求。校外實(shí)習(xí)通常由專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)習(xí)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)構(gòu)成，學(xué)生會(huì)進(jìn)入軌道交通企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)學(xué)習(xí)。課程設(shè)計(jì)則是由校企雙方共同指導(dǎo)，企業(yè)方提供實(shí)際課題及數(shù)據(jù)，學(xué)校教師進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容的輔導(dǎo)。

但目前建成的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)在支撐以上實(shí)踐教學(xué)體系的過程中也存在一定瓶頸。首先，隨著軌道交通的發(fā)展，不論在結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)還是在故障診斷、維護(hù)保障的設(shè)施設(shè)備等方面都產(chǎn)生了一定的變化及更新，這給實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的更新提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)軌道交通車輛形式的日趨多樣性也給實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)帶來了新需求。但是，如果通過不斷增加硬件實(shí)訓(xùn)設(shè)備來滿足不斷發(fā)展的車輛工程技術(shù)及多樣性的實(shí)踐需求，實(shí)踐平臺(tái)投入場(chǎng)地及經(jīng)費(fèi)都會(huì)受到極大制約。同時(shí)在企業(yè)進(jìn)行的各種實(shí)習(xí)，受車輛帶電操作等危險(xiǎn)情況的影響，能夠進(jìn)行實(shí)習(xí)的項(xiàng)目也非常有限，特別是難以演練特殊情況下的設(shè)備故障查找、設(shè)備維修、故障搶險(xiǎn)等特殊工作狀態(tài)。

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)這些問題日益突出的背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解決這些問題提供了新的思路。虛擬平臺(tái)下的實(shí)踐平臺(tái)可以搭載不同虛擬內(nèi)容，占用實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地有限，可進(jìn)行反復(fù)使用，培訓(xùn)效果逼真，無高電壓、帶電操作等危險(xiǎn)情況，不浪費(fèi)耗材，可反復(fù)演練等優(yōu)點(diǎn)，可極大地提高教學(xué)及培訓(xùn)效率。因此專業(yè)建立了相關(guān)虛擬實(shí)踐硬件平臺(tái)搭建，在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，搭建結(jié)構(gòu)與原理、電氣原理、檢修實(shí)訓(xùn)等軟件平臺(tái)用來彌補(bǔ)專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)過程中存在的以上問題。

三、虛擬實(shí)踐教學(xué)存在的主要問題分析

虛擬實(shí)踐教學(xué)通過一段時(shí)間的實(shí)踐后，也提出了新的挑戰(zhàn)，比如，如何從專業(yè)層面，統(tǒng)一規(guī)劃車輛專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，為相關(guān)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)以及實(shí)習(xí)實(shí)踐課程提供全面的支撐，并且保障學(xué)生能夠在課程學(xué)習(xí)的過程中轉(zhuǎn)變思想，由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，需要進(jìn)行大量的探索實(shí)踐。目前主要有以下幾個(gè)瓶頸問題亟待解決：

（一）虛實(shí)把握不準(zhǔn)確，過于重視虛擬展示

在目前的虛擬仿真教學(xué)中，過于重視虛擬技術(shù)展示而輕視了實(shí)踐過程中存在的問題。比如在車輛電氣仿真中，現(xiàn)有的虛擬仿真平臺(tái)能夠展示主要主回路及控制回路的動(dòng)態(tài)流程，為學(xué)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(jié)合車輛工程專業(yè)學(xué)生在實(shí)際維護(hù)保障的應(yīng)用中會(huì)遇到各種各樣的問題，尤其是線路出現(xiàn)斷點(diǎn)、繼電器偶發(fā)性故障等，在理論分析的基礎(chǔ)上還需要實(shí)際測(cè)量以判定故障點(diǎn)，如果完全依賴虛擬仿真平臺(tái)很難保證對(duì)實(shí)際的工況的模擬。如何通過和實(shí)際地鐵運(yùn)營(yíng)企業(yè)聯(lián)合，增加如判斷故障，排除故障等實(shí)際操作，把握好虛實(shí)之間的平衡點(diǎn)，是提升虛擬仿真教學(xué)效果必須解決的問題。

（二）教學(xué)模式僵化，不能發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)模式中，出于實(shí)驗(yàn)安全等考慮，實(shí)驗(yàn)的目的大都是為驗(yàn)證所學(xué)的理論。通常是教師做出完整的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，而學(xué)生則嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟等，執(zhí)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而虛擬仿真教學(xué)避免了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)過程中可能出現(xiàn)的這種問題，但虛擬仿真的這一優(yōu)勢(shì)尚未被開發(fā)出來。在現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)過程中，教師往往延續(xù)著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用的教學(xué)模式，從而導(dǎo)致了學(xué)生依然在重復(fù)著沒有任何自主創(chuàng)造性的模仿操作，不利于想象力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)，同時(shí)也導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性。因此，探索虛擬仿真教學(xué)過程中的新型教學(xué)模式，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升傳統(tǒng)實(shí)踐培養(yǎng)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，是當(dāng)前虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)必須解決的問題。

（三）資源共享不充分，自主研發(fā)不夠

現(xiàn)在高校的虛擬仿真平臺(tái)大都從幾個(gè)國(guó)內(nèi)知名的虛擬仿真技術(shù)公司購(gòu)置，通常是由高校提出需求，由公司進(jìn)行全面開發(fā)。問題在于不同的專業(yè)有不同專業(yè)的特色，而公司往往沒有行業(yè)背景，在一些環(huán)節(jié)顯然是違背行業(yè)常識(shí)的。另外，這也導(dǎo)致公司無法根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展對(duì)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)。同時(shí)各個(gè)高校之間的平臺(tái)并不能共享，造成了資源的浪費(fèi)。如何建立實(shí)踐教學(xué)體系，設(shè)置專門的實(shí)踐教學(xué)老師，并且使專業(yè)課教師深度參與研發(fā)甚至是自主研發(fā)，是目前虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)必須解決的問題。

綜上可知，目前虛擬仿真技術(shù)雖然處于建設(shè)的高峰期，也取得了一定的成果，但是其教學(xué)模式和教學(xué)體系無法適應(yīng)硬件平臺(tái)技術(shù)的高速發(fā)展。尤其是對(duì)于如城市軌道交通車輛專業(yè)這類具有鮮明行業(yè)特色的專業(yè)，現(xiàn)有的教學(xué)模式只是單純地延續(xù)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，無法充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新性和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。并且由于現(xiàn)有的虛擬仿真平臺(tái)自主研發(fā)內(nèi)容較少，無法體現(xiàn)專業(yè)的特色，教師在教學(xué)過程中也受限于教學(xué)資源，不能真正地根據(jù)教學(xué)需求安排教學(xué)任務(wù)。因此，探索新型教學(xué)模式，把握虛實(shí)之間的平衡點(diǎn)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力和主觀能動(dòng)性，是現(xiàn)有城市軌道交通車輛專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)必須解決的問題。

四、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐課程平臺(tái)構(gòu)建

針對(duì)軌道交通車輛專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)存在的以上瓶頸問題，可從三個(gè)方面入手：

（一）把握“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”原則，構(gòu)建虛實(shí)平衡的實(shí)踐教學(xué)體系

梳理城市軌道交通車輛專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程，深入調(diào)研地鐵行業(yè)對(duì)于車輛專業(yè)應(yīng)用型人才的需求，通盤考慮，將現(xiàn)有課程按照車輛結(jié)構(gòu)與原理類、電氣結(jié)構(gòu)與原理類、氣路結(jié)構(gòu)與原理類三大類進(jìn)行分類，明確各類課程的虛擬仿真教學(xué)特點(diǎn)和需求;分析相關(guān)課程的特點(diǎn)、重復(fù)率等，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)物類實(shí)踐平臺(tái)，確立虛擬仿真和實(shí)物類實(shí)踐教學(xué)之間的相互支撐以及可替代關(guān)系，構(gòu)建虛實(shí)平衡的實(shí)踐教學(xué)體系。

（二）在常規(guī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)融入自主創(chuàng)新環(huán)節(jié)，提升實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

在現(xiàn)有的虛擬仿真展示基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開發(fā)具有實(shí)踐操作、自主創(chuàng)新改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。將實(shí)踐教學(xué)與大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、創(chuàng)新性試驗(yàn)等充分結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的相互交叉，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新思考的積極性。采用教師導(dǎo)學(xué)與學(xué)生自學(xué)并行，學(xué)生自主學(xué)習(xí)為根本的教學(xué)策略，將實(shí)驗(yàn)時(shí)間返還學(xué)生，同時(shí)減輕教師的實(shí)踐教學(xué)工作量，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)動(dòng)手參與的熱情，形成一個(gè)教學(xué)自學(xué)的良性循環(huán)。

（三）研發(fā)購(gòu)置并舉，以研發(fā)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(yǎng)的重要基地，擔(dān)當(dāng)著學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重大任務(wù)。我院在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(yán)重地依賴于外界。針對(duì)這一問題，倡導(dǎo)一種以研發(fā)平臺(tái)為重心，同時(shí)在購(gòu)置平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新研發(fā)的舉措，試圖研發(fā)出更適合城市軌道車輛專業(yè)的個(gè)性化平臺(tái)，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。并通過網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)高校間的虛擬仿真平臺(tái)連接起來，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教育資源共享，提升資源利用率。各個(gè)高校之間可以通過這種方式實(shí)現(xiàn)資源共享，學(xué)習(xí)其他高校優(yōu)秀的教學(xué)方式，取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)化自己的教學(xué)體系與教學(xué)模式，形成改進(jìn)—實(shí)踐—再改進(jìn)這樣的一個(gè)正反饋。

五、總結(jié)

本文根據(jù)城市軌道交通車輛專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程目標(biāo)進(jìn)行分析入手，深入探討了本專業(yè)在發(fā)展過程中從實(shí)踐平臺(tái)到實(shí)踐體系等方面遇到的瓶頸問題，針對(duì)以上問題提出了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐課程教學(xué)體系的建設(shè)方案。同時(shí)建議在實(shí)踐教學(xué)過程中增加創(chuàng)新環(huán)節(jié)，提升自主研發(fā)虛擬仿真內(nèi)容，凸顯城市軌道交通車輛特色，使虛擬實(shí)踐教學(xué)在本專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)過程中發(fā)揮更大的作用。

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（責(zé)任編輯：張宏玉）

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.