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(ài)華 鄭樹(shù)彬 （上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院）

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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)了新需求。但是，如果通過(guò)不斷增加硬件實(shí)訓(xùn)設(shè)備來(lái)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(wèn)題日益突出的背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解決這些問(wèn)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(wú)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(lái)彌補(bǔ)專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的以上問(wèn)題。

三、虛擬實(shí)踐教學(xué)存在的主要問(wèn)題分析

虛擬實(shí)踐教學(xué)通過(guò)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(guò)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(wèn)題亟待解決：

（一）虛實(shí)把握不準(zhǔn)確，過(guò)于重視虛擬展示

在目前的虛擬仿真教學(xué)中，過(guò)于重視虛擬技術(shù)展示而輕視了實(shí)踐過(guò)程中存在的問(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)程中可能出現(xiàn)的這種問(wèn)題，但虛擬仿真的這一優(yōu)勢(shì)尚未被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，教師往往延續(xù)著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)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(méi)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(guò)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(wèn)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(kāi)發(fā)。問(wèn)題在于不同的專業(yè)有不同專業(yè)的特色，而公司往往沒(méi)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(wú)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(wèn)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(wú)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(wú)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(wú)法體現(xiàn)專業(yè)的特色，教師在教學(xué)過(guò)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(wèn)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(wèn)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(kāi)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(lái)，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(guò)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(wèn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)高校間的虛擬仿真平臺(tái)連接起來(lái)，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(guò)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(guò)程中從實(shí)踐平臺(tái)到實(shí)踐體系等方面遇到的瓶頸問(wèn)題，針對(duì)以上問(wèn)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(guò)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(guò)程中發(fā)揮更大的作用。