“雙場景、三平臺”能力遞進實踐教學體系的探索與實踐

王明明， 孫曉云, 胡曉娟， 蔡承才

(石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

根據國家《鐵路“十三五”發展規劃》和《城市軌道交通2018年度統計和分析報告》顯示：到 2020 年，鐵路網規模達到 15 萬公里，其中高速鐵路 3 萬公里；城市軌道交通規模將要達到 7395公里。鐵路行業和城市軌道交通行業每年對技術型人才需求分別為9.46萬和2.57萬人。

國家鐵路和城市軌道交通的快速建設，對具備理論扎實、實踐能力突出、創新意識鮮明的應用型創新性人才的需求越來越多。這對電氣信息類專業培養體系，尤其是實踐教學體系提出了更高的要求。一方面，青年教師和學生的工程能力弱化、實踐教學與工程實際脫節、學生進入行業后動手能力、適應能力和創新能力不足。另一方面，由于軌道交通行業的特殊性，在面向軌道交通行業開展實踐教學過程中，因為高校不斷擴招，學生數量增多，軌道交通企業很難長期或一次性安排學生進廠頂崗實習，大部分企業也只能提供短期參觀、見習等，實踐教學質量難以保障；軌道交通類部分實驗無法在現場開展，如軌道信號故障再現與分析等。

因此，我們以培養服務軌道交通電氣信息類應用型創新性人才為目標，依托虛擬仿真中心和校內外實訓基地兩個虛實結合的“雙場景”建立了基礎性認知實驗平臺、專業性實作實踐平臺和創新性迭代開放平臺“三平臺”能力遞進實踐教學大平臺，對實踐教學體系進行了探索[1]。

1 實踐教學平臺建立

虛擬仿真中心和校內外實訓基地兩個虛實結合的“雙場景”建立了基礎性認知實驗平臺、專業性實作實踐平臺和創新性迭代開放平臺“三平臺”能力遞進實踐教學大平臺。如圖1所示，虛擬仿真中心包括利用虛擬現實技術開發的三維虛擬仿真系統，主要有地鐵施工動態仿真系統、地鐵站虛擬仿真系統、鐵路牽引變電所虛擬仿真系統和與中國中鐵電氣化局、中國鐵建電氣化局、中鐵武漢電氣化局等聯合制作的鐵路“四電”工程線上學習系統。校內外實訓基地包括校內實訓基地和校外實訓基地，其中電子工程實驗中心(首批河北省高校實驗教學示范中心)和城市軌道交通通信與行車控制實驗室(央企共建重點實驗室)可提供學生校內實訓場地；中鐵武漢電氣化局、北京鐵路局石家莊供電段、北京鐵路局衡水供電段、天津凱發電氣股份有限公司、衡水鐵路信號有限公司等12個與我校合作的具有軌道交通特色的企業可提供學生的校外實習場地[2]。

1.1 基礎性認知實驗平臺

基礎性認知實驗平臺主要用于滿足大學生第1-4學期的實踐教學，實現對學生認知能力的培養。實驗平臺包括：

(1)地鐵施工動態仿真系統和地鐵站虛擬仿真系統的地鐵認知實驗。學生通過該實驗，可掌握地鐵土木施工所包含的環節、各環節間的相互關系、重點工序的施工工藝等；完成地鐵站入口認知、站廳結構認知、站廳設備認知、站臺結構認知站臺結構認知、變壓室設備認知和各層機電設備認知等認知實驗。

圖1 “雙場景、三平臺”能力遞進實踐教學平臺

(2)地鐵牽引變電所虛擬仿真系統認知實驗。學生通過該實驗，可掌握牽引變電所工作原理、整體布局，掌握牽引變電所一次、二次系統構成、工作原理和作用，掌握牽引變電所一次主接線實際構成，掌握牽引變電所主要設備工作原理、外觀及作用。

(3)安排學生到地鐵施工單位和鐵路牽引變電所進行參觀學習。有了漫游學習的基礎，學生們可以帶著問題對企業進行參觀，提高參觀學習的質量。

(4)城市軌道交通通信與行車控制認知實驗。包括城市軌道交通控制系統的認識實驗、車站屏蔽門門體認識實驗、大站臺車站模型的認識實驗和ISCS綜合監控系統的認識實驗。

通過基礎性認知實驗，學生可以對地鐵和鐵路牽引變電所有直觀印象，通過三維虛擬仿真系統的認知漫游、企業參觀、半實物仿真平臺的理論與實踐學習，逐步提升學生的認知能力。圖2為基礎性認知實驗環節樣例。

1.2 專業性實作實踐平臺

專業性實作實踐平臺主要用于滿足大學生第5-7學期的實踐教學，實現對學生實作能力的培養。本實踐平臺包括：

(1)依托電子工程實驗中心的鐵路信號實訓實驗室、鐵路牽引供電與運行監控實驗室、地鐵牽引動力實驗室等5個專業性實驗室，開展鐵路信號實作實踐、鐵路牽引供電實作實踐、地鐵牽引電機實踐等。以鐵路信號實作實踐為例，學生通過此操作，可以掌握電動轉轍機的分解和組裝的過程；利用繼電控制電路搭建轉轍機控制電路，實現道岔的進路式控制和單獨控制。

圖2 基礎性認知實驗現場

(2)鐵路“四電”工程在線學習。鐵路“四電”工程是確保鐵路安全可靠運行的核心系統，是電氣信息類學生必須掌握的一項實踐技能。由于此部分內容知識點繁多，教材中涉及的內容無法與工程實際保持同步。與中國中鐵電氣化局、中國鐵建電氣化局、中鐵武漢電氣化局等單位開展深入合作，聯合制作了鐵路“四電”工程在線教學系統。該教學系統結合現場及教學對鐵路“四電”工程專業人才培養需要，梳理出62個知識點和261個分項知識點，由一線工作人員錄制，手把手教學生如何操作每一個步驟。圖3為鐵路“四電”工程部分教學視頻內容。

(3)地鐵牽引變電所虛擬仿真系統操作考核實驗。由學生進行操作，并對學生的操作結果進行評分，通過對學生成績分析，了解學生掌握的程度。

(4)城市軌道交通通信與行車控制操作實驗，由學生現場操作設備，由指導教師評分，掌握學生實際操作的程度。

通過專業性實作實踐平臺的實際操作，學生不僅可以對虛擬設備進行操作，還接觸到實物系統的操作，尤其是鐵路“四電”工程的學習，使學生操作能力得到極大提高[3]。

圖3 鐵路“四電”工程視頻內容(部分)

1.3 創新性迭代開放平臺

創新性迭代開放平臺主要用于滿足大學生第6-8學期學生創新能力培養。本創新平臺包括：

(1)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，由指導教師將自己的科研項目為平臺，促進學生的軟硬件開發能力，然后再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。

(2)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，具體實現形式包括：科技創新活動，工程實踐活動，科研訓練計劃，綜合性、設計性實驗等。通過參加教師的科研項目，學生的科研創新能力得到極大提高[4]。

通過創新性迭代開放平臺的實踐教學，學生取得了豐富的成果。

2 實踐教學課程體系重構

重構了電氣信息類專業實踐教學課程體系，包括基礎性實踐課程、專業性實踐課程和創新性實踐課程三個主模塊。如圖4所示。

圖4 實踐教學課程體系

2.1 基礎性實踐課程

對應的集中實踐環節主要為認識實習，以提高學生的認知能力為目標。依托城市軌道交通虛擬仿真系統和城市軌道交通行車與控制實驗室，開設了具有地鐵特色的認知類實驗，包括地鐵站入口認知實驗、地鐵站站廳結構認知實驗、地鐵站站臺結構認知實驗、變壓室設備認知實驗、地鐵控制系統認知實驗、車站屏蔽門門體認知實驗、大站臺車臺模型認知實驗和綜合監控系統認知實驗；依托省級牽引變電所虛擬仿真實驗項目，開設了具有鐵路特色的認知類實驗，包括變電所構成原理認知實驗、高壓進線側設備認知實驗、室內高壓室設備認知實驗、饋線側設備認知實驗、控制室設備認知實驗和高壓開關柜認知實驗。

2.2 專業性實踐課程

對應的集中實踐環節主要為生產實習，以提高學生的操作能力為目標。依托城市軌道交通行車與控制實驗室，開設了具有地鐵特色的操作類實驗，包括ATS控制系統操作實驗、票務控制系統操作實驗、車站屏蔽門操作實驗和就地控制柜操作實驗等；依托校內鐵路信號實驗室和省級牽引變電所虛擬仿真項目，開設了具有鐵路特色的操作類實驗，包括電動轉轍機分解與拆裝實驗、轉轍機控制電路設計實驗、道岔進路式控制實驗、繼電器故障分析實驗和牽引供電設備操作實驗。專業性實踐課程，均有考核，由任課教師對學生操作進行評分[5]。

2.3 創新性實踐課程

主要針對創新性能力培養，包括創新創業項目、各類競賽和第二課堂。由于創新性課程不是電氣信息類學生的必修內容，目前并不計入學分，但是在大學生選拔項目中作為主要考核點，比如大學生保送研究生推薦時，當涉及到不同專業學生競爭時，不參考課程分，而是以創新類成果作為評分標準。該項措施也極大的調動了學生參加創新性課程的積極性。

3 教師工程實踐能力培養

針對青年教師工程能力弱化問題，探索了“進企業-進項目-進崗位”教師工程實踐能力培養長效機制。

3.1 進企業

與天津凱發電氣股份有限公司、北京局石家莊供電段等12個企業建立校外基地。每學期組織教師到企業參觀學習。學生實習期間，要求教師必須跟隨學生一起學習、與企業工程師進行交流，提升自己的實踐教學水平。

我院多名教師深入到企業一線，與中國中鐵電氣化局、中國鐵建電氣化局、中鐵武漢電氣化局等單位開展深入合作，制作鐵路“四電”工程教學視頻，實踐教學能力得到了極大的提高。

3.2 進項目

讓教師組建團隊參與軌道交通領域的橫向課題或面向軌道交通行業進行教學改革立項。通過項目的實施，形成以科研促教學、以改革促教學的模式，強化教師工程能力。

目前，我院面向軌道交通行業，形成4個穩定的科研團隊，研究方向分別為鐵路基礎設施檢測與信息技術、高鐵及城軌供電系統關鍵技術、電力機車運行安全監測技術和電力變壓器狀態檢修與全壽命周期管理。教師的科研能力逐步提高，“以研促教”效果逐漸體現。

3.3 進崗位

為了進一步強化教師的實踐教學能力，學院制定了《專業教師參加企業頂崗實踐實施辦法》，鼓勵教師到企業頂崗實習，進一步提升教師工程實踐能力。

隨著“三進”長效機制的實施，我院教師的實踐教學能力和工程應用能力得到了極大提高，為實踐教學改革目標的實現，提供了保障。

4 實踐教學質量保障體系

實踐教學質量保障體系是實踐教學改革中非常重要的內容之一，直接關系到人才培養目標實現與否。本項目形成了“學生互評-教師講評-企業點評”三位一體實踐教學質量保障體系，結構如圖5所示。

圖5 實踐教學質量評價體系結構圖

在項目實施初期，組織學院專任教師和在校生進行了座談，并對已畢業學生進行問卷調查。根據人才培養目標和調研結果，確定了本次實踐教學改革的目標，確定實踐教學計劃、實施、檢查、處理等各階段的任務、內容、特點及要求。

項目實施過程中，每一次實踐環節做到學生互評、教師對項目的實施進行講評、企業培訓人員對項目進行點評。每學期實踐環節結束后，對實習學生進行問卷調查和座談，了解學生在實習中對實踐環節的評價；與任課教師進行座談，了解實習中存在的問題，并對本次實踐環節進行總結剖析；與用人單位進行座談，了解畢業生存在的問題，并對實習效果進行分析，動態修改實習項目。

通過學生、教師和企業三方面的分析總結，找到實習中存在的問題，進一步修訂實踐環節教學內容。以軌道交通信號與控制專業問卷調查為例，結果表明：在校內生產實習中，學生學習時長大于5小時的學生數占比75%，對實習指導教師滿意度達到98.8%，認為校內實習基礎設施好的占比達69%，認為實踐項目合理充實的學生占比84.5%，認為實驗項目與所學專業聯系緊密的學生占比100%。

通過“學生互評-教師講評-企業點評”三位一體實踐教學質量保障體系，師生實踐能力得到提升，實現對“雙場景、三平臺”能力遞進實踐教學體系的有力保障。

5 結語

經過多年的實踐檢驗，取得了良好的推廣應用效果。主要體現在以下幾個方面：

服務軌道交通電氣信息類專業“雙場景、三平臺”能力遞進實踐教學體系的創新，使得實踐教學條件得到極大改善。持續7年，建成了軌道交通特色的實踐教學平臺，開發了100多個綜合性、設計性實驗項目，承擔了2萬余人次/年的實踐教學，學生工程實踐能力得到極大提高，畢業生就業率達到97%以上。

“三進”教師培養長效機制使得教師工程實踐能力顯著加強，教學質量得到提高。鐵路“四電”工程教學視頻庫的制作，虛擬仿真實驗項目的開發，教學改革的實施，提升了教師實踐教學能力。

大學生實踐創新能力得到較大提高。通過“基礎性-專業性-創新性”實踐教學課程體系，學生的工程實踐能力和創新能力得到較大提高。在創新創業訓練計劃和“全國大學生電子大賽”、“挑戰杯”等競賽中均取得了較好的成績。