轨道交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心建设

王柏华，马秀飞，马 军，张彩荣

(江苏师范大学 国家级轨道交通信息与控制虚拟仿真实验中心，江苏 徐州 221116)

0 引 言

江苏师范大学自2013年至2018年分别获批了江苏省“信息与控制工程实践教育中心”、教育部“轨道信息与控制”国家级虚拟仿真实验教育中心、江苏省“轨道与控制虚拟仿真实验教学共享平台”和教育部首批“动车组转向架检修实验”国家级虚拟仿真实验教学项目建设点。5年来，课题组秉持新工科教育需要走上数字化转型之路的理念，坚持问题和需求为导向，依据虚实结合，能实不虚，开放共享的建设思路，以提高大学生工程素养、实践能力和创新精神为目标，紧密结合工程教学和工程训练环节，体现多维度、系统化和自主式等特点，拓展实验教学内容的广度和深度，建立了“实验—实践—实训”、“虚实结合”的实践教学体系，教学模式持续优化，教学体系不断完善，延伸了实验教学时间和空间，调动了学生学习与创新的主动性和积极性[1-2]。

1 建设体系

1.1 教学资源建设

(1)开发“三层六型”实验项目。课题组紧密融合专业建设和行业发展最新成果，根据经济社会发展对高校轨道交通信息与控制人才培养的需求，依托教育信息化服务企业提供专业技术和运营管理服务，与教育信息化服务企业合作，在行车控制、运行车辆、牵引供电、运输组织等，开发了具有展示、编辑和共建共享等功能的“三层六型”虚拟仿真实验教学项目50余个。包括车站联锁、信号基础设备、区间列控、信号机和转辙机拆装、继电接口电路、计算机联锁系统故障、列车限制速度曲线绘制、车辆部件拆装、车辆检修、牵引变电所供电系统设备操作、接触网分区供电方式、列车编组、运行图编制、运输能力计算、运行计划编制等虚拟仿真实验教学资源。基础层包括验证型、演示型仿真实验项目，应用层包括综合型、设计型仿真实训项目，提高层包括科研型、创新型仿真实验项目[3-4]。其中，自主研制的“基于沙盘的计算机联锁半实物仿真系统”“牵引供电动态模拟与故障分析系统”“动车模拟驾驶系统”“动车虚拟检修系统”“动车虚拟故障处理系统”“高铁综合调度仿真系统”等得到较好使用。

(2)搭建“三位一体”实验平台。课题组坚持以工程应用型人才培养为宗旨，提高学生的工程实践和创新能力，以“产学研”相结合为目标，提升教师的工程应用能力，以深化校企合作为出发点，培养轨道交通行业职工的职业技术能力和应急处理能力，搭建如图1所示的集“实验教学虚拟仿真”“实践培训虚拟仿真”“科研创新虚拟仿真”三大功能为一体的智能型虚拟实验共享平台。3个平台集虚拟资源、创新设计、智能指导和教学管理于一体，功能联动，形成一体化相互推动关系。实现“实验教学、实践培训、科研服务”的有机融合[3-4]。

图1 “实验教学、实践培训、科研服务”实验平台

(3)构筑“一纵四横”实验教学体系。依托学校学科专业优势，借助我校与俄罗斯圣彼得堡国立交通大学合作举办“3+2”本科教育项目的优质实验课程体系，按照虚实结合，能实不虚，以虚助实，虚实互补的基本路线，以轨道交通信息与控制主干课程知识点和能力要求为依据，以安全运行控制为准则，将“运输组织”“行车控制”“运行车辆”“牵引供电”虚拟仿真实验教学资源统筹建设，以满足多学校、多企业、多地区的虚拟仿真实践教学需求，形成如图2所示的“一纵四横”多分支的实验教学体系[5-8]。

图2 “一纵四横”实验教学体系

1.2 师资团队建设

强化实践教学队伍建设，激励教师积极从事实践教学工作，采取专兼职相结合、国内外培养与引进并举、建立实验教学队伍专业发展计划、终身教育与职称晋升改革等措施，提升实验队伍水平。目前形成了理论教学与实验教学互通，科学研究与工程开发结合，校内校外和国外相结合的高素质实验教学队伍。师资类别、来源、职称和学历结构如图3所示。

图3 师资类别、来源、职称和学历结构

(1)校内师资。中心利用学校师资队伍建设“153工程”和“331国际化工程”战略，加快高水平学科带头人和具有国际化背景的高层次专业人才引进。以教学促进科研，以科研反哺教学，特色突出，成果显著。目前专兼职教师68人，其中，中科院百人计划1人、江苏省双创人才1人，江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年学科带头人及“六大人才高峰”高层次人才和“青蓝工程”中青年学术带头人等15人，江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师10人[1]。

(2)国外师资。2014年经教育部批准，我校与俄罗斯圣彼得堡国立交通大学合作举办“3+2”本科教育项目，成立了全国第一所中俄合作办学机构。以此为平台深化国际教育合作，聘用国外16名轨道交通专业优质师资，进一步强化了专业师资建设。

(3)企业师资。2008年，我校与上海铁路局签定协议，共同培养轨道交通类专业人才。学校与企业共同参与实验中心建设与实验教学改革，并聘请了一批高级工程师和业务骨干兼任中心教师，指导学生进行生产实习、毕业设计等，建立了校企共建课程建设、教学资源建设、实习实践基地建设的良好合作机制。

1.3 保障体系建设

(1)管理体系。为确保虚拟仿真教学中心建设高效、管理科学、运行规范，学校建立如图4所示的管理体系。中心下设 “教学培训部”“科研服务部”“技术研发部”“企业协调部”，教学培训部负责基础实验虚拟仿真教学、学生实训、企业职工培训；科研服务部负责向校内外师生和研究开发人员提供平台服务；技术研发部负责虚拟仿真实验项目开发与完善，科研成果转化为实验实训教学项目，系统维护；企业协调部提供工程技术标准和技术资料，参与中心规划建设、确定培训项目和科研服务平台功能。

图4 中心组织管理体系

(2)资金保障。以学校为主体，与合作单位共同建设，共享建设成果。经费投入以学校为主，企业资助为辅。目前学校已投入4 000余万元，人才引进专项经费已投入200余万元，中心运行管理与维护经费50万元/年以上。

(3)评价体系。建立了绩效、用户和服务“三位一体”的评价体系。见图5所示。

图5 评价体系

1.4 共享体系建设

(1)信息化平台。针对虚拟实验过程的智能指导和实验结果自动批改关键技术，开发了如图6所示的信息化平台。实现了实验预约、审批、执行、评价和统计分析全方位的虚拟实验教学辅助功能，达到了整个实验过程的全程管理[9-11]。

图6 信息化平台

(2)共享架构。以优质实验资源开放共享为目标，建立了如图7所示的虚拟实验教学开放共享基本架构。可支持单片机、移动终端、局域网环境下使用，提供课程虚拟实验库，支持实验的选配和素材的选用，强化了虚拟仿真实验教学共享的技术支撑、系统服务和用户管理，实现了用户注册、登录、预约、查询实验状态信息及个人信息功能，满足实验教学的开放共享，激励了学生学习的积极性和提高学生创新能力[12-14]。

图7 虚拟实验教学共享基本架构

(3)开放共享。实现了校内共享、校际共享、企业共享和国际共享。校内服务相关专业，支持学科建设、支撑科学研究，满足仿真实验课程要求，为学生科技活动、学科竞赛、毕业设计、教师科研等提供服务。实验学生每年3 200人，12.8万人时数；校外服务相关高校本科和研究生教学，8 000人时/年以上；为上海铁路局徐州电务段、供电段、徐州高铁客运站、徐州城市轨道交通有限责任公司提供动车模拟驾驶、运用检修、高速列车运行控制、综合调度、牵引供电等方面的虚拟仿真训练和技术演练，每年提供300人以上的服务，同时服务企业科技创新，目前已完成项目5项，实现项目成果转化8项；我校与俄罗斯圣彼得堡国立交通大学和彼得大帝理工大学联合举办本、硕一体轨道交通信号与控制等专业，学生在国外学习期间可通过网络在线实验，目前学生人数已达300人，提高了资源利用率和使用效益。

2 特色创新

(1)国际化课程嵌入的实验教学模式。创建中俄合作办学、双方互惠、协同发展机制。嵌入俄罗斯圣彼得堡国立交通大学实验课程，利用其优质教学资源，借鉴其实验教学模式和方法开展共同培养国际化人才。

(2)相辅相成的功能联体平台。搭建实验教学、实践培训和科研服务“三位一体”的功能平台。依托企业先进技术力量，利用我校优势学科资源，使实验教学与工程应用紧密结合，校企深度融合。

(3)工程引领的虚拟仿真实验体系。构建“行车控制、运输组织、运行车辆、牵引供电”为核心轨道交通虚拟仿真实验教学资源。形成以工程引领的“四体交融”实验教学体系，使学生在虚拟环境中客观的实现真实的实验，并具有身临其境的感受，提高了学生的工程应用能力。

3 结 语

虚拟仿真实验教学中心通过几年的建设实践，将实验设备、仪器、操作过程及实验结果数字化和虚拟化，开发了“功能完备、界面友好”的虚拟仿真实验教学资源，打造在线实验平台，助力资源共建共享。采用“虚实结合+自主学习”的虚拟仿真实验教学方法，构建了与企业、院所“开放共享、产教融合”的教学模式，拓展了实验内容的深度和广度，大幅提升学生学习兴趣，提高了学生学习成绩和创新能力。加强了师生互动，使指导和学习模式得以变革，减少了教师传统指导工作量，教师工作得以优化，从而达到对课程体系的重塑和实验方法的变革。真正体现了以人为本，重在人才培养的高等教育核心内涵，取得了令人满意的效果[15-16]。