新工科背景下轨道交通信号与控制专业实践教学模式的改革与探索

张振海， 陈永刚， 武晓春， 林俊亭， 张雁鹏

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070)

0 引 言

“新工科”的提出，标志着以“新工科”建设为主题的工程专业教育改革进入一个崭新的阶段。新工科的内涵具有战略型、综合性、创新性、实用性的特征，使高校在提升创新型人才的工程实践能力方面面临新的挑战。近年来，随着轨道交通事业建设在我国迅猛发展，以电子信息、自动化、计算机为代表的信息技术对轨道交通的运营产生了巨大的影响。轨道交通与信息技术的密切结合，新技术、新设备的不断应用，为实现轨道交通运营的安全性和可靠性提供了重要的技术支撑，但同时也给轨道交通的运营维护带来诸多新挑战，给轨道交通信号与控制领域的工程技术人才的培养提出了更高的要求。

“新工科”建设需要打破学科壁垒、构建多方协同的办学体系，着重应用实践训练和实际操作能力培养，培养符合经济发展需要、多学科融合、创新应用能力强、多元化发展的新工科人才。实践教学作为提升学生工程应用与实践创新能力的关键步骤,加强实践教学的改革与创新，不断创造新的人才培养模式，以满足新工科人才培养的需求。轨道交通信号与控制专业人才培养如何主动适应轨道交通发展的新需求，强化学生工程实践创新能力培养是亟待解决的关键问题[1-5]。

1 现阶段实践教学中存在的问题

轨道交通具有“领域多、专业强、技术高”的行业特点，所以在人才培养方面必须突出以“综合型、应用型、专门型”为特色。但由于学校地理位置不具备优势，教学资源相对匮乏，当前的专业教育仍然沿用原有铁路专业人才培养模式，学科交叉与融合不够，学生工程实践创新能力培养与快速发展的轨道交通新技术衔接不紧，难以及时胜任工作岗位。现阶段的实践教学问题主要表现在以下几个方面：

(1) 原实践教学体系涉及的知识面较窄，内容相对陈旧，演示型实验较多，学生深度参与对课程知识学习的程度不够，不能适应轨道交通新技术应用和发展的需要。

(2) 传统实践课程以知识讲授为主，在实践教学过程中存在现场实践风险大、费用高，涉及安全性高的设备及系统无法进行实践操作等问题，学生缺乏对创新兴趣和创新思想的启发。

(3) 受实践教学资源制约，实践教学环境与设备单一，仿真软件与现场工程实际需求脱节严重，限制了实践过程中学生的自主创新能力的培养，缺乏将实践平台服务于学生自主学习与创新的有效途径，不能满足自主创新的需要。

2 提升人才培养理念

针对轨道交通电气及自动化领域的人才培养外延性需求，从实践课程体系、实践训练实施的过程控制以及工程实践与应用等方面进行了改革，制定了一系列制度与规范，从工程应用的角度满足行业需求，为学生工程应用能力的提升打下基础。

(1) 以制度建设为保障，规范实践教学环节。根据轨道交通信号与控制专业培养目标和人才培养方案的要求，充分听取相关领域的技术专家的建议，结合用人单位对毕业生的工程实践创新能力培养的反馈意见，对实践课程重新修订了教学大纲，全面、系统地考虑与安排实践教学过程。在制定制度规范的同时，加大对实践教学计划执行情况的检查力度，确保实践教学大纲和教学计划的严格执行，使学生的工程实践创新能力得到全面的培养和训练。

(2) 以行业需求为导向，拓展专业外延需求。通过对通号集团、中车集团、中国中铁、兰州铁路局、兰新铁路公司、成都铁路局、成都地铁等相关单位进行实地座谈调研，获悉目前高速铁路、轨道交通行业对人才培养的外延性需求主要有：系统研发与设计能力、设备维护与管理能力、产品工艺设计与开发能力、生产管理与技术服务能力、设备检测与质量管理能力、产品营销与服务能力等。通过对人才需求的认真分析，面向轨道交通工程，提出了“规范引导促进内涵发展，实践强化拓展外延需求”的人才培养理念，如图1所示。

图1 人才培养理念

在具体实施过程中，调整教学计划，在毕业设计、课程设计、电子元器件调研、设备组装与实训、认识实习和生产实习等实践环节实施过程中，增加了面向高速铁路和城市轨道交通工程领域的知识内容，例如：在轨道交通信号与控制专业实践环节中，毕业设计选题增加了200～250 km/h高速铁路ZPW-2000A自动闭塞工程设计、城市轨道交通车站信号控制系统工程设计等题目；同时，根据培养方向，面向高速铁路方向增开GSM-R技术及应用、高速列车运行控制系统等实践性较强的课程，面向城市轨道交通方向开设 基于通信的列车运行控制、城市轨道交通车辆段控制系统等课程。为培养符合铁路运营单位需求的专业人才，建设高速铁路信号综合实验室和高速铁路信号与控制虚拟仿真实验室，实验室开设的实验紧密结合现场外延性需求，将为学生提供完备的实践操作环境[6-7]。

3 构建轨道交通特色场景式实践教学体系

轨道交通具有起点高、发展快、技术更新快等特点。通过整合现有教学资源，构建工程场景案例，通过对场景案例的分析、探究与反思，深入的学习该场景下工程建设与运营的知识与技术，为工程实践创新提供新的思路与方法，为建设工程创新实践基地提供有利的条件，如图2所示。

(1) 整合有效资源，构建工程场景案例。根据学生能力形成的不同阶段和认识发展的基本规律，将突出“场景-探究-反思-创新”的能力培养贯穿于“实验-实训-实习-设计”与“竞赛-认证考试”课内外实践环节，统筹组织和实施，通过构建工程场景案例，激发学生的学习热情，培养实践能力，也为能力展示提供了舞台，即能力形成于实践、展示于实践、升华于实践。例如，毕业设计中的兰州地铁一号线CBTC系统工程设计(奥体中心站、迎门滩站、西客站、雁北路站、世纪大道、营门滩站、马滩站等)等案例，应用性强，密切联系工程实际。学生对该类型的设计题目兴趣度高，调动了学生研究学习的积极性。通过开展这些源于工程实际的教学实践，极大提升了学生的工程实践创新能力。

图2 轨道交通特色场景式案例实践教学

另外，实践教学注重企业课堂，采取“请进来”的办法，让参与协同培养的企业一线工程师走进课堂，为学生开设专题工程案例讲座和指导，使理论紧密联系实际，并设立可操作性强的实践项目，配合项目案例分解训练，让学生边学边练，在“学中做、做中学”的过程中有效实现工程实践现实化。

(2) 参与学科竞赛，充实教学案例资源。信息与控制类专业的学科竞赛种类丰富，为学生提供了良好的展示平台。通过组织学生参与电子设计、数学建模、交通科技、物联网、互联网+等专业学科竞赛，激发学生的实践创新活力同时提升学生的独立思考能力。通过实践来发现问题、解决问题，培养学生学习兴趣，增强学生学习自信心。教师在指导过程中，紧密结合竞赛过程，总结经验，构建工程案例，充实教学案例资源。例如，在电子设计大赛中，制作的频谱分析仪，可用于移频自动闭塞系统的信号检测，可作为工程案例用于课堂教学；在交通科技竞赛中制作的城市轨道交通列车控制仿真模拟系统，可用于列控课程教学的实际案例给学生进行讲解，课程讲授更加生动，激发学生自主学习的兴趣。

(3) 加强科教融合，促进教学案例优化。注重科教融合，在教学和科研方面才能始终保持着较强的可持续发展潜力。踊跃将科研成果用到实际教学中，真正做到了以教学为中心、以科研为根基、以育人为目的，教学带动科研、科研促进教学。将实践教学平台的设备资源作用最大化，积极开展科研项目研究。通过对教师完成的铁路电务巡检卡控系统、高速铁路建设运营可视化技术平台研发、城市轨道交通列车运行控制仿真系统等课题研究成果进行总结凝练，形成了诸多实际工程教学案例，进一步充实了教学案例资源，促进了教学案例的优化。从科研成果中提取出案例供教学使用，将科研成果和工程案例渗透到实践教学，让学生了解本领域的新理论、新技术和新方法，拓宽了学生的知识面，取得了显著的效果和成绩[8-10]。

4 采用信息化的工程实践教学模式

轨道交通信号与控制是一个多学科交织的综合领域，完成现场工程项目需要将多学科知识协调运用。本成果基于线上线下相结合的方式，提出开放式互联网+工程实践的教学模式，融课堂教学、网络课程、实践教学等多种形式为一体，满足了学生广泛学习的需求问题，如图3所示。

图3 “互联网+”工程实践教学模式

(1) 建设网络课程和微课资源，支撑广泛学习需求。为加强课程教学目标指导下的一体化教学，实现课程线上线下教学途径和方法的整合。依据现代教育思想，积极响应并建设基于网教平台的网络课程和微课资源，先后建设完成了铁道信号远程控制、列车运行控制技术等10余门课程的网络课程，使得课程学习不再是以往被动接受的过程，而是通过网络平台进行实时互动，使师生之间、学生之间就目标、疑惑和任务进行交流和学习，使教学模式发生改变，使学生由被动接受转变为主动学习，从而更加有效地完成教学任务。

(2) 开发虚拟仿真实验，丰富实践教学手段。虚拟仿真技术是为了满足专业人才培养需求，通过教师自主研发、大量引进先进资源、科研成果转化等方式，设计完成了虚实结合的实验教学资源板块，内容涵盖轨道交通信号基础设备、车站计算机联锁半实物仿真、高铁列车控制系统虚拟仿真和机车控制半实物仿真等，并开发了列控系统维护模拟仿真、信号设备BIM模型的可视化仿真等实验系统。采用虚拟仿真、半实物仿真、远程控制和网络化仿真等多种实验方式结合，对培养学生对专业服务对象和知识的系统性认识与思维方式、开拓视野、提升知识结构、增强工程实践能力和创新精神具有重要意义[11-13]。

5 实践教学模式改革的成效

(1) 实践教学的创新点。① “规范引导促进内涵发展，实践强化拓展外延需求”的人才培养理念。以制度建设为保障，规范实践教学环节, 深入实施过程监控；以行业需求为导向，拓展专业外延需求，强化工程实践训练。② “场景-探究-反思-创新”的轨道交通特色场景式实践教学体系。整合有效资源，构建工程场景案例, 通过对场景案例的分析、探究与反思，深入学习该场景下工程建设与运营的知识与技术；通过参与学科竞赛和加强科教融合，充实和优化教学案例资源。③ 以课程教学平台为依托，加强课程资源建设，开发虚拟仿真实验，优化网络课程、微课等资源建设，支撑泛在学习需求,丰富实践教学手段,进一步深化教学改革[14-16]。

(2) 实践教学成效。通过该实践教学模式的应用与实施，学生的学习兴趣、自主学习能力、工程实践能力和创新意识得到全面提升，取得了良好的人才培养效果。轨道交通信号与控制专业毕业生整体上基础扎实，专业素养强，综合素质高，表现出较强的学科知识运用和创新能力，用人单位普遍给予高度评价。相关领域的多家公司与我院签署长期的就业合作协议。学生就业率始终保持在95%以上。学生竞赛获奖率和获奖等级逐年提升，近2年，荣获大学生各类学科竞赛国家级奖励18项，省部级奖励64项。学校获批建设国家级轨道交通信息与控制虚拟仿真实验中心。研究成果转化的实验设备与技术已推广应用到国内多所铁路院校，如计算机联锁仿真培训系统、机器视觉检测实验平台、轨道模拟检测车等科研成果成功转化为本科生教学平台。近年来先后有20余家省内外企事业单位到实验室参观学习和交流，对轨道交通领域的实践教学产生重要的影响，对西部高校和铁路院校起到了很好的示范辐射作用。

6 结 语

新工科背景下轨道交通信号与控制专业实践教学模式的改革以提高人才培养质量为宗旨，以综合应用能力和实践创新能力培养为核心，以知识、能力、素质协调发展为主线，以实践平台建设和制度建设为保障，提出了“规范引导促进内涵发展，实践强化拓展外延需求”的人才培养理念，构建了“场景-探究-反思-创新”的轨道交通特色场景式实践教学体系，以多形式教学、多样化训练、多渠道实践为手段形成了线上线下相结合的开放式“互联网+”工程实践的教学模式，强化了学生的创新精神、创业意识和个性化发展，取得了显著的成效，人才培养质量明显提高。